Статические характеристики диодов

Рис.5.Полупроводниковый диод

Статической характеристикой диода является его вольтамперная характеристика (ВАХ).

Рис.6. Схема снятия ВАХ диода.

Рис.7. ВАХ диода.

 

На рис.6 представлена схема для снятия вольтамперной характеристики диода. Регулируемым источником напряжения изменяем напряжение на диоде и для каждого фиксированного значения измеряем ток, проходящий через диод. В результате эксперимента получаем таблицу измерении, на основе которой строим график ВАХ. Показанная схема позволяет снять ВАХ при прямом смещении p-n перехода, для снятия обратной ветви ВАХ нужно изменить включение диода на обратное. Вид ВАХ диода показан на рис.7.

ВАХ диода представляет нелинейную зависимость тока от напряжения. При прямом смещении p-n перехода наблюдается при малых значениях напряжения (обычно 0,2 - 0,5В) малый рост тока через диод. При дальнейшем росте напряжения на диоде ток через диод резко возрастает. Для большинства кремниевых диодов можно считать, что при напряжении на диоде 0,6 - 0,8В ток возрастает неограниченно. Т.е. напряжение изменяется незначительно, а величина тока определяется внешней цепью.

При обратном смещении p-n перехода (при обратном включении диода) напряжение изменяется в широких пределах, но величина тока остаётся очень малой и равной тепловому току Io.

Аналитическим выражением ВАХ диода является уравнение

. (1)

В этом выражении приняты обозначения: — ток и напряжение на диоде, — тепловой ток, — температурный потенциал, , здесь: q — элементарный заряд, k — постоянная Больцмана, T — абсолютная температура. Полезно запомнить, что при комнатной температуре T=300K температурный потенциал , или 25 мВ.

В связи с большой крутизной прямой ветви удобнее задавать в качестве аргумента ток, а напряжение считать его функцией. Преобразуя формулу, получаем . Большое значение при анализе полупроводниковых схем имеют тепловые свойства p-n перехода. Одним из тепловых свойств является температурная чувствительность напряжения на p-n переходе, которая определяется производной напряжения от температуры , и примерно равна -2 мВ/ºС. Другой важной характеристикой является температура нагрева полупроводника. При прохождении по p-n переходу тока величиной I и напряжении на нём U выделяется электрическая мощность P=I*U в виде тепла, что приводит к нагреву кристалла. Если учитывать перенос тепла только в виде теплопередачи, то температура перехода может быть определена из уравнения

,

где — температура перехода, — температура окружающей среды, — тепловое сопротивление , — мощность, выделяемая в переходе.

В качестве важных характеристик диодов используют характеристические сопротивления, их выделяют два. Дифференциальное сопротивление характеризует скорость изменения напряжения при изменении тока на единицу. Графический способ определения диф. сопротивления показан на рис.4. В любой точке ВАХ проводится касательная (точка А) и к ней достраивается прямоугольный треугольник линиями параллельными осям координат. Образованные таким образом катеты являются приращениями соответственно тока и напряжения. Зная их значения легко получить величину дифференциального сопротивления.

Вторым характеристическим сопротивлением является — сопротивление постоянному току, определяемому для каждой точки на ВАХ отношение координат этой точки. Например, для точки А (рис.4) . Сопротивление постоянному току показывает, как ведёт себя диод по отношению к внешней цепи, т.е. можно считать, если ток протекающий через диод фиксирован, то напряжение на нём будет определяться как на резисторе данной величины.

Рис.8. Обратная ветвь ВАХ выпрямительного диода.

Выражение (1), являющееся аналитической моделью p-n перехода, упрощенно и не отображает всех особенностей реального перехода. Поэтому данная модель является идеальной. Прямая ветвь ВАХ идеального диода имеет некоторые отличия от реальной ВАХ, но более существенные отличия наблюдаются на обратной ветви. В идеальном случае обратное напряжение на диоде может быть увеличено практически не ограниченно и величина обратного тока будет неизменной и равной тепловому току. Однако у реального диода при достижении определённой величины обратного напряжения наблюдается пробой p-n перехода. Пробой проявляется в том, что при малом увеличении напряжения ток возрастает очень сильно.

