13. Идеализированная и реальная вольтамперная характеристика m-n и p-n диодов.

Для анализа вольтамперной характеристики (ВАХ) диодов на основе контактов металл-полупроводник ( ) и перехода используют модель идеализированного прибора, которую затем корректируют с учетом реальных физических процессов.

Идеализированная ВАХ (модель Шокли)

Для обоих типов переходов теоретическая зависимость тока от приложенного напряжения описывается уравнением Шокли:

где:

• — теоретический ток насыщения (обратный ток);

• — заряд электрона;

• — постоянная Больцмана;

• — абсолютная температура;

• — температурный потенциал ( мВ при 300 К).

Особенности идеальной модели:

1. Прямая ветвь: При ток растет экспоненциально. При единица в скобках пренебрежимо мала.

2. Обратная ветвь: При и ток становится постоянным и равным .

3. Допущения: Отсутствие сопротивления базы, отсутствие генерации и рекомбинации зарядов в самом переходе, бесконечное напряжение пробоя.

Реальная ВАХ p-n перехода

В реальном диоде на характеристику влияют дополнительные факторы:

1. Область малых прямых токов: Ток растет медленнее, чем в теории, из-за рекомбинации носителей в области пространственного заряда (ОПЗ). Вводится коэффициент неидеальности (обычно ): .

2. Область больших прямых токов: Рост тока перестает быть экспоненциальным и становится линейным из-за омического сопротивления базы полупроводника ( ). Реальное напряжение на переходе меньше приложенного на величину .

3. Обратный ток: Вместо константы наблюдается постепенный рост тока за счет:

• Термогенерации пар заряд-дырка в ОПЗ (ток генерации).

• Токов утечки по поверхности кристалла.

4. Пробой: При достижении критического обратного напряжения ток резко возрастает (лавинный, туннельный или тепловой пробой).

Особенности m-n перехода (Диод Шоттки)

ВАХ диода Шоттки внешне похожа на , но имеет важные отличия:

• Меньшее прямое падение напряжения: Диод Шоттки открывается при В (против В у кремниевого диода). Это связано с меньшей высотой барьера.

• Больший обратный ток: у диодов Шоттки на несколько порядков выше, чем у переходов, и сильнее зависит от обратного напряжения (эффект Шоттки — снижение барьера полем).

• Отсутствие диффузионной емкости: Ток переносится основными носителями, поэтому накопления неосновных зарядов нет. Это делает ВАХ диода Шоттки практически идеальной для высокочастотных сигналов (быстрое переключение).

13. Мощный выпрямительный диод, импульсные и высокочастотные диоды, стабилитрон, варикап. Свето- и фотодиоды. Солнечные батареи.

Мощный выпрямительный диод

Предназначен для преобразования переменного тока в постоянный в силовых цепях.

• Особенности: Большая площадь перехода для пропускания больших токов (до сотен ампер).

• Характеристики: Низкое прямое падение напряжения ( ) и высокие допустимые обратные напряжения ( ). Из-за большой площади имеют огромную барьерную емкость, поэтому работают только на низких частотах (50–400 Гц). Для охлаждения монтируются на радиаторы.

Импульсные и высокочастотные (ВЧ) диоды

Используются в быстродействующих схемах и для обработки сигналов высокой частоты.

• ВЧ-диоды: Имеют малую площадь перехода для минимизации барьерной емкости .

• Импульсные диоды: Оптимизированы для быстрого перехода из открытого состояния в закрытое. Главный параметр — время восстановления обратного сопротивления ( ), которое минимизируется за счет уменьшения времени жизни неосновных носителей (путем легирования золотом или использования диодов Шоттки).

Стабилитрон (диод Зенера)

Работает на участке обратимого электрического пробоя (лавинного или туннельного) обратной ветви ВАХ.

• Назначение: Стабилизация напряжения в цепях питания.

• Принцип: При изменении тока в широком диапазоне напряжение на стабилитроне остается практически постоянным ( ).

Варикап

Полупроводниковый диод, используемый в качестве конденсатора, емкость которого управляется электрически.

• Принцип: Используется зависимость барьерной емкости от обратного напряжения: .

• Применение: Дистанционная настройка частоты в радиоприемниках, телевизорах и генераторах (ГУН).

Светодиод (LED)

Преобразует электрическую энергию непосредственно в световое излучение при протекании прямого тока.

• Физика: Происходит излучательная рекомбинация электронов и дырок. Энергия квантов света (цвет) зависит от ширины запрещенной зоны полупроводника: .

• Материалы: Прямозонные полупроводники (GaAs, GaN, GaP).

Фотодиод

Преобразует световой сигнал в электрический. Работает при обратном смещении.

• Принцип: Кванты света генерируют в переходе новые пары носителей (фотогенерация), что приводит к росту обратного тока (фототока), пропорционального интенсивности света.

• Режимы: Фотодиодный (с внешним питанием) и вентильный (генерация ЭДС без питания).

Солнечные батареи (Фотоэлементы)

Это фотодиоды с большой площадью поверхности, работающие в вентильном режиме.

• Принцип: Разделение фотогенерированных зарядов полем перехода создает на выводах прибора фото-ЭДС. При подключении нагрузки возникает ток.

• КПД: Определяется способностью материала поглощать широкий спектр солнечного излучения и минимизацией потерь на рекомбинацию.