5. Эквивалентная схема диода по постоянному току при обратном смещении.

Для расчетов полупроводниковый диод удобно представлять в виде линейной эквивалентной схемы, показанной на рис. 3.6а.

Соответствующая формула для такой идеализированной характеристики имеет вид:

, (3.25)

где – ток, получаемый путем экстраполяции характеристики до пересечения с осью токов (рис. 3.6б);

– сопротивление, характеризующее "средний" наклон кривой. Параметры эквивалентной схемы определяются по данным справочников или путем измерений.

6. Пробой p-n перехода.

Определим напряженность поля в p-n переходе. Ширина p-n перехода связана с приложенным напряжением выражением (2.11). Если , то из (2.11) следует

. (3.26)

Среднюю напряженность поля p-n перехода можно получить, разделив напряжение на переходе на его ширину l:

(3.26a)

или подставив вместо l его значение из (2.11), получим:

. (3.27)

Из (3.27) видно, что с ростом обратного напряжения напряженность поля в p-n переходе будет увеличиваться , причем тем больше, чем выше концентрация примесей в полупроводнике.

Рост напряженности поля в p-n переходе ограничен резким возрастанием обратного тока при достижении некоторого критического значения напряженности поля. Это явление называют пробоем p-n перехода, а напряжение, при котором оно происходит, - напряжением пробоя. Напряжение пробоя можно выразить через критическую напряженность поля. Для этого преобразуем (3.27), подставив

, (3.28)

где - критическая напряженность поля, - удельное сопротивление p-слоя или базы.

Различают три механизма пробоя p-n перехода при достаточно больших обратных напряжениях: туннельный, лавинный и тепловой. Первые два связаны с увеличением напряженности электрического поля в переходе, а третий - с увеличением рассеиваемой мощности и соответственно температуры.

В основе туннельного пробоя лежит туннельный эффект, т.е. "просачивание" электронов сквозь тонкий потенциальный барьер. Туннельный переход сквозь барьер происходит без изменения энергии электрона. Вероятность туннельного эффекта увеличивается при уменьшении ширины p-n перехода, которая зависит от удельного сопротивления полупроводника (2.9) . Следовательно, напряжение туннельного пробоя будет увеличиваться с ростом удельного сопротивления базы (3.28).

Поэтому для повышения пробивного напряжения нужно использовать базы из достаточно высокоомного материала. Именно поэтому у высоковольтных диодов делают базу из как можно более высокоомного материала.

Для U_пр можно записать эмпирические выражения:

для германия (3.29а)

для кремния . (3.29б)

Кроме того, из формул (3.29) видно, что напряжение туннельного пробоя зависит от типа проводимости базы: для базы типа n оно больше, чем для базы типа p, так как .

В основе лавинного пробоя лежит процесс "размножения" носителей в сильном электрическом поле, действующем в области перехода. Электрон и дырка, ускоренные электрическим полем на длине свободного пробега, могут разорвать одну из ковалентных связей нейтрального атома полупроводника. В результате рождается новая пара электрон - дырка и процесс повторяется уже с участием новых носителей Обратный ток при этом, естественно возрастает. При достаточно большой напряженности поля, когда исходная пара носителей в среднем порождает более одной новой пары, ионизация приобретает лавинный характер, подобно самостоятельному разряду в газе. При этом ток будет ограничиваться только внешним сопротивлением.

Напряжение лавинного пробоя связано с удельным сопротивлением базы полуэмпирическим соотношением

, (3.30)

где имеет размерность Ом*см, а значения a и m - характеристические числа, определяемые из таблиц, причем a>>1, m<1. Например, если полупроводник германиевый электронный, то а=83, m=0,6. Зависимость более слабая, чем . Поэтому при высоких значениях , когда , пробой носит лавинный характер, а при низких, когда - туннельный, (где - напряжение лавинного пробоя, - напряжение туннельного пробоя). Граничное значение пробивного напряжения, выше которого пробой лавинный, а ниже - туннельный, составляет 5В.

Одной из отличительных особенностей лавинного и туннельного пробоев является разный знак температурного коэффициента пробивного напряжения. Это объясняется тем, что напряжение туннельного пробоя находится в прямой зависимости от ширины запрещенной зоны, поэтому уменьшение величины с ростом температуры вызывает уменьшение . Напряжение лавинного пробоя находится в обратной зависимости от подвижности, поэтому уменьшение величины с ростом температуры вызывает увеличение .

Тепловой пробой обусловлен выделением тепла в переходе при протекании обратного тока. С ростом температуры обратные токи резко возрастают , соответственно увеличивается мощность, рассеиваемая в переходе; это вызывает дополнительный рост температуры и т.д.

Напряжение теплового пробоя имеет следующую структуру:

, (3.31)

где - тепловое сопротивление перехода, - обратный ток при комнатной температуре.

Например, если ; и , то . Величина быстро уменьшается с ростом температуры окружающей среды, так как при этом сильно растет обратный ток.