Вольт-амперна характеристика діода

Властивостями p-n переходу визначаються всі найважливіші параметри і характеристики напівпровідникового діода. Реальна характеристика діода приведена на рис. 2.2.

Рисунок 2.2 – Вольт-амперні характеристики діода:

1 – при електричному пробої, 2 – при тепловому пробої

В області малих струмів теоретична і реальна характеристика співпадають. При великих прямих струмах та при великих зворотних напругах характеристики розходяться, що є наслідком ряду причин, неврахованих при теоретичному аналізі процесів в p-n переході. При великих прямих струмах стає значним падіння напруги на омічному розподіленому опорі бази діода і опору електродів. При цьому напруга на p-n переході буде меншою напруги, прикладеної до діода, в результаті реальна характеристика розміщується нижче теоретичної і є майже лінійною. Рівняння реальної вольт-амперної характеристики яка враховує це падіння напруги має вигляд

, (2.1)

де r – опір бази та електродів діода.

При збільшенні зворотньої напруги струм діода не залишається постійним, рівним струму екстракції I₀, а повільно збільшується. Однією з причин росту зворотнього струму діода є термічна генерація носіїв в переході. Компоненту зворотнього струму через перехід, яка залежить від кількості генерованих в переході носіїв називають термострумом.

З підвищенням зворотної напруги внаслідок розширення переходу збільшується його об’єм, тому кількість носіїв, що генеруються в переході, зростає і термострум переходу зростає. Цей ефект проявляється укремнієвих діодів, які мають малий струм екстракції I₀.

Другою причиною зростання зворотного струму діода є поверхнева провідність p-n переходу, зумовлена молекулярними та іонними плівками різного походження, що покривають зовнішню поверхню переходу. В сучасних діодах поверхня переходу обробляється і захищається від зовнішніх впливів, тому струм втечі завжди значно менший термоструму.

Порівнюючи вольт-амперні характеристики з Si та Ge діодів, слід відзначити, що кремнієві діоди мають значно меншу величину зворотного струму через більш низьку концентрацію неосновних носіїв. З цієї ж причини пряма гілка вольт-амперної характеристики у Si діодів йде значно нижче, ніж у Ge діодів (рис.2.3).

Рисунок 2.3 – Вольт-амперні характеристики Si та Ge діодів

Пробій діода

При великій зворотній напрузі струм діода починає різко зростати. Це явище називається пробоєм. Відмітимо, що пробій супроводжується виходом з ладу діода лише в тому випадку, коли виникає надмірний перегрів переходу та виникають незворотні зміни його структури. Якщо ж потужність, що виділяється на діоді, підтримується на допустимому рівні, він зберігає дієздатність. Для деяких діодів пробій є основним режимом роботи.

Розрізняють пробій електричний та тепловий. В обох випадках ріст струму пов’язаний зі збільшенням кількості носіїв заряду в переході.

При електричному пробої ріст кількості носіїв, обумовлений цим полем і ударною іонізацією атомів решітки. При тепловому пробої збільшення струму обумовлено термічною іонізацією атомів.

При електричному пробої в результаті ударної іонізації починається лавинне розмноження носіїв і кількість носіїв n₀, що залишають перехід, виявляється більшою кількості носіїв n, що поступають до переходу. Це відношення називають коефіцієнтом лавинного розмноження

.

Досліди дають наступну залежність коефіцієнта лавинного розмноження від напруги

,

де U_л – напруга лавинного пробою, яка залежить від роду матеріалу, його питомого опору ρ і типу переходу.

Для ударної іонізації необхідна величина напруженості електричного поля 80…120 кВ/см . При більш значних напруженостях електричного поля (Е = 200 кВ/см) можливий тунельний пробій, зумовлений прямим переходом електронів із валентної зони в зону провідності, який проходить без зміни енергії електрона.

При електричному пробої можуть мати місце обидва механізми: тунельний і лавинний. Вольт-амперна характеристика (ВАХ) діода при електричному пробої показана на рис. 2.2 – крива 1.

Величина напруги пробою залежить від стану зовнішньої поверхні переходу, де можуть утворюватись заряди того чи іншого знаку, які зменшують чи збільшують результуючу напруженість поля біля поверхні порівняно з її значенням в об’ємі.

В даному випадку напруга пробою на поверхні може бути в декілька разів нижче, ніж по об’єму. Це підкреслює важливість стабілізації властивостей поверхні напівпровідника, захисту його від дії навколишнього середовища.

Тепловий пробій

Він виникає внаслідок нагрівання переходу струмом, що проходить через нього, при недостатньому тепловідводі, який забезпечує стійкість теплового режиму переходу.

В режимі постійного струму потужність, що підводиться до переходу, визначається величиною зворотної напруги U_зв і величиною зворотного струму І_зв

.

Ця потужність йде на нагрівання переходу, в результаті чого температура переходу зростає. При цьому зростає концентрація носіїв в p-n структурі і обернений струм переходу, що в свою чергу, приводить до збільшення потужності, що підводиться. Збільшення потужності викликає нове підвищення температури переходу і т. ін. ВАХ при тепловому пробої має вигляд (рис. 2.2 – крива 2). Вона має спадаючий характер, оскільки внаслідок росту температури переходу концентрація носіїв в ньому різко зростає і електричний опір переходу зменшується відносно швидше, ніж зростає струм переходу.