2.7. 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 [2], что для идеализированного р-n перехода теоретическая вольт-амперная характеристика описывается следующим выражением

I_p-n = (2.8)

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. 2.11приведена вольт-амперная характеристика идеализированного р-n перехода, построенная в соответствии с выражением (2.8). ход этой характеристики подтверждает одностороннюю проводимость р-n перехода, что позволяет использовать его для выпрямления переменного тока, т.е. в качестве диода.

Рис. 2.11

2.8 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. 2.12

На рис.2.12 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)