3. Полупроводниковые диоды

3.1. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода

Электронно-дырочный переход по существу представляет собой полупровод­никовый диод. Нелинейные свойства диода видны при рассмотрении его вольт-амперной характеристики. Пример такой характеристики для диода небольшой мощности дан на рис. 3.1. Она показывает, что прямой ток в десятки мил­лиампер получается при прямом напряжении в десятые доли вольта. Поэтому прямое сопротивление бывает обычно не выше нескольких десятков ом.

Рис. 3.1. Вольт-амперная характеристика полупроводнико­вого диода

Уравнение вольт-амперной характеристики полупроводникового диода имеет вид:

. (3.1)

Характеристику для обратного тока, малого по сравнению с прямым током, обычно показывают в другом масштабе, что и сделано на рис. 3.1. Обратный ток при обратном напряжении до сотен вольт у диодов небольшой мощности составляет единицы или десятки микроампер. Это соответствует сопротивлению несколько сотен килоом и больше. Так как U_обр»U_пр, то эти напряжения также отложены в разных масштабах. Вследствие различия в масштабах получился излом кривой в начале координат.

3.2. Емкости полупроводникового диода

Запирающий слой имеет высокое сопротивление и играет роль диэлектрика, а по обе его стороны расположены два разноименных объемных заряда + Q_обр и - Q_обр, созданные ионизированными атомами донорной и акцепторной примеси. Поэтому р-п-переход обладает емкостью, подобной емкости конден­сатора с двумя обкладками. Эту емкость называют барьерной емкостью. При посто­янном напряжении она определяется отношением:

C_б = Q_обр/U_обр , (3.2)

а при переменном напряжении:

C_б = ∆Q_обр/∆U_обр = , (3.3)

где C_бо – равновесