4. Основные теоретические положения

Полупроводниковым диодом называют двухэлектродный полупроводниковый прибор, содержащий один или несколько электрических переходов (p-n-переходов или переходов металл-полупроводник). Переходы металл-полупроводник называют переходами Шоттки, а полупроводниковые диоды на их основе – диодами Шоттки. Полупроводниковый диод как элемент электрической цепи является нелинейным двухполюсником.

Под вольт-амперной характеристикой (ВАХ) полупроводникового диода понимают зависимость тока через диод I от приложенного к нему напряжения U. Для вольт-амперной характеристики идеализированного p-n-перехода справедлива следующая формула (уравнение Шокли):

, (1.1)

5

где I₀ – обратный ток насыщения;

φ_T – температурный потенциал.

Температурный потенциал

φ_Т

,

где k – постоянная Больцмана;

T – температура по шкале Кельвина;

е – заряд электрона.

Температурный потенциал имеет размерность напряжения, и при комнатной температуре φ_T ≈ 26 мВ.

Уравнение Шокли получено для упрощенной модели реального p-n-перехода при следующих допущениях:

• в обеднённом слое нет генерации и рекомбинации носителей;

• вне обеднённого слоя электрическое поле отсутствует;

• уровень инжекции низкий и ряде других допущений.

График вольт-амперной характеристики, построенный согласно уравнению

Шокли, приведен на рис. 1. На характеристике принято выделять прямую ветвь, соответствующую прямому напряжению на p-n-переходе, и обратную ветвь, соответствующую обратному напряжению на p-n-переходе. Прямое напряжение считается положительным, а обратное – отрицательным. При увеличении прямого напряжения ток резко возрастает:

п ри изменении напряжения на 60 мВ ток изменяется на порядок.

При увеличении обратного напряжения обратный ток идеализированного p-n-перехода сначала быстро возрастает до значения I₀, а затем остается неизменным. При сделанных допущениях ток I₀, который называют также тепловым током, обусловлен термогенерацией неосновных носителей.

Уравнение вольт-амперной характеристики можно разрешить относительно напряжения:

. (1.2)

Продифференцировав это соотношение, найдем дифференциальное сопротивление p-n-перехода

6

. (1.3)

При прямом смещении дифференциальное сопротивление r_{диф. пр} уменьшается с ростом тока I. При температуре Т = 300 К и прямом токе I = 1 мА получаем r_{диф. пр} = 26 Ом, т. е. при прямом смещении дифференциальное сопротивление p-n-перехода малó.

При обратном напряжении дифференциальное сопротивление перехода r _{диф. обр} резко увеличивается и при I→−I₀, r _{диф. обр} → .

При выводе аналитического выражения для вольт-амперной характеристики идеализированного p-n-перехода объемное сопротивление базы r_б полагалось равным нулю. В реальных p-n-переходах необходимо учитывать сопротивление базы r_б, с учетом которого прямое напряжение на реальном p-n-переходе будет больше напряжения на идеализированном p-n-переходе на величину падения напряжения на объемном сопротивлении базы r_б. При больших токах из-за сопротивления r_б вольт-амперная характеристика p-n-перехода

становится почти линейной (рис. 2).

U_ПР

Рис. 2. Влияние сопротивления базы

При высоком уровне инжекции в реальных p-n-переходах наблюдается эффект модуляции сопротивления базы, который заключается в уменьшении сопротивления базы из-за увеличения концентрации неосновных носителей в базе. С учетом эффекта модуляции сопротивления базы r_б вольт-амперная характеристика p-n-перехода будет проходить левее характеристики, соответствующей r_б = const (рис. 2).

С увеличением температуры падение напряжения на p-n-переходе, включенном в прямом направлении, уменьшается. Вольт-амперные характеристики, снятые при различных температурах, проходят практически параллельно друг другу (рис. 3). Температурный коэффициент напряжения (ТКН) прямосмещённого p-n-перехода

7

. (1.4)

Р ассмотрим обратную ветвь вольт-амперной характеристики реального p-n-перехода. Обратный ток в реальных p-n-переходах имеет три составляющие:

• тепловой ток I₀;

• ток термогенерации;

• ток утечки.

Тепловой ток I₀ обусловлен термогенерацией пар носителей в нейтральных p- и n-областях, прилегающих к обедненному слою. Эта составляющая обратного тока сильно зависит от температуры и практически не зависит от приложенного напряжения.

Ток термогенерации обусловлен генерацией пар носителей под воздействием тепловой энергии непосредственно в самом обедненном слое.

Ток утечки обусловлен проводящими пленками и каналами, которые могут

образовываться между p- и n-областями на поверхности кристалла.