Вольт-амперная характеристика

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) – это зависимость тока, проте-

кающего через электронный прибор, от приложенного напряжения. Вольт-

амперной характеристикой называют также и график этой зависимости.

Приборы, принцип действия которых подчиняется закону Ома, а ВАХ

имеет вид прямой линии, проходящей через начало координат, называют ли-

нейными. Приборы, для которых ВАХ не является прямой линией, проходя-

щей через начало координат, называются нелинейными. Диод представляет

собой пассивный нелинейный электронный прибор.

Вольт-амперная характеристика диода описывается выражением

I = I₀[exp( Uд^/ϕт) – 1],

(1)

где I₀ – тепловой ток (обратный ток, образованный за счет неосновных но-

сителей); Uд – напряжение на p-n-переходе; ϕт – тепловой потенциал, рав-

ный контактной разности потенциалов на границе p-n-перехода при отсут-

ствии внешнего напряжения (при T = 300 K, ϕт = 0,025 В).

По мере возрастания положительного напряжения на p-n-переходе пря-

мой ток резко возрастает по экспоненте. При отрицательных значениях на-

пряжения менее 0,1 В в выражении (1) пренебрегают единицей, и обратный

ток диода определяется значением теплового тока и на несколько порядков

меньше прямого тока. В этом проявляются вентильные свойства диода, ко-

торые выражены тем сильнее, чем меньше обратный ток при заданном об-

ратном напряжении и чем меньше прямое напряжение при заданном прямом

токе. Поэтому ВАХ имеет вид, приведенный на рисунке 3.

Рассмотренная характеристика являет-

ся теоретической ВАХ диода. Она не учи-

тывает рекомбинационно-генерационные

процессы, происходящие в объеме и на

поверхности p-n-перехода, считая его бес-

конечно тонким и длинным. ВАХ реаль-

ного диода имеет вид, приведенный на

рисунке 3 (сплошная линия).

Характеристика для прямого тока

вначале имеет значительную нели-

нейность, так как при увеличении

напряжения сопротивление запираю-

щего слоя уменьшается, поэтому кри-

вая идет вверх со все большей кру-

тизной. Но при некотором значении

напряжения запирающий слой прак-

тически исчезает и остается только

сопротивление n- и p-областей, кото-

рое приближенно можно считать по-

стоянным, поэтому далее характери-

стика становится почти линейной.

Небольшая нелинейность здесь объ-

ясняется тем, что при увеличении

Рисунок 3 – Теоретическая

и реальная ВАХ диода

тока n- и p-области нагреваются и от этого 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. Сле-

довательно, полный ток резко увеличивается. Однако при дальнейшем по-

вышении обратного напряжения ток растет незначительно. Рост тока проис-

ходит вследствие нагрева перехода за счет утечки по поверхности, а также

за счет лавинного размножения носителей заряда, то есть увеличения числа

носителей заряда в результате ударной ионизации.

При некотором значении обратного напряжения возникает пробой p-n-

перехода, при котором обратный ток резко возрастает и сопротивление за-

пирающего слоя резко уменьшается. Следует различать электрический и

тепловой пробой. Электрический пробой (участок абв) является обратимым,

то есть при этом пробое в переходе не происходит разрушение структуры

полупроводника. При электрическом пробое обратный ток увеличивается

при практически неизменном обратном напряжении и при уменьшении на-

пряжения работоспособность диода восстанавливается. При тепловом про-

бое рост обратного тока сопровождается уменьшением напряжения.

Имеется два вида электрического пробоя: лавинный и туннельный.

Лавинный пробой объясняется лавинным размножением носителей

за счет ударной ионизации и за счет вырывания электронов из атомов

сильным электрическим полем. Этот вид пробоя характерен для p-n-

перехода большой толщины. Пробивное напряжение составляет десят-

ки или сотни вольт.

Туннельный пробой объясняется явлением туннельного эффекта, кото-

рый состоит в том, что в p-n-переходе малой толщины при больших значе-

ниях напряженности электрического поля некоторые электроны проникают

через переход без изменения своей энергии. Напряжение, соответствующее

этому виду пробоя, обычно не превышает единиц вольт.

В режиме электрического пробоя работают специальные диоды – стаби-

литроны; для прочих видов диодов режим пробоя является аварийным. Если

при пробое ток в цепи не ограничить, диод выходит из строя. В таких при-

борах при увеличении (по модулю) обратного напряжения практически сра-

зу начинается тепловой пробой.

Области теплового пробоя соответствует участок вг. Тепловой пробой

необратим, так как он сопровождается разрушением структуры вещества в

месте p-n-перехода. Причиной теплового пробоя является нарушение устой-

чивости теплового режима p-n-перехода. Это означает, что количество теп-

лоты, выделяющееся в переходе от нагрева его обратным током, превышает

количество теплоты, отводимое от перехода. В результате температура пере-

хода возрастает, сопротивление его уменьшается и ток увеличивается, что

приводит к перегреву перехода и его тепловому разрушению.

На электропроводность полупро-

водников значительное влияние ока-

зывает температура. При повышении

температуры усиливается генерация

пар носителей заряда, то есть увели-

чивается концентрация носителей и

проводимость растет, поэтому свой-

ства полупроводниковых диодов

сильно зависят от температуры. Это

показывают ВАХ, измеренные при

различных температурах (рисунок 4).

Прямой ток при нагреве диода растет

не так быстро, как обратный. Это

объясняется тем, что прямой ток воз-

никает за счет примесной проводи-

мости, а концентрация примесей не

зависит от температуры.