7.9. Вольт-амперная характеристика идеального р - n перехода

Вольт-амперной характеристикой р-n перехода называют зависимость тока, протекающего через р-n переход, от величины и полярности приложенного к нему внешнего напряжения.

Можно показать , что для идеализированного р-n перехода теоретическая вольт-амперная характеристика описывается следующим выражением

I_p-n = (7.15)

где I_s = I_пров - ток насыщения, т.е. ток неосновных носителей через р-n переход при обратном включении;

U - приложенное к переходу внешнее напряжение, которое подставляется в формулу со знаком плюс при прямом включении и со знаком минус – при обратном.

При комнатной температуре

, следовательно .

Из этого выражения следует, что при подаче прямого напряжения экспотенциальный член резко возрастает и единицей в скобах можно пренебречь, поэтому

,

т.е прямой ток через р-n переход резко возрастает по экспоненциальному закону и становится в 1000…10000 раз больше тока насыщения.

При небольших обратных напряжениях порядка 0,1 … 0,2 В экспотенциальный член е^-40U становится числом, близким к нулю, тогда I _р-n = I_обр = - I_s.

На рис. 7.9приведена вольт-амперная характеристика идеализированного р-n перехода, построенная в соответствии с выражением (7.15). ход этой характеристики подтверждает одностороннюю проводимость р-n перехода, что позволяет использовать его для выпрямления переменного тока, т.е. в качестве диода.

Рис. 7.9

7.10 Отличие вольт-амперной характеристики р-n перехода от теоретической

При выводе уравнения (2.8) не учитывались сопротивления р и n областей, поверхностные токи утечки, а также явление пробоя при определённых обратных напряжениях. Поэтому экспериментальная (реальная) характеристика р-n перехода отличается от теоретической (рис. 2.12).

Рис. 7.10

На рис.7.10 реальная характеристика р-n перехода показана пунктирной линией, а теоретическая – сплошной.

На участке ОА, при небольших прямых напряжениях, когда U_пр < U_ко, теоретическая и реальная характеристики практически совпадают. Незначительные снижения реальной характеристики на этом участке объясняется влиянием распределённых (объёмных) сопротивлений р и n областей r₁ = r _Э+r_Б r_Б, на которых падает часть напряжения внешнего источника, поэтому напряжение на р-n переходе будет несколько меньше напряжения источника U_пр т.е.

U_п-р = U_пр - I_прr_Б.

На участке АВ при U_пр U_ко потенциальный барьер в переходе оказывается скомпенсированным и не оказывает влияния на прохождение тока. Поэтому с увеличением U_пр прямой ток возрастает линейно , подчиняясь закону Ома ,т.к. ограничивается только величиной распределённого сопротивления области базы r_Б.

.

При некотором значении U_пр прямой ток I_пр достигает такой величины, при которой возникает тепловой пробой, приводящий к резкому увеличению прямого тока (участок ВС).

При обратном включении р-n перехода, на участке ОД обратный ток I_обр, почти линейно возрастает с увеличением обратного напряжения, что объясняется, главным образом, увеличением тока утеки по загрязненной поверхности р-n перехода. При достаточно большом обратном напряжении U_обр= U_проб (точка Д), наступает электрический пробой р-n перехода, приводящий к резкому увеличению обратного тока (участок ДЕ). В точке Е электрический пробой переходит в тепловой (участок ЕF)

Таким образом, зависимость тока через p-n-переход от приложенного напряжения U (вольтамперная характеристика) обладает резко выраженной нелинейностью. При изменении знака напряжения ток через p-n-переход может меняться в 10⁵-10⁶ раз. Благодаря этому p-n-переход является вентильным устройством, пригодным для выпрямления переменных токов .

Характер вольт-амперной характеристики — кривизна восходящей ветви, напряжение отсечки, абсолютные значения токов, коэффициент выпрямления (отношение прямого и обратного токов при напряжении 1 В), и другие параметры определяются видом полупроводника, концентрацией и типом распределения примесей вблизи n-p-перехода.

Изменение напряжения, приложенного к p-n-переходу, приводит к расширению или уменьшению области пространственного заряда. Объемные заряды представляют собой неподвижные и связанные с кристаллической решеткой ионы доноров и акцепторов, поэтому увеличение объемного заряда может быть обусловлено только расширением его области и, следовательно, уменьшением емкости p-n-перехода. При прямом смещении к емкости слоя объемного заряда, которая называется также зарядной или барьерной екостью, добавляется диффузионная емкость, обусловленная тем, что увеличение напряжения на p-n- переход приводит к увеличению концентрации неосновных носителей, то есть к изменению заряда. Зависимость емкости от приложенного напряжения позволяет использовать p-n-переход как электрический конденсатор переменной емкости — варикап.

Зависимость сопротивления p-n-перехода от величины и знака приложенного напряжения позволяет использовать его в качестве регулируемого сопротивления — варистора.