Вольт - амперная характеристика

Диодом называют полупроводниковый прибор одним электронно-дырочным переходом и двумя выводами.

На рис. 4.1 приведена вольт - амперная характеристика (ВАХ) маломощного полупроводникового диода, из которой видно, что он является нелинейным элементом.

Полупроводниковый диод по существу представляет собой р-n переход.

ВАХ показывает, что прямой ток в десятки миллиампер получается при прямом напряжении в десятые доли вольта. Поэтому прямое сопротивление бывает обычно не выше нескольких десятков ом. Для более мощных диодов прямой ток составляет сотни миллиампер и больше при том же малом напряжении, а R_ПР соответственно снижается до единиц ом и меньше.

Характеристику обратного тока, малого по сравнению с прямым, обычно показывают в другом масштабе. Обратный ток при обратном напряжении до сотен вольт у диодов небольшой мощности составляет единицы или десятки микроампер.

Это соответствует сопротивлению, равным нескольким сотням кОм и больше.

Так как u_ОБР >> u_ПР, то эти напряжения также отложены в разных масштабах. Вследствие различия масштабов получается излом кривой в начале координат.

При неизменном масштабе характеристика представляет плавную кривую без излома.

Характеристика для прямого тока вначале имеет значительную нелинейность, так как при увеличении u_ПР сопротивление запирающего слоя уменьшается. Поэтому кривая приобретает все большую крутизну. Но при напряжении уже в десятые доли вольта запирающий слой практически исчезает и остается только сопротивление р- и n-областей, которое приближенно можно считать постоянным. Поэтому далее характеристика получается почти линейной. Небольшая нелинейность объясняется тем, что при увеличении тока n- и р-области разогреваются, от чего их сопротивление уменьшается.

Обратный ток при увеличении обратного напряжения сначала быстро возрастает. Это вызвано тем, что уже при небольшом обратном напряжении за счет повышения потенциального барьера в переходе резко снижается диффузионный ток, который направлен навстречу току проводимости. Следовательно, полный ток i_ОБР = i_ДР – i_ДИФ резко увеличивается. Однако при дальнейшем повышении обратного напряжения ток растет незначительно. Рост тока происходит вследствие нагрева перехода током, за счет лавинного размножения носителей заряда в результате ударной ионизации. Явление ударной ионизации состоит в том, что при более высоком обратном напряжении электроны преобретают высокую корость и, ударяя в атомы кристаллической решетки, выбивают из них новые электроны, которые, с свою очередь, разгоняются полем и также выбивают из атомов электроны. Такой процесс усиливается с повышением напряжения.

При некотором значении обратного напряжения возникает пробой
р-n перехода, при котором обратный ток резко возрастает и сопротивление запирающего слоя резко уменьшается.

Различают электрический и тепловой пробой р-n перехода. Электрический пробой (участок АВС характеристики, рис. 4.1) является обратимым, при котором не происходит разрушения структуры вещества. Поэтому работа диода в режиме электрического пробоя допустима. Электрический пробой бывает двух типов: лавинный и туннельный. Лавинный пробой объясняется лавинным размножением носителей за счет ударной ионизации и за счет вырывания электронов из атомов сильным электрическим полем. Пробивное напряжение составляет десятки или сотни вольт. Туннельный пробой объясняется явлением туннельного эффекта, сущность которого заключается в том, что при сильном поле напряженностью более 10⁵ В/см, действующем в р-n переходе малой толщины, происходит эмиссия электронов из валентной зоны полупроводника с электропроводностью одного типа в зону проводимости полупроводника с электропроводностью другого типа. Пробивное напряжение обычно не превышает единиц вольт. Лавинный пробой характерен для переходов большой толщины и сравнительно малой концентрации примесей в полупроводниках, а туннельный – для тонких переходов с высокой концентрацией примесей.

Области теплового пробоя соответствует участок СD характеристики (рис. 4.1). Этот пробой необратим, т.к. он сопровождается разрушением вещества в месте р-n перехода. Это означает, что количество теплоты, выделяющейся в переходе от нагрева его обратным током, превышает количество теплоты, отводимой от него. В результате температура перехода возрастает, сопротивление его уменьшается и ток увеличивается. Наступает перегрев перехода и его тепловое разрушение.