1.2. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода

Рис. 3. Электронно-дырочный переход при прямом (а) и обратном (б) смещении

Пусть к диоду приложено прямое напряжение, то есть внешний источник подключен плюсом к аноду (p-области), минусом – к катоду (n-области). Создаваемое внешним источником электрическое поле противоположно внутреннему электрическому полю в переходе, оно снижает потенциальный барьер _к (рис. 3, а), уменьшает объемный заряд и размер обедненного слоя. Уменьшение потенциального барьера увеличивает диффузионный ток основных носителей через переход. Это явление называется инжекцией. Дрейфовый ток неосновных носителей при этом почти не меняется, таким образом полный ток растет.

Зависимость прямого тока через диод от приложенного прямого напряжения (прямая ветвь ВАХ перехода) близка к экспоненциальной. Поскольку при прямом смещении диффузионный ток основных носителей существенно больше дрейфового тока неосновных, в приграничных областях создается избыточная (неравновесная) концентрация носителей – дырок в n-области и электронов в p-области. Проникая вглубь слоев, избыточные электроны рекомбинируют с дырками p-области, а неравновесные дырки рекомбинируют с электронами n-области. В глубине слоев концентрации неосновных носителей экспоненциально убывают до равновесных. Необходимые для рекомбинации дырок электроны поступают в n-область от отрицательного зажима источника, который перебрасывает электроны от p-области. Таким образом, по внешней цепи перемещаются только электроны. Поскольку p_p >> n_n, то j_{p диф} >> j_{n диф}, то есть прямой ток создается в основном диффузией дырок из p-области в n-область. Поэтому p-область обычно называют эмиттером.

При обратном смещении диода, то есть при подключении внешнего источника плюсом к катоду (n-области) и минусом к аноду (p-области), электрическое поле внешнего источника складывается с внутренним полем перехода, увеличивает объемный заряд и потенциальный барьер _к. Увеличение потенциального барьера уменьшает практически до нуля диффузионный ток основных носителей, а дрейфовый ток неосновных носителей остается почти постоянным. Суммарный обратный ток равен дрейфовому току неосновных носителей. Поскольку диффузии нет, а дрейф остался, из приграничных областей уходят практически все неосновные носители заряда (рис. 3, б). Это явление называется экстракцией.

Рис. 4. ВАХ диода (5)

Полная вольт-амперная характеристика диода опи­сывается формулой Шоттки:

,

(5)

где I_S – тепловой ток или ток насыщения. При большом прямом смещении u_aк >> _T единицей в формуле (5) можно пренебречь и записать:

,

Здесь r_d – дифференциальное сопротивление p-n-перехода. Вид функции (5) показан на рис. 4.

Формула Шоттки (5) для реального диода является приближенной. При больших прямых напряжениях на вольт-амперной характеристике появляется почти линейный участок, связанный с объемным сопротивлением базового слоя. Прямой ток через диод не должен превышать некоторой максимальной величины во избежание перегрева диода и его выхода из строя. При малых прямых токах прямое падение напряжения на диоде составляет 0,5–1,0 В для кремниевых диодов и 0,3–0,5 В для германиевых.

На рис. 5 показаны реальные ВАХ кремниевого и германиевого диодов. Видно, что при некотором обратном напряжении начинается резкий рост обратного тока – происходит электрический пробой, который, вообще говоря, обратим и не приводит к разрушению диода. Однако при дальнейшем увеличении обратного напряжения увеличивается мощность, выделяющаяся в переходе, растет его температура, что еще больше увеличивает обратный ток и выделяющуюся мощность. Развивается лавинный процесс разогрева перехода – тепловой пробой, который приводит к плавлению p-n-перехода и разрушению диода.