Главная | Обратная связь

Вольтамперная характеристика (ВАХ) диода и ее отличия от ВАХ p-n-перехода

Физические основы работы p-n-перехода.

При образовании кристалла энергетические уровни ато­мов расщепляются, что приводит к образованию зон, со­стоящих из близко расположенных друг к другу энергети­ческих уровней.

На энергетической диаграмме чистого по­лупроводника (рис. 1.1, а) показаны В — валентная зона, все уровни которой при температуре абсолютного нуля за­полнены электронами, С — зона свободных электронов (зона проводимости), на уровни которой могут переходить электроны при возбуждении атомов, и З — запрещенная зона, энергетические уровни в которой отсутствуют. Нали­чие запрещенной зоны означает, что для перехода в зону проводимости электрону необходимо сообщить энергию, большую, чем ∆W.

У металлов запрещенная зона отсутствует и валентная зона непосредственно соприкасается с зоной проводимости. Поэтому в металлах число свободных электронов велико, что и обеспечивает их высокую электро- и теплопровод­ность. Ширина запрещенной зоны ∆W у наиболее распространенных полупроводников — германия (Ge) и кремния (Si) —составляет соответственно 0,72 и 1,12 эВ. Эти по­лупроводники принадлежат к IV группе элементов табли­цы Менделеева и имеют по четыре валентных электрона.

Из-за относительно узкой запрещенной зоны у Ge и Si уже при температуре, близкой к комнатной (Тж300 К), некоторые электроны получают энергию, достаточную, что­бы преодолеть запрещенную зону и перейти в зону прово­димости. При уходе электрона в валентной зоне остается незаполненный энергетический уровень — дырка. В крис­таллической решетке при этом происходит разрыв одной из валентных связей в кристалле полупроводника и появ­ление свободного электрона, который может свободно пе­ремещаться по кристаллу, и дырки — узла решетки, ли­шенного одного из электронов связи.

Процесс образования в чистом полупроводнике пары электрон в зоне проводимости — дырка в валентной зоне получил название генерации собственных носителей заря­дов.

Одновременно с процессом генерации носителей заря­дов протекает процесс их рекомбинации — встречи элек­тронов с дырками, сопровождающийся возвратом электро­на из зоны проводимости в валентную зону и исчезновени­ем свободных зарядов.

Вольтамперная характеристика (ВАХ) диода и ее отличия от ВАХ p-n-перехода

Зависимость тока от приложенного напряжения I=f(U) называют вольт-амперной характеристикой (ВАХ).

Прямая ветвь ВАХ соответствует прямому смещению p-n перехода. Прямой ток при увеличении напряжения быстро возрастает. Этот ток обусловлен движением через пониженный потенциальный барьер основных носителей заряда. Однако попав в противоположную область эти носители становятся не основными. Такой процесс введения из противоположных областей не основных носителей при понижении высоты потенциального барьера называют инжекцией.

Обратная ветвь ВАХ соответствует обратному смещению p-n перехода. Диффузионный ток при росте (по модулю обратного напряжения) экспоненциально убывает и при напряжении в десятые доли вольт практически равен нулю.
Из рассмотренного следует важное свойство p-n перехода, которое используется при построении электронных приборов свойство односторонней проводимости.

Различают два вида пробоя: электрический (обратимый) и тепловой (не обратимый).

^ Электрический пробой (сплошная линия) может возникать в следствие туннельного эффекта (туннельный пробой), внутренней электростатической эмиссии (зенеровский пробой) или под действием ударной ионизации атомов полупроводника (лавинный пробой).

Важно отметить, что электрический пробой не приводит к разрушению структуры кристалла. Им можно управлять, регулируя в больших приделах обратный ток путем изменения приложенного напряжения (используется в стабилитронах).

^ Тепловой пробой (пунктирная линия) возникает в следствие нарушения баланса между выделяемой в p-n переходе энергией и тепловой энергией, рассеиваемой в окружающее пространство. Тепловой пробой приводит к разрушению p-n перехода.

Основная задача обычного выпрямительного диода – проводить электрический ток в одном направлении, и не пропускать его в обратном. Следовательно, идеальный диод должен быть очень хорошим проводником с нулевым сопротивлением при прямом подключении напряжения (плюс - к аноду, минус - к катоду), и абсолютным изолятором с бесконечным сопротивлением при обратном.

При прямом включении напряжение на диоде должно достигнуть определенного порогового значения - V_ϒ. Это напряжение, при котором PN-переход в полупроводнике открывается достаточно, чтобы диод начал хорошо проводить ток. До того как напряжение между анодом и катодом достигнет этого значения, диод является очень плохим проводником. V_ϒ у кремниевых приборов примерно 0.7V, у германиевых – около 0.3V.