Исследование вольтамперных характеристик выпрямительных диодов, диодов шоттки, светодиодов и стабилитронов (стр. 2 )

Присоединив к нейтральным областям полупроводников n- и p-типа электроды, как показано на рис. 1, а, получим полупроводниковый диод на основе электронно-дырочного перехода.

На рис. 3 изображены энергетические диаграммы полупроводников n- и p-типа до и после их соединения. До соединения положение уровней Ферми в каждом из полупроводников различно: в электронном полупроводнике ближе к дну зоны проводимости EC, в дырочном – к потолку валентной зоны EV (рис. 3, а). После соединения положение уровня Ферми становится одинаковым в любой части структуры (рис. 3, б). Это достигается за счет искривления энергетических уровней в области p-n-перехода под действием электрического поля. На энергетической диаграмме p-n-перехода (рис. 3, б) хорошо виден потенциальный барьер, ограничивающий диффузию электронов в p‑область. Аналогичный барьер ограничивает диффузию дырок в n-область, но его особенность в том, что он выглядит на диаграмме перевернутым. Высота этих барьеров равна произведению элементарного заряда e на контактную разность потенциалов jK.

а б

Рис. 3. Энергетическая диаграмма для полупроводников n- и p-типа

при отсутствии (а) и при наличии (б) контакта между ними

1.2 ВАХ полупроводникового диода

Проанализируем теперь случай, когда к диоду приложена разность потенциалов. Пусть потенциал p-области выше потенциала n-области. В таком случае в рассматриваемой p-n-структуре (диоде) возникает внешнее электрическое поле Eвнеш, которое противоположно направлено внутреннему полю p‑n‑перехода E0 (индексом "0" будем обозначать ту напряженность электрического поля, которая имеет место при нулевом напряжении на диоде). Это означает, что результирующая напряженность электрического поля в p-n-переходе станет меньше, и диффузионные потоки электронов и дырок будет превышать встречные дрейфовые потоки (рис. 4, а). В этом случае говорят, что электроны из n-области инжектируются (т. е. вводятся) в p-область, а дырки инжектируются из p‑области в n-область.

Рис. 4. Изменение соотношения между диффузионными и дрейфовыми

составляющими потоков электронов и дырок при прямом (а) и обратном (б) напряжениях на p-n-структуре (диоде)

Напряжение, поданное на диод так, что потенциал p-области выше потенциала n-области, называется прямым напряжением, а ток, текущий при этом через диод, называют прямым током. Как следует из теории p‑n‑перехода, прямой ток через него резко (экспоненциально) возрастает с увеличением прямого напряжения.

Если поменять полярность приложенного к диоду напряжения (в этом случае его принято называть обратным напряжением), то напряженность электрического поля p-n-перехода возрастет, т. к. в этом случае внутреннее и внешнее электрические поля сонаправлены. Это означает, что потенциальный барьер для движения электронов из n‑области в p-область и дырок из p-области в n-область станет выше и их диффузионный поток уменьшится (рис. 4, б). Вместе с тем, барьер будет отсутствовать для неосновных носителей заряда – свободных электронов, которые имеются в p-области, и для свободных дырок в n-области. Возросшее в результате подачи на диод обратного напряжения электрическое поле p-n-перехода будет втягивать в него неосновные носители заряда, что обусловит протекание через диод обратного тока. Но поскольку концентрация неосновных носителей заряда относительно мала, обратный ток, текущий через диод, будет на несколько порядков меньше прямого тока.

На рис. 5 представлена ВАХ полупроводникового диода. Из-за малости величины обратного тока, по сравнению с прямым, его трудно показать на графике, если использовать один масштаб по оси токов. Поэтому для повышения наглядности ВАХ диода представляют двумя ее ветвями – прямой (в первой четверти) и обратной (в третьей четверти), которые строят при разных масштабах по оси токов. Важно отметить, что из-за разного масштаба для прямого и обратного токов ВАХ диода выглядит с изломом в начале координат. На самом деле никакого излома нет – вся ВАХ диода представляет собой гладкую кривую, уравнение которой приближенно можно записать в виде:

, (1)

где I0(Upn) – функция, описывающая зависимость обратного тока диода от приложенного к p-n-переходу напряжения Upn при Upn << –ajT (в случае идеального диода, т. е. диода с тонким p-n-переходом, I0 не зависит от Upn и поэтому называется током насыщения диода IS  (рис. 5, штриховая линия при обратных напряжениях)); – коэффициент неидеальности диода, который может изменяться в интервале от 1 (в случае идеального диода) до 2 (в случае диода с широким p-n-переходом, когда в нем следует учитывать генерацию и рекомбинацию носителей заряда); – тепловой потенциал (при комнатной температуре (T = 300 К) = 26 мВ); k – постоянная Больцмана; e – элементарный заряд.

Рис. 5. Вольтамперные характеристики идеального (штриховые линии)

и реального (сплошные линии) диодов (масштабы для прямого и обратного

тока различны; штрих-пунктирная линия представляет собой экстраполяцию

линейного участка прямой ветви до оси напряжений)

При снятии ВАХ диода напряжение на нем (U), измеряемое вольтметром, вообще говоря, не равно напряжению на самом p-n-переходе Upn, которое присутствует в формуле (1). Действительно, напряжение U, приложенное к диоду, складывается из падений напряжения на всех его частях – на n-области, самом p-n-переходе и p-области: .

Как правило, одна из областей p-n-структуры (диода) легирована примесными атомами сильнее, чем другая. Слаболегированную область называют базой диода. Поскольку основных носителей заряда в ней меньше, чем в сильнолегированной области, ее сопротивление выше. Поэтому под суммой сопротивлений можно понимать сопротивление базы диода RБ. Таким образом, напряжение на самом p-n-переходе Upn можно представить как разность U – IRБ, а уравнение ВАХ реального диода записать в виде:

, (2)

где U и I – напряжение на диоде и ток через диод, которые могут быть измерены с помощью вольтметра и амперметра соответственно.

1.3 Анализ ВАХ диода

Выполняя лабораторную работу по изучению ВАХ полупроводникового диода, важно не только ее измерить и представить в графическом виде, но и уметь определить из измеренных данных некоторые параметры изучаемого диода, а именно – сопротивление базы диода RБ, контактную разность потенциалов , коэффициент неидеальности , ток насыщения IS.

Используя допущение, что функция I0(U) » IS = const, выразим из уравнения (2) напряжение на диоде через ток в виде:

(3)

и проанализируем полученное выражение. Как уже отмечалось выше, напряжение на диоде U складывается из падения напряжения на самом p-n-переходе Upn (согласно (3) его можно записать в виде ) и на базе диода UБ = IRБ, что собственно и демонстрирует выражение (3). Заметим, что напряжение на p-n-переходе Upn растет с увеличением тока через диод логарифмически, в то время как напряжение на базе диода – линейно. Как известно из математики, логарифмическая зависимость при стремлении аргумента к бесконечности растет медленнее, чем линейная зависимость. Это означает, что с ростом прямого тока доля первого слагаемого в сумме (3) уменьшается, и ВАХ диода при относительно больших прямых токах становится линейной, а не экспоненциальной (рис. 5). Из (3) следует, что наклон этого линейного участка ВАХ диода будет определяться сопротивлением базы диода RБ. Определив наклон линейного участка прямой ветви измеренной ВАХ диода и взяв его обратную величину, находим сопротивление базы RБ изучаемого диода.

Если продлить линейный участок прямой ветви ВАХ диода до пересечения с осью напряжений (рис. 5, штрих-пунктирная линия), то мы получим так называемое напряжение отсечки диода Uотс, которое совпадает с контактной разностью потенциалов jK.