Реальная вольт-амперная характеристика диода

Реальная вольтамперная характеристика p-n перехода отличается от теоретической характеристики. Это связано с тем, что в его теоретической вольтамперной характеристике не учитывается сопротивление p- и n-областей полупроводника, утечки тока по поверхности полупроводника, генерация электронов и "дырок" непосредственно в запирающем слое p-n перехода. Кроме того, при достаточно больших значениях обратного напряжения, происходит пробой p-n перехода.

Для того чтобы снять прямую ветвь вольтамперной характеристики p-n перехода, используются схемы, подобные принципиальной схеме эксперимента, приведенной на рисунке 1.

Схема для снятия прямой ветви реальной ВАХ диода

Рисунок 1. Схема эксперимента для снятия прямой ветви вольтамперной характеристики полупроводникового диода

Здесь для измерения тока диода используется миллиамперметр mA, а напряжение на диоде измеряется вольтметром V. При измерении точек обратной ветви ВАХ — схема, приведенная на рисунке 2.

Схема для снятия обратной ветви реальной ВАХ диода

Рисунок 2. Схема эксперимента для снятия обратной ветви вольтамперной характеристики полупроводникового диода

Обратные токи полупроводникового диода обычно очень малы, поэтому измерения обратной ветви его вольтамперной характеристики ведутся микроамперметром. Для устранения влияния внутреннего сопротивления вольтметра на точность измерений его ставят до микроамперметра. Вольтамперная характеристика, снятая таким образом, и совмещённая с теоретической, на одном графике приведена на рисунке 3.

Реальная вольт-амперная характеристика диода

Рисунок 3. Реальная вольтамперная характеристика p-n перехода

На прямой ветви вольтамперной характеристики p-n перехода видно, что при больших токах происходит отклонение от экспоненциальной зависимости. Характеристика постепенно стремится к линейной. Это происходит из-за влияния объемного сопротивления n и p-областей полупроводника. В результате на ВАХ возникает возникает перелом, который характеризуется напряжением U_к. Его обычно называют падением напряжения на p-n переходе. Однако всегда следут учитывать, что реальное падение напряжения зависит от величины протекающей через электронный прибор тока.

Обратите внимание, что туннельный пробой возникает при меньших напряжениях по сравнению с лавинным пробоем. Туннельный пробой происходит обычно при напряжениях меньше 6 В. Его возникновение становится возможным при достаточно большом уровне легирования n и p-областей p-n перехода. Лавинный пробой p-n перехода начинается при напряжениях, превышающих 6 В. Он происходит при малых концентациях легирующих добавок в полупроводниковом диоде.

На графике прямой ветви реальной вольтамперной характеристики видно, что сопротивление открытого диода больше сопротивления, определяемого по теоретической кривой. Как уже упоминалось выше, это связано с влиянием объёмного сопротивления n- и p-областей полупроводника. Так как ток протекает последовательно по этим областям и p-n переходу, то на эквивалентной схеме сопротивления соединены последовательно, как это показано на рисунке 4.

Рисунок 4. Эквивалентная схема полупроводникового диода

Так как сопротивления p- и n-областей полупроводника линейны, то их можно объединить в одно сопротивление r₁. Теоретическая вольт-амперная характеристика p-n перехода определяется уравнением Эберса-Молла:

, (1)

Это фактически экспонента, поэтому в прямом направлении, при увеличении напряжения, сопротивление p-n перехода очень быстро принимает нулевое значение. В результате сопротивление реального диода при достаточно больших напряжениях (больше напряжения U_к) будет определяться омическим сопротивлением r₁. В области малых напряжений сопротивление p-n перехода больше r₁, поэтому сопротивление диода будет совпадать с сопротивлением r_пер. В результате прямую ветвь вольтамперной характеристики диода часто аппроксимируют квадратичной зависимостью при малых уровнях сигнала или линейной зависимостью при больших уровнях сигнала.

При обратном включении диода вид его вольтамперной характеристики отличается от теоретической характеристики из-за двух причин. Это генерация носителей зарядов в p-n переходе и его электрический пробой.

Количество носителей заряда, генерируемых в электронно-дырочном переходе, пропорционально объему запирающего слоя. Он, в свою очередь, зависит от ширины p-n перехода, но так как она пропорциональна , то ток генерации свободных зарядов I_ген будет расти при увеличении обратного напряжения. Поэтому при увеличении обратного напряжения на вольтамперной характеристике реального диода наблюдается небольшой рост обратного тока. Кроме того, обратный ток диода увеличивается из-за тока утечки по поверхности кристалла.

