3.1.Особенности и свойства полупроводниковых диодов, вольтамперная характеристика диода

Диоды могут изготавливаться из различных полупроводниковых материалов - Ge, Si, GaAs и выполнять различные функции – выпрямления, детектирования, умножения частоты и т.д.

Наиболее часто для изготовления полупроводниковых диодов используются Ge и Si. Диоды Шоттки выполняются в основном на основе кремния. В настоящее время для получения высокоскоростных приборов используется арсенид галлия. Прямые ветви ВАХ таких диодов, с p-n переходами одинаковой площади имеют разный вид (рис.2.5), в частности при фиксированном прямом токе падение напряжения на них будет различным. Наименьшее оно - у германиевого диода, а наибольшее – у арсенид-галлиевого. Основная причина этого – различие в ширине запрещённых зон (Ge – 0,6 эВ, Si – 1,11 эВ, GaAs – 1,43 эВ). В связи с этим будут отличаться и величины потенциальных барьеров у переходов из таких полупроводников (наименьшим он будет у германиевого диода). Для того чтобы диод открыть требуется приложить прямое напряжение сравнимое по величине с контактной разностью потенциалов. По этой причине диод Шоттки занимает промежуточное положение между германиевым и кремниевым.

Рис. 2.5. Вольтамперные характеристики

полупроводниковых диодов из разных материалов.

С ростом температуры прямая ветвь ВАХ p-n перехода и полупроводникового диода смещается влево (рис. 2.6). Это объясняется ростом интенсивности процессов термогенерации и, соответственно, уменьшением сопротивления полупроводниковых слоёв. Если задаться некоторым значением прямого тока , то с ростом температуры прямое напряжение на диоде будет падать. Скорость его изменения зависит от материала и составляет 1÷2 мв/^о .

Рис.2.6. Изменение прямой ветви вольтамперной

характеристики диода при изменении температуры.

Как уже отмечалось, открытый диод представляет собой некоторое сопротивление, величину которого можно определить экспериментально из соотношения или

.

В первом случае сопротивление называют статическим, а во втором – динамическим или дифференциальным прямым сопротивлением.

Обратный ток идеализированного p-n перехода остаётся практически равным току насыщения вплоть до напряжения пробоя. У диодов обратный ток может в тысячи раз превышать , причем он увеличивается с ростом запирающего напряжения (рис. 2.7). Дело в том, что обратный ток диода состоит из трёх компонент – тока насыщения, тока термогенерации и тока утечки . Ток насыщения представляет собой ток неосновных носителей обратно смещённого p-n перехода. Ток термогенерации связан с образованием электронно-дырочных пар в области p-n перехода под действием температуры. Так как с ростом обратного напряжения увеличиваются размеры области обеднённой носителями (объём p-n перехода), то при той же температуре будет генерироваться больше носителей и этим объясняется возрастание тока термогенерации с повышением обратного напряжения. В реальных диодах в связи с загрязнением поверхности полупроводника возникает ток утечки, который также растет (по закону Ома) при увеличении обратного напряжения. Механизмы пробоя полупроводникового диода такие же, как для p-n перехода.

Рис.2.7. Изменение обратной ветви вольтамперной

характеристики диода при изменении температуры.

С ростом температуры интенсивность процессов генерации носителей возрастает, что приводит к увеличению обратного тока. Для кремниевых диодов I_обр удваивается при увеличении температуры на , а у германиевых он увеличивается вдвое с ростом температуры примерно на .

Если сравнить обратные ветви ВАХ диодов из разных материалов, то при одинаковых напряжениях минимальными обратными токами будут обладать кремниевые и арсенид-галлиевые диоды (напряжение пробоя достигает у них тысяч вольт). Гораздо большие обратные токи будут у германиевых диодов и диодов Шоттки, причем у последних напряжение пробоя не превышает десятков вольт, а у германиевых – сотен вольт.