3. Вольтамперная характеристика реального p-n перехода

3.1. Прямая ветвь вах реального p-n перехода

Под прямой ветвью ВАХ реального p-n перехода понимается зависимость прямого тока перехода от величины прямого напряжения: Iпр=f(Uпр), которая описывается выражением

и должна быть экспоненциальной, как показано на рис.16 (кривая 1), прямая ветвь ВАХ реального p-n перехода изображена кривой 2.

На прямую ветвь ВАХ реального p-n перехода оказывают влияние: материал полупроводника, используемый для изготовления p-n перехода; сопротивление базы p-n перехода; температура окружающей среды.

Характеристика близка к экспоненциальной только в начале зависимости - участок ОА ВАХ, а далее рост тока при увеличении прямого напряжения замедляется и характеристика становится более пологой - участок АВ ВАХ. Этот участок характеристики называют омическим, поскольку здесь оказывает влияние объемное сопротивление базы r_Б p-n перехода. Ток, протекая через r_Б , создает падение напряжения:

,

с учетом которого уравнение ВАХ принимает вид

.

1 – идеальный p-n переход;

2 – реальный p-n переход

Рис.16

Объемное сопротивление базы находится по формуле ,

где _Б - удельное электрическое сопротивление полупроводника области базы; W_Б - ширина базы; S - площадь сечения базы.

Влияние объемного сопротивления базы на прямую ветвь ВАХ реального p-n перехода проявляется в виде смещения прямой ветви в сторону больших значений прямых напряжений. Поэтому, чем больше r_Б, тем положе идет прямая ветвь ВАХ реального p-n перехода, как и отмечено на рис.16. Как правило, p-n переходы с большими значениями r_Б выполняются для повышения высоковольтности, то есть для увеличения допустимого рабочего обратного напряжения на p-n переходе.

Даже при одинаковых условиях ( одинаковая концентрация примесей; постоянная температура окружающей среды ) ВАХ p-n переходов, выполненных из разных полупроводниковых материалов, различны. Главная причина этого отличия - различное значение ширины запрещенной зоны полупроводниковых материалов. Чтобы появился прямой ток, необходимо уменьшить величину потенциального барьера. Для этого на p-n переход нужно подать прямое напряжение, близкое к значению контактной разности потенциалов. В p-n переходе на основе германия _к=0,30,4 В, в p-n переходе на основе кремния _к=0,60,8 В, а в p-n переходе на основе арсенида галлия _к=1,01,2 В, поэтому прямая ветвь ВАХ кремниевого p-n перехода относительно германиевого смещается вправо на (0,30,5) В, а в p-n переходе на основе арсенида галлия это смещение ВАХ происходит еще больше, что и отражено на рис.17.

Сдвиг вправо прямых ветвей ВАХ кремниевых и арсенидо-галлиевых p-n переходов объясняется еще тем, что

I_оSi<<I_оGe, I_оGaAs<<I_оSi,

а Uпр _Si>Uпр _Ge и Uпр _GaAs>Uпр _Si.

Р ис.17

С увеличением температуры окружающей среды растет прямой ток p-n перехода. Выражение для прямого тока можно записать в виде

.

Отсюда следует, что при увеличении температуры показатель степени экспоненты уменьшается, но ток I_о растет быстрее, как отмечалось, он удваивается при увеличении температуры на каждые 10С, и, используя выражение для I_о, можно записать выражение для прямого тока в виде

.

Влияние температуры на прямую ветвь ВАХ реального p-n перехода представлено на рис.18.

Для оценки влияния температуры вводится

т емпературный коэффициент напряжения прямой ветви, под которым понимается величина, показывающая, на сколько изменится прямое напряжение для получения одной и той же величины прямого тока при изменении температуры на 1 градус.

Т КНпр=Uпр/T при Iпр=const .

1 - Т₁=+20С;

2 – Т₂=+50С

Рис.18

По ВАХ, приведенным на рис. 18, температурный коэффициент напряжения прямой ветви определяется формулой

ТКНпр=(Uпр₂-Uпр₁)/(T₂-T₁) при Iпр=Iпр₁ .

Обычно ТКНпр  - (13) мВ/ С.

Как видно, значение ТКН меньше нуля. Физическое объяснение этого факта сводится к следующему. При увеличении температуры уменьшается контактная разность потенциалов (а значит, и потенциальный барьер), энергия основных носителей заряда возрастает, следовательно, возрастает количество основных носителей, энергия которых больше потенциального барьера, соответственно растет диффузионная составляющая тока и прямой ток увеличивается (рис.18 при фиксированном значении Uпр= Uпр₂).