При достижении достаточно большого обратного напряжения происходит резкое возрастание обратного тока из-за пробоя p-n перехода. Пробой перехода бывает трёх видов: туннельный, лавинный и тепловой. Туннельный и лавинный пробой не разрушают p-n переход. Эти виды пробоя связаны с увеличением напряженности электрического поля в переходе, поэтому они называются электрическим пробоем. Тепловой пробой возникает из-за перегрева электронно-дырочного перехода. В результате теплового пробоя p-n переход разрушается, и диод выходит из строя. Тем не менее, его можно избежать, ограничив ток через диод внешним сопротивлением.

Туннельный пробой обусловлен прямым переходом электронов из валентной зоны полупроводника одного типа в зону проводимости другого, что становится возможным, если напряженность электрического поля в кремниевом p-n переходе достигает значения 4·10⁵ В/см. В кристалле германия туннельный пробой возникает при меньших значениях напряжённости поля — 2·10⁵ В/см. Такая большая напряженность электрического поля возникает при высокой концентрации примесей в p- и n-областях полупроводникового кристалла, когда толщина p-n перехода становится очень маленькой. Под действием сильного электрического поля валентные электроны вырываются из связей. При этом образуются парные заряды электрон-дырка, увеличивающие обратный ток через переход.

Энергетические зоны полупроводника в районе p-n перехода при туннельном пробое показаны на рисунке 5. На этом же рисунке показано образование пар электрон-дырка.

Рисунок 5. Энергетические зоны полупроводника в районе p-n перехода при туннельном пробое

Лавинный пробой возникает в широких p-n переходах, образованных полупроводниками с небольшой концентрацией примесей. Он возникает тогда, когда длина свободного пробега электрона в полупроводнике значительно меньше толщины p-n перехода. Если за время свободного пробега электроны приобретают кинетическую энергию, достаточную для ионизации атомов в p-n переходе, то происходит лавинное размножение носителей заряда.

Этот процесс показан на рисунке 6. Так как при ионизации одновременно образуется пара электрон-дырка, то в нижней части этого рисунка показано возникновение в переходе "дырок".

Лавинное размножение носителей заряда в районе p-n перехода при лавинном пробое

Рисунок 6. Лавинное размножение носителей заряда при лавинном пробое

Образовавшиеся в результате ударной ионизации свободные носители заряда приводят к резкому возрастанию обратного тока электронно-дырочного перехода. Увеличение тока при лавинном процессе описывается коэффициентом лавинного умножения М:

формула коэффициента лавинного умножения

, (2)

где U_ПРОБ — напряжение начала пробоя; 
    m —    зависит от материала полупроводника.

Тепловой пробой вызывается значительным ростом количества носителей зарядов в p-n переходе из-за нарушения теплового режима. Подводимая к p-n переходу мощность Р_подв = I_обрU_обр расходуется на его нагрев.

Выделяющаяся в запирающем слое теплота отводится преимущественно за счет теплопроводности. Отводимая от p-n перехода мощность Р_отв пропорциональна разности температур перехода T_пер и окружающей среды Т_окр:

, (3)

где R_т — тепловое сопротивление, °К/Вт, определяющее перепад температур, необходимый для отвода 1 Вт мощности от p-n перехода в окружающую среду.

При плохих условиях отвода теплоты от перехода происходит его разогрев до температуры, при которой возникает тепловая ионизация атомов. Образующиеся при этом носители заряда увеличивают обратный ток, что приводит к дальнейшему разогреву перехода. В результате такого нарастающего процесса p-n переход перегревается и возникает тепловой пробой, разрушающий структуру кристалла.

Выводы:

Прямая ветвь реальной вольтамперной характеристики диода в начале описывается экспоненциальной функцией, а затем полностью определяется омическим сопротивлением полупроводника.
Обратный ток реальной вольтамперной характеристики растет из за генерации носителей в запирающем слое p-n перехода.
При определённом обратном напряжении происходит пробой p-n перехода.

Дата последнего обновления файла 07.08.2021

Вместе со статьей "Реальная вольтамперная характеристика p-n перехода" читают: