Обратная ветвь вах
На обратной ветви ВАХ (
)
главным фактором, искажающим ВАХ диода
(по сравнению с идеальным), является ток
термогенерации носителей заряда в ОПЗ
(концентрация носителей заряда в ОПЗ
много меньше равновесной, и ток
рекомбинации в ОПЗ много меньше тока
термогенерации).
Ток
термогенерации определяется количеством
генерируемых носителей , которое
пропорционально объему обедненного
слоя
,
где
- ширина p -
n-перехода
(рис.1), и описывается формулой
,
где
— эффективное время жизни носителей
заряда в ОПЗ. Ширина р
- п-перехода
зависит от напряжения:
,
где
— равновесная ширина р
- п-перехода
(при
),
- контактная разность потенциалов,
для ступенчатого р
- п-перехода
и
для линейного р
- п- перехода.
Таким образом, при
, (7)
где
. (8)
Из соотношений (6) - (8) следует, что отношение тока термогенерации к тепловому току
.
Поэтому
в полупроводниках с широкой запрещенной
зоной (с малым значением
)
генерационный ток преобладает при
низких температурах. В кремниевых диодах
это имеет место уже при комнатной
температуре; в германиевых диодах при
комнатной температуре ток термогенерации
существенно меньше теплового и его
влияние становится заметным лишь при
низкой температуре, когда тепловой ток
сильно уменьшается.
Расширение р - п-перехода с увеличением обратного напряжения приводит к увеличению тока термогенерации. Поэтому в кремниевых диодах, где ток термогенерации является главной составляющей обратного тока, при комнатной температуре обратный ток много больше теплового и растет с ростом напряжения (рис.4).
Прямая ветвь вах
На
прямой ветви (
)
ВАХ идеального диода искажается влиянием
тока рекомбинации носителей заряда в
ОПЗ, влиянием сопротивлений тела базы
и эмиттера, изменением вида граничных
условий, а также влиянием дрейфовой
составляющей тока неосновных носителей.
При
малых прямых напряжениях главным
фактором, искажающим ВАХ диода, является
ток рекомбинации носителей заряда в
ОПЗ, который добавляется к инжекционным
составляющим тока
и
.
В кремниевых и германиевых диодах
основным механизмом рекомбинации
носителей заряда является ловушечная
рекомбинация. При этом ВАХ тока
рекомбинации имеет вид
, (9)
где
,
а масштабный ток
определяется соотношением (8).
Как
отмечено выше, в германиевых диодах при
комнатной температуре
,
поэтому ток рекомбинации не оказывает
существенного влияния на ВАХ. В кремниевых
диодах
,
поэтому при малых прямых напряжениях
(
В) ток рекомбинации в ОПЗ является
доминирующим.
Показатель
степени экспоненты в выражении (9) для
рекомбинационного тока в два раза
меньше, чем для диффузионного тока в
(1). Поэтому при увеличении прямого
напряжения диффузионный ток растет
быстрее, чем ток рекомбинации, и при
В его роль незначительна.
Полный
ток диода при
и низком уровне инжекции приближенно
описывается соотношением
, (10)
где
масштабный ток
учитывает тепловой и рекомбинационный
токи, а параметр
называется фактором неидеальности.
При
больших прямых напряжениях повышение
уровня инжекции изменяет граничные
условия для концентрации неосновных
носителей в базе на границе с ОПЗ, что
приводит к увеличению фактора неидеальности
до значения
.
Кроме того существенное значение имеет
падение напряжения
на сопротивлении тела базы
(рис. 1). В диодах с толстой базой
прямоугольной геометрии сопротивление
базы определяется соотношением
, (11)
где
- удельное сопротивление базовой области.
Эмиттер легируется значительно сильнее,
чем база, поэтому сопротивлением тела
эмиттера обычно можно пренебречь, и
напряжение на р
- п-переходе
определяется соотношением
. (12)
С учетом (10) и (12) ВАХ реального диода принимает вид
, (13а)
или
. (13б)
При
этом дифференциальное сопротивление
реального диода при
составляет
. (14)
При
влиянием сопротивления базы можно
пренебречь. При
влияние сопротивления базы на
дифференциальное сопротивление диода
становится доминирующим, и ВАХ диода
вырождается в прямую линию. Ток
(15)
называется
током омического вырождения. Как видно
из уравнения (14), сопротивление базы
можно экспериментально определить как
котангенс угла наклона прямой ветви
ВАХ на участке
(рис. 5,б).
Как видно из соотношения (6), сопротивление базы пропорционально толщине базы . Поэтому в диодах с толстой базой ток вырождения достигается еще при низком уровне инжекции в базе. В диодах с тонкой базой сопротивление базы мало, и ток вырождения соответствует высокому уровню инжекции. При увеличении прямого тока повышаются концентрации носителей заряда в базе и уменьшается сопротивление базы (эффект модуляции сопротивления базы). В результате участок вырождения ВАХ не является линейным. Дополнительной причиной искажения ВАХ при высоком уровне инжекции является изменение вида граничного условия для концентрации неосновных носителей в базе.