3.4.1.1 Вольт-амперные характеристики выпрямительных диодов

Вольт-амперные характеристики выпрямительных диодов аналогичны реальной характеристике р-n перехода. Объясним вначале физический ход, например, вольт-амперной характеристики кремниевого диода, показанной на рис. 3.5 сплошной линией. При напряжении внешнего источника, равном нулю U=0, р-n переход находится в равновесном состоянии, т.е. в термодинамическом равновесии и через него протекают равные и противоположно направленные токи I_диф и I_пров, поэтому I_р-n = I_диф - I_пров=0.

Рис. 3.5

При подаче прямого внешнего напряжения возникает электрическое поле источника, направленное навстречу диффузионному полю, при этом потенциальный барьер понижается, ширина и сопротивление р-n перехода уменьшается, однако при U_пр < U_ко потенциальный барьер ещё не скомпенсирован, поэтому препятствует (оказывает сопротивление) роста току, в результате прямой ток растет сравнительно медленно, по экспотенциальному закону (участок ОА).

При U_пр > U_ко потенциальный барьер оказывается скомпенсированным, т.е. сопротивление р-n перехода становится равным нулю, поэтому при дальнейшем увеличении прямого напряжения прямой ток возрастает линейно, подчиняясь закону Ома и ограничиваясь только величиной распределенного сопротивления области r_Б, т.е.

,

(участок АВ характеристики).

При некотором значении U_пр (точка В) прямой ток достигает такой величины, при корой наступает тепловой пробой р-n перехода (участок ВС).

При подаче обратного напряжения возникает поле источника, направленное согласно с диффузионным полем, поэтому потенциальный барьер повышается, ширина и сопротивление р-n перехода увеличивается, поэтому через р-n переход протекает очень небольшой обратный ток, увеличивающийся по мере увеличения обратного напряжения, главным образом за счет тока утечки по загрязнённой поверхности р-n перехода (участок ОД).

При достаточно высоком U_обр (точка Д) наступает электрический пробой, который может перерасти в тепловой.

Ход характеристики германиевого диода объясняется аналогично, она показана на рис. 3.5. пунктиром и имеет следующие отличия от вольт-амперной характеристики кремниевого-диода:

меньшее прямое падение напряжения при равных прямых токах (примерно в 1.5…2 раза);

большой обратный ток;

меньшую величину обратного напряжения пробоя.

Все перечисленные отличия являются следствием меньшей ширины запрещенной зоны W германия (0,72 эВ), по сравнению с кремнием (1.12 эВ), а следовательно, и меньшей величиной прямого и обратного сопротивлений.

3.4.1.2 Влияние температуры и проникающей радиации на характеристики и параметры диодов

На характеристики и параметры полупроводниковых диодов сильное влияние оказывает температура окружающей среды. С увеличением температуры интенсивнее становится процесс терморегуляции пар носителей (увеличивается собственная проводимость полупроводника), что приводит к увеличению очень незначительно, т.к. определяется в основном примесной проводимостью, поэтому прямая ветвь, вольт-амперной характеристики диода незначительно смещается влево (или вверх) и становится более крутой. На рис. 3.6 для сравнения показаны характеристики германиевого (рис 3.6а) и кремниевого (рис 3.6б) диодов, имеющих одинаковую конструкцию.

Рис. 3.6

В инженерной практике для приблизительной оценки считают, что с увеличением температуры обратный ток германиевых диодов возрастает в два раза, а кремниевых - в два с половиной раза с увеличением температуры на каждые 10 ⁰ С. Поэтому обратная ветвь вольт-амперных характеристик, особенно германиевых диодов, у которых большой начальный ток резко смещается вниз.

Напряжение обратного пробоя у германиевых диодов с повышением температуры окружающей среды уменьшается. Это объясняется тем, что пробой у них, как правило, бывает тепловым (потому что велик обратный ток, разогревающий р-n переход). Поэтому с повышением температуры уменьшается величина мощности, отдаваемая р-n переходом в пространство, температура перехода повышается, в результате уменьшается напряжение теплового пробоя ( Р_макс = I_обрU_обр).

Напряжение же пробоя кремниевых диодов с повышением температуры увеличивается, поскольку главную роль у них играет не тепловой, а лавинный пробой. Так как с повышением температуры уменьшается длина свободного пробега носителей заряда (свободному пробегу носителей препятствует хаотическое движение), то для возникновения лавинного пробоя необходимо увеличить напряжение поля, а следовательно, и обратное напряжение для того, чтобы электрон на меньшем пути приобрёл энергию, достаточную для ионизации.

Увеличение прямого и обратного токов с увеличением температуры приводит к увеличению крутизны вольт-амперной характеристики диода и уменьшению его дифференциального сопротивления.

На характеристики и параметры полупроводниковых диодов существенное влияние оказывает также проникающая радиация.

Изменение свойств полупроводниковых диодов при радиоактивном облучении носят временный и постоянный характер. Временные изменения обусловлены ионизацией атомов, а постоянные (остаточные) – превращениями и перемещениями атомов в элементах конструкции приборов. В результате изменяется величина, а иногда и тип проводимости, увеличиваются прямые и особенно обратные токи р-n перехода.

Устойчивые остаточные изменения в полупроводниковых диодах возникают при действии нейтральных потоков порядка 10¹¹…10¹³ нейтрон/см², при потоках 10¹³…10¹⁵ нейтрон/см², происходит полная потеря работоспособности диодов.

Воздействие - излучения вызывает, главным образом, временные изменения свойств диодов. При этом в момент действия потоков - излучения с уровнем порядка 10⁶…10⁸ р/с происходит резкое уменьшение обратных сопротивлений р-n переходов и они теряют свои выпрямительные свойства.

Восстановление выпрямительных свойств р-n переходов происходит в течении 50…300 мс после прекращения действия - лучей в зависимости от интенсивности радиации и типа прибора.