Учет дополнительных факторов, влияющих на вольт-амперную характеристику диода

В проведенном анализе р-п-перехода, позволяющем главным образом объяснить принцип действия полупроводникового диода, не учитывались некоторые факторы, отражающиеся на его реальной вольт-амперной характеристике.

На прямую ветвь вольт-амперной характеристики диода оказывает влияние объемное сопротивление слоев р-п-структуры (особенно при больших токах), увеличивающее падение напряжения ∆U_а на диоде. В кремниевых диодах это влияние более значительно, чем в германиевых, вследствие большей величины удельного сопротивления у кремния. С учетом падения напряжения в слоях в кремниевых диодах при протекании прямого тока
∆U_а = 0,8…1,2 В, а в германиевых ∆U_а = 0,3…0,6 В.

На обратную ветвь вольт-амперной характеристики диода оказывают влияние ток утечки через поверхность р-п-перехода и генерация носителей заряда, которая является причиной возможного пробоя р-п-перехода. Оба фактора приводят к тому, что обратная ветвь вольт-амперной характеристики диода имеет вид, показанный на рисунке 2.2.

Ток утечки связан линейной зависимостью с напряжением U_b. Он создается различными загрязнениями на внешней поверхности р-п-структуры, что повышает поверхностную электрическую проводимость р-п-перехода и обратный ток через диод. Эта составляющая обратного тока обусловливает появление наклонного участка 1-2 на характеристике диода (рисунок 2.2). Влияние генерации носителей за ряда в

Рисунок 2.2 - Обратная ветвь вольт-амперной характеристики реальных диодов

р-п-переходе обычно сказывается при повышенных обратных напряжениях. Оно проявляется вначале в нарушении линейной зависимости изменения обратного тока от напряжения U_b (участок 2-3), а затем в резком возрастании обратного тока (участок 3-4), характеризующем пробой р-п-перехода.

В зависимости от причин, вызывающих появление дополнительных носителей заряда в р-п-переходе, различают электрический пробой и тепловой пробой. Электрический пробой, в свою очередь, может быть лавинным или туннельным. Рассмотрим эти виды пробоя.

Лавинный пробой обусловлен лавинным увеличением числа носителей в p-п-переходе в результате ударной ионизации атомов быстрыми носителями заряда. Он происходит следующим образом. Неосновные носители заряда, поступающие в p-n-переход при действии обратного напряжения, ускоряются полем и при движении в нем сталкиваются с атомами кристаллической решетки. При соответствующей напряженности электрического поля носители заряда приобретают энергию, достаточную для отрыва валентных электронов. При этом образуются дополнительные пары носителей заряда — электроны и дырки, которые, ускоряясь полем, при столкновении с атомами также создают дополнительные носители заряда. Описанный процесс носит лавинный характер. Лавинный пробой возникает в широких р-п-переходах, где при движении под действием электрического поля носители заряда, встречаясь с большим количеством атомов кристалла, в промежутке между столкновениями приобретают достаточную энергию для их ионизации.

В основе туннельного пробоя лежит непосредственный отрыв валентных электронов от атомов кристаллической решетки под действием сильного электрического поля. Образующиеся при этом дополнительные носители заряда (электроны и дырки) увеличивают обратный ток через р-п-переход. Туннельный пробой развивается в узких р-п-переходах, где при сравнительно небольшом обратном напряжении имеется высокая напряженность поля.

Лавинный и туннельный пробои сопровождаются появлением почти вертикального участка 3-4 на обратной ветви вольт-амперной характеристики (см. рисунок 2.2). Причина этого заключается в том, что небольшое повышение напряжения на р-п-переходе вызывает более интенсивную генерацию в нем носителей заряда при лавинном или туннельном пробое. Оба вида пробоев являются обратимыми процессами. Это означает, что они не приводят к повреждению диода и при снижении напряжения его свойства сохраняются.

Тепловой пробой возникает за счет интенсивной термогенерации носителей в р-n-переходе при недопустимом повышении температуры. Процесс развивается лавинообразно и в силу неоднородности р-п-перехода обычно носит локальный характер. Лавинообразное развитие теплового пробоя обусловливается тем, что увеличение числа носителей заряда за счет повышения температуры вызывает увеличение обратного тока и, следовательно, еще больший разогрев участка р-п-перехода. В итоге процесс приводит к расплавлению этого участка и выходу прибора из строя.

Тепловой пробой может произойти в результате перегрева отдельного участка р-п-перехода при лавинном или туннельном пробое (участок 4-5 на рисунке 2.2). Тепловой пробой здесь является следствием слишком большого повышения обратного напряжения. Велика вероятность наступления теплового пробоя при общем перегреве р-п-перехода ввиду ухудшения, например, условий теплоотвода. В этом случае он может произойти при меньшем напряжении U_b, минуя стадии лавинного или туннельного пробоев.

Возможность теплового пробоя р-п-перехода учитывается указанием в паспорте на прибор допустимого обратного напряжения U_{b доп} и температурного диапазона работы. Величина допустимого обратного напряжения устанавливается с учетом исключения возможности электрического пробоя и составляет (0,5…0,8) U_пр.