1.5. Особенности вольт-амперной характеристики реального диода.

Вольт-амперная характеристика реального диода несколько отличается от характеристики идеального р-n-перехода. Отличие прямой ветви вольт-амперной характеристики диода обусловлено тем, что при выводе уравнения (3.29) не учитывались явления генерации и рекомбинации в запирающем слое, а также распределенное сопротивление базы диода. Рекомбинация зависит от наличия ловушек в запрещенной зоне и возрастает с увеличением прямого напряжения. Прямой ток с ростом прямого напряжения вначале экспоненциально возрастает, а затем, начиная с некоторого напряжения U=U_K, растет почти линейно, т.к. при больших прямых токах внешнее напряжение значительно превышает U_K на р-n-переходе, и прямой ток определяется в основном сопротивлением базы диода.

Значение обратного тока насыщения у реальных диодов больше, чем теоретическое, и возрастает при увеличении обратного смещения. Это объясняется наличием поверхностной проводимости р-n-перехода и термогенерацией носителей в запирающем слое.

На вольт-амперную характеристику диода 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 qV_K и экспоненциально растет концентрация неосновных носителей заряда, вследствие чего увеличивается и ток насыщения.

Зависимость обратного тока насыщения от температуры для полупроводниковых диодов при условии, что время жизни носителей заряда , определяющее ток насыщения, не зависит от температуры, можно представить в виде:

I_S=C₁ , (3.31)

где С₁- множитель, слабо зависящий от температуры, Е_g - ширина запрещенной зоны материала диода.

Тогда из температурной зависимости обратного тока насыщения можно определить ширину запрещенной зоны материала диода. Для этого прологарифмируем выражение (3.31) для температур Т₁ и Т₂ и получим:

(3.32)

Решая систему уравнений (3.32) относительно Е_g, получим:

(3.33)

где I_S1 и I_S2 – обратные токи насыщения при температурах Т₁ и Т₂ соответственно.

1.6. Барьерная емкость р-n-перехода

Ширина запорного слоя уменьшается с увеличением прямого напряжения и увеличивается с ростом обратного. Ширина запорного слоя складывается из ширины слоя объемного отрицательного заряда в р-области и ширины слоя положительного объемного заряда в n-области и определяется следующим выражением:

(3.34)

В случае несимметричности перехода, когда N_a>>N_d, запорный слой распространяется в область полупроводника с малой концентрацией примеси, т.е. в область с более низкой проводимостью.

Изменение протяженности запорного слоя в связи с ростом обратного напряжения приводит к увеличению объемного заряда в р- и n- областях. Поэтому р-n-переход ведет себя подобно емкости. Эту емкость называют барьерной, т.к. она связана с образованием потенциального барьера между р- и n-областями.

Величина емкости по определению равна:

(3.35)

Можно показать, что барьерная емкость р-n-перехода обратно пропорциональна ширине запорного слоя:

(3.36)

Подставив в формулу (3.36) выражение (3.34) для ширины запорного слоя d и учитывая, что площадь перехода равна S, найдем зависимость величины барьерной емкости от приложенного напряжения и концентрации примеси:

(3.37)

В случае несимметричного р-n-перехода, когда N_a>>N_d, переход расширяется в n-область, а величина барьерной емкости не зависит от свойств р-области:

(3.38)

Уравнение (3.38) позволяет найти контактную разность потенциалов и концентрацию донорной примеси. График зависимости I/C²=f(U), изображенный на рис. 3.9, отсекает на оси абсцисс отрезок, равный по величине V_K. Если известна зависимость С=f(U) то на основании формулы (3.36) можно построить зависимость ширины запорного слоя d от приложенного напряжения U.

Р ис.3.9.