1.4 Особенности вольт-амперной характеристики плоскостного диода

Выпрямляющее свойство р — n-перехода получило практическое применение в устройстве полупроводниковых плоскостных выпрямительных диодов, используемых в разнообразных выпрямительных схемах.

Вольт-амперная характеристика плоскостного диода несколько отличается от характеристики идеального р —n-перехода (рисунок 1.8). Отличие прямой ветви вольт-амперной характеристики плоскостного диода обусловлено тем, что при выводе уравнения (1.41) не учитывались явления генерации и рекомбинации в запирающем слое, а также распределенное сопротивление базы диода. Рекомбинация возрастает с увеличением прямого напряжения и зависит также от наличия ловушек в запрещенной зоне. С увеличением прямого напряжения прямой ток вначале экспоненциально возрастает, а затем, начиная с некоторого напряжения U=φ_к, растет почти линейно. Это объясняется тем, что при больших прямых токах внешнее напряжение значительно превышает контактное φ_к на р — n-переходе, и прямой ток определяется в основном сопротивлением материала диода.

Значение обратного тока насыщения на плоскостных диодах больше, чем теоретическое (1.42), и возрастает при увеличении обратного напряжения. Это объясняется наличием поверхностной проводимости р — n-перехода и термогенерацией носителей в запирающем слое перехода. При некотором критическом значении обратного напряжения U_кр обратный ток резко возрастает, так как возможны предпробойные явления и пробой р — n-перехода вследствие ударной ионизации и большого тепловыделения за счет роста обратного тока. Тепловой пробой характеризуется наличием участка отрицательного дифференциального сопротивления на обратной ветви вольт-амперной характеристики.

Так как последовательно с р — n-переходом всегда оказывается включенный слой полупроводника (база диода), то формулу (1.41) следует записать для плоскостного диода в виде

I= I_S[е^α(U-IR)— 1], (1.64)

где α=δ q₀/kT (δ — коэффициент, зависящий от строения р — n-перехода); U — напряжение, приложенное к диоду; IR — падение напряжения на базе диода.

При достаточно большом напряжении в прямом направлении формула (1.64) примет вид

I= I_Sе^α(U-IR), (1.65)

а при достаточно большом напряжении в обратном направлении

I=-I_S. (1.66)

1.5 Температурная зависимость обратного тока

На вольт-амперные характеристики полупроводниковых выпрямителей в сильной степени влияет температура. При повышении температуры увеличиваются прямой и обратный токи. Обратный ток существенно зависит от температуры, тогда как относительное изменение прямого тока с изменением температуры незначительно. С ростом температуры уменьшается высота барьера q₀φ_к (1.14) и экспоненциально (2.25) растет концентрация неосновных носителей заряда, вследствие чего увеличивается ток насыщения с повышением температуры. Рост тока насыщения с повышением температуры практически является основным фактором, определяющим температурный предел работы выпрямительных диодов. При- некоторой температуре собственная проводимость материала диода становится сравнимой с примесной, при этом число неосновных носителей заряда сравнимо с числом основных и выпрямление резко ухудшается. Поэтому верхняя предельная температура Т_макс выше для диодов из полупроводниковых материалов с более широкой запрещенной зоной. Например, для германиевых диодов (ΔE=0,72 эВ) T_макс=348-363 К, для кремниевых диодов (ΔE=1,12 эВ) T_МАКС=423-473 К.

Зависимость обратного тока насыщения от температуры для плоскостных полупроводниковых диодов можно представить в виде

I_S=Сe^-ΔE/kT. (1.67)

где С — множитель, слабо зависящий от температуры;

ΔE — энергия активации материала диода.

Выражение (1.67) справедливо, когда исходный полупроводник достаточно сильно легирован и время жизни носителей заряда τ, определяющее ток насыщения (1.53), не зависит от температуры.

Для слаболегированных полупроводников и достаточно высоких температур, когда n_n≈p_n=n_i, температурная зависимость обратного тока принимает несколько иное выражение:

i_s=C₁e^-ΔE/2kT, (1.68)

т. е. в этом случае обратный ток слабее зависит от температуры.

Для всех диодов с понижением температуры от 200 К наблюдается ослабление температурной зависимости обратного тока. Это явление связано с возрастанием роли генерационной компоненты тока в области объемного заряда при понижении температуры. В этом случае энергия активации соответствует энергетическому положению ловушки.

Исследуя температурную зависимость обратного тока насыщения, можно найти значение энергии активации (ширины запрещенной зоны) полупроводникового материала диода или энергетическое положение ловушки (при низких температурах).

Логарифмируя выражение (1.67), получим для температур T₁ и Т₂ выражения

lnI_Sl = lnC-ΔE/kT₁; (1.69)

lnI_S2 = lnC-ΔE/kT₂.

Решая уравнения (1.69) относительно энергии ΔE, получим;

(1.70)

где I_S1 и I_S2 — обратные токи насыщения при температурах T₁ и Т₂ соответственно.