ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Для любого электрического прибора важна зависимость между током через прибор и приложенным напряжением. Зная эту зависимость, можно определить ток при заданном напряжении или, наоборот, напряжение, соответствующее заданному току.

Если сопротивление прибора по­стоянно, не зависит от тока или напря­жения, то связь между током и напряжением выражается законом Ома:

(3.1)

 

Ток прямо пропорционален напряжению. Коэффициентом пропорциональ­ности является проводимость G = 1/R.

График зависимости между током и напряжением называется вольт-амперной характеристикой данного прибора или просто характеристикой. Для прибора, подчиняющегося закону Ома, характеристикой является прямая линия, проходящая через начало координат (рис. 3.1).

Чем больше сопротивление R, тем меньше проводимость G и тем меньше ток при данном напряжении. Поэтому для больших сопротивлений характеристика идет более полого. Сопротивление R связано с углом наклона а характеристики зависимостью

 

где к — коэффициент пропорциональности, учитывающий единицы величин, входящих в формулу, и масштаб, в котором значения величин отложены на осях.

Иначе можно написать:

(3.3)

где к' = 1/к.

Заметим, что нельзя писать R = ctg a или G = tg а, так как R и G — физические величины, имеющие определенную размерность и единицы для количественной оценки, a tg а и ctg а — тригонометрические функции, выражаемые только числом. Кроме того, в за­висимости от масштаба на осях угол а при данном R может быть различным.

Приборы, принцип действия которых подчиняется¹ закону Ома, а вольт-амперная характеристика имеет вид прямой линии, проходящей через начало координат, называются линейными.

Существуют также приборы, у которых сопротивление не постоянно, а за­висит от напряжения или тока. Для таких приборов связь между током и напряжением выражается не законом Ома, а более сложным образом и вольт-амперная характеристика, не является прямой линией, проходящей через начало координат. Эти приборы называются нелинейными.

Электронно-дырочный переход, по существу, представляет собой полупроводниковый диод. Нелинейные свойства диода видны при рассмотрении его вольт-амперной характеристики. Пример такой характеристики для диода небольшой мощности дан на рис. 3.2. Она показывает, что прямой ток в десятки миллиампер получается при прямом напряжении в десятые доли вольта. Поэтому прямое сопротивление бывает обычно не выше нескольких десятков ом. Для более мощных диодов прямой ток составляет сотни миллиампер и больше при том же малом напряжении, a R_np соответственно снижается до единиц и долей ома.

Характеристику для обратного тока, малого по сравнению с прямым током, обычно показывают в другом масштабе, что и сделано на рис. 3.2. Обратный ток при обратном напряжении до сотен вольт у диодов небольшой мощности составляет единицы или десятки микроампер. Это соответствует сопротивлению несколько сотен килоом и больше. Так как u_обр» u_пр, то эти напряжения также отложены в разных масштабах. Вследствие различия в масштабах получился излом кривой в начале координат. При неизменном масштабе характеристика была бы плавной кривой, без излома.

Характеристика для прямого тока вначале имеет значительную, нелинейность, так как при увеличении u_пр сопротивление запирающего слоя уменьшается. Поэтому кривая идет со все большей крутизной. Но при напряжении в десятые доли вольта запирающий слой практически исчезает и остается только сопротивление п- и р-областей, которое приближенно можно считать постоянным. Поэтому далее характеристика становится почти линейной. Небольшая нелинейность здесь объясняется тем, что при увеличении тока п- и р-области нагреваются и от этого их сопротив­ление уменьшается.

Обратный ток при увеличении обратного напряжения сначала быстро возрастает. Это вызвано тем, что уже при небольшом обратном напряжении за счет повышения потенциального барьера в переходе резко снижается диффузионный ток, который направлен навстречу току проводимости. Следовательно, полный ток резко увеличивается. Однако при дальнейшем повышении обратного напряжения ток растет не­значительно. Рост тока происходит вследствие нагрева перехода за счет утечки по поверхности, а также за счет лавинного размножения носителей за­ряда, т. е. увеличения числа носителей заряда в результате ударной ионизации. Явление ударной ионизации состоит в том, что при более высоком обратном напряжении электроны приобретают большую скорость и, ударяя в атомы кристаллической решетки, выбивают из них новые электроны, которые, в свою очередь, разгоняются нолем и также выбивают из атомов электроны. Такой процесс усиливается с повышением напряжения.

При некотором значении обратного напряжения возникает пробой п-р перехода, при котором обратный ток резко возрастает и сопротивление запирающе­го слоя резко уменьшается. Следует различать электрический и тепловой пробой п — р-перехода. Электрический пробой, области которого соответствует на рис. 3.2 участок АБВ характеристики, является обратимым, т. е. при этом пробое в переходе не происходит необратимых изменений (разрушения структуры вещества). Поэтому работа диода в режиме электрического пробоя допустима. Специальные диоды для стабилизации напряжения — полупроводниковые стабилитроны — работают на участке БВ характеристики. Могут существовать два вида электрического пробоя, которые нередко сопутствуют друг другу: лавинный и туннельный.

Лавинный пробой объясняется лавинным размножением носителей за счет ударной ионизации и за счет вырывания электронов из атомов сильным электрическим полем. Этот пробой характерен для п — р-переходов большой толщины, получающихся при сравнительно малой концентрации примесей в полупроводниках. Пробивное напряжение для лавинного пробоя составляет десятки или сотни вольт.

Туннельный пробой объясняется явлением туннельного эффекта. Сущность последнего состоит в том, что при поле напряженностью более 10⁵ В/см, действующем в п — р-переходе малой толщины, некоторые электроны прони­кают через переход без изменения своей энергии. Тонкие переходы, в которых возможен туннельный эффект, получаются при высокой концентрации примесей. Напряжение, соответствующее туннельному пробою, обычно не превышает единиц вольт.

Области теплового пробоя соответствует на рис. 3.2 участок ВГ. Тепловой пробой необратим, так как он сопровождается разрушением структуры вещества в месте п — р-перехода. Причиной теплового пробоя является нарушение устойчивости теплового режима и —р-перехода. Это означает, что количество теплоты, выделяющейся в перехо­де от нагрева его обратным током, превышает количество теплоты, отводимой от перехода. В результате температура перехода возрастает, сопротивление его уменьшается и ток увеличивается, что приводит к перегреву перехода и его тепловому разрушению.