Статическая вольт-амперная характеристика диода

Статическая вольт-амперная характеристика (ВАХ) идеализированного p-n-перехода описывается формулой Шокли и имеет вид

, (3)

где – тепловой токp-n-перехода (ток насыщения). Значение зависит от материала кристалла, концентрации атомов примесей вp- и n-областях и температуры.

Формула (3) получена с учётом только процессов диффузии (экстракции) основных (неосновных) свободных носителей электрического заряда через p-n-переход при U > 0 (U < 0).

График ВАХ идеализированной p-n-структуры имеет вид кривой 1 на рис. 2.

При увеличении модуля отрицательного внешнего напряжения (U < 0) обратный ток через p-n-структуру достигает наибольшего возможного значения, равного , уже при. ПриU > 0 и U > 0,1 В в выражении (3) можно пренебречь единицей по сравнению с экспоненциальным слагаемым. Следовательно, прямой ток (при U > 0) значительно больше обратного тока (при U < 0). Это означает, что p-n-переход обладает свойством односторонней проводимости (вентильным свойством).

ВАХ идеализированного p-n-перехода в соответствии с (3) может быть представлена также в виде

. (4)

Рис. 2

1

2

I

Идеальная

Реальная

Идеализированная

I₀

0 U 1

А

Электрический пробой

B

C

Тепловой пробой

2

Рис. 2

Из (4) следует, что дифференциальное сопротивление идеализированного p-n-перехода при

. (5)

Отличие прямой ветви графика ВАХ реальных структур (рис. 2, кривая 2) от характеристики, описываемой (3), обусловлено в основном наличием составляющей тока, возникающей в результате рекомбинации свободных носителей электрического заряда в p-n-переходе, и возникновением падения напряжения на сопротивлении базовой области кристалла. С учетомвыражение (4) можно представить в следующем виде:

. (6)

По мере увеличения прямого тока происходит уменьшениевследствие увеличения концентрации свободных носителей электрического заряда в базе, что обусловлено явлением инжекции в базу свободных носителей электрического заряда из эмиттера.

Отличие обратной ветви графика реальной ВАХ от характеристики, описываемой (3), обусловлено наличием составляющей тока, создаваемой процессом термогенерации свободных носителей заряда в области p-n-перехода (), и существованием поверхностного тока утечки () в областиp-n-перехода кристалла.

У германиевой структуры обратный ток определяется в основном токами и. У кремниевой структуры обратный ток определяется в основном токамии.

График обратной ветви реальной p-n-структуры имеет три характерных участка: ОА, АВ, ВС. На участке AB при сравнительно малом увеличении напряжения наблюдается резкое увеличение обратного тока p-n-перехода. Этот режим работы p-n-перехода называется электрическим пробоем. При электрическом пробое изменения химической структуры кристалла не происходит. Различают два вида электрического пробоя: туннельный и лавинный.

В основе туннельного пробоя лежит туннельный эффект, т.е. «просачивание» электронов без изменения своей энергии сквозь потенциальный барьер p-n-перехода. Вероятность туннельного эффекта возрастает при уменьшении толщины потенциального барьера (толщины p-n-перехода). Поэтому туннельный пробой присущ сильнолегированным p-n-структурам.

Лавинный пробой заключается в том, что под действием сильного электрического поля в p-n-переходе свободные носители электрического заряда на длине свободного пробега приобретают энергию, достаточную для ионизации атомов кристалла. При этом возникает явление ударной ионизации атомов кристалла, что приводит к лавинообразному нарастанию концентрации свободных носителей заряда. Лавинный пробой характерен для слаболегированных p-n-структур.

Рис. 2

В процессе увеличения обратного напряжения на p-n-переходе и соответствующего возрастания обратного тока происходит нарастание нагрева кристалла, что сопровождается усилением процесса термогенерации свободных носителей заряда. По этой причине при некотором значении этого напряжения происходит лавинообразное увеличение обратного тока, завершающееся явлением теплового пробоя p-n-перехода. При тепловом пробое происходит разрушение структуры кристалла (участок ВС кривой 2 на рис. 2).

Из формулы (4) видно, что меньшим значениям тока соответствуют большие значения прямого падения напряжения U. У кремниевых (Si) диодов прямое падение напряжения больше, чем у германиевых (Ge), т.к. тепловой ток у них на несколько порядков меньше (рис. 3).

Рис. 3 Рис. 4

С ростом температуры ток возрастает, поэтому в соответствии с формулой (4) значение прямого падения напряжения уменьшается (рис. 4).

Электрическая емкость p-n-структуры. При изменении напряжения , приложенного кp-n-структуре, заряд в ООЗ, согласно (2), меняется в соответствии с изменением . Как известно, связь между зарядом электрической системы и приложенным к ней напряжением характеризуется физическим параметром – электрической ёмкостью этой системы.

При изменении приложенного к p-n-структуре напряжения происходит изменение количества как пространственно разделенного электрического заряда в ООЗ, так и количества положительного и отрицательного зарядов квазинейтральных p- и n-областей вблизи ООЗ. Поэтому емкость p-n-структуры состоит из двух составляющих , где–барьерная составляющая ёмкости, обусловленная изменением заряда в ООЗ; –диффузионная составляющая ёмкости, обусловленная изменением заряда в квазинейтральной области кристалла вблизи ООЗ в результате явлений инжекции в эту область или экстракции из этой области неосновных свободных носителей электрического заряда. Инжекция происходит при , а экстракция – при.

Значение барьерной дифференциальной составляющей ёмкости резкого p-n-перехода определяется формулой

, (7)

где S – площадь поверхности границы раздела p- и n-областей; – толщина ООЗ при;– значение разделенного заряда в ООЗ.

Значение диффузионной дифференциальной составляющей емкости при приложении прямого напряжения определяется

, (8)

где – среднее время жизни неосновных свободных носителей заряда (дырок) в базовойn-области p-n-структуры; – прямой токp-n-структуры.

При выполняется условие, а при– условие.