Различают три вида пробоя: тепловой пробой, туннельный (зенеровский) пробой и лавинный пробой. Второй и третий пробои связаны с увеличением напряжённости электрического поля, а первый — с увеличением рассеиваемой мощности и соответственно температуры.

Тепловой пробой. Увеличение обратного напряжения даже при малой величине обратного тока приводит к увеличению рассеиваемой мощности и соответственно к повышению температуры перехода. Повышается подвижность носителей, т.е. увеличивается ток, — увеличивается мощность и температура. Описанный процесс происходит лавинообразно при достижении определённой величины обратного напряжения. Далее процесс приводит к уменьшению напряжения на переходе, но более резкому возрастанию обратного тока. На ВАХ появляется участок с отрицательным сопротивлением.

Дальнейшее увеличение обратного тока приводит к такому выделению тепла, что переход сплавляется и диод выходит из строя. Напряжение, при котором наступает тепловой пробой — Uпр называют пробивным напряжением. Это напряжение определяет одну из основных эксплуатационных характеристик — максимальное обратное допустимое напряжение.

Для эксплуатации важно понять, что тепловой пробой — не восстановимый и прибор после теплового пробоя не работоспособен и должен быть заменен. При замене нужно использовать диод с пробивным напряжением не меньшим, чем у заменяемого.

Туннельный пробой. Другой разновидностью пробоя является туннельный, основанный на явлении “просачивания “ носителей заряда через потенциальный барьер.

Рис.9. ВАХ туннельного пробоя.

При больших напряженностях электрического поля не менее В/см проявляется эффект туннельного просачивания носителей и появляется значительный по величине обратный ток. Возрастание тока сопровождается незначительным увеличением напряжения на обратносмещённом p-n переходе. Дифференциальное сопротивление в области туннельного пробоя имеет малые значения.

Напряжение пробоя с достаточной точностью определяются эмпирическими зависимостями:

для германия ;

для кремния ,

где — удельные сопротивления соответствующих слоёв [Ом*см].

Рис. 10. Схема замещения p-n перехода

Явление туннельного пробоя открыл немецкий учёный Zener, поэтому часто напряжение туннельного пробоя обозначают Uz.

Лавинный пробой. Ещё один механизм пробоя заключается в лавинном “размножении” носителей заряда в сильном электрическом поле. Этот процесс похож на ударную ионизацию газа. Электрон, ускоренный полем на длине свободного пробега, получает энергию достаточную для того, чтобы разорвать одну из валентных связей атома полупроводника, расположенного в области перехода. В результате рождается новая пара носителей электрон - дырка, и процесс повторяется под действием этих носителей. Под воздействием достаточно большой напряжённости поля процесс приобретает лавинный характер. При этом ток в цепи будет ограничиваться только внешним сопротивлением, а напряжение на переходе будет изменяться незначительно. По виду ВАХ лавинного пробоя похожа на ВАХ туннельного пробоя, но напряжение пробоя больше (рис.9).

Ещё одним отличием реальной ВАХ обратной ветви является то, что величина обратного тока не остаётся постоянной при изменении напряжения на переходе. Реально обратный ток увеличивается при возрастании напряжения на переходе, и это объясняется тем, что имеются пути утечки обратного тока.

С учётом изложенного можно построить схему замещения p-n перехода при обратном смещении и наличии либо туннельного, либо лавинного пробоя. Тепловой ток моделируется источником тока -- Io.

Зависимость обратного тока от напряжения моделируется сопротивлением утечки — Rут, напряжение пробоя — Uпр, а зависимость напряжения стабилизации от тока — динамическим сопротивлением — r. Эта простейшая схема замещения позволяет получить аналитическую модель p-n перехода работающего при обратном смещении .

Данное уравнение устанавливает связь между переменными и параметрами перехода и является одной из простейших моделей. При построении схемы замещения и модели применено большое количество допущений и упрощений. Например, не учтены динамические параметры перехода, и при внешнем напряжении равном нулю по внешней цепи будет протекать ток от источника напряжения, моделирующего напряжение пробоя — Uпр. В данном случае такая упрощённая модель приведена только как пример построения аналитической модели.

Лекция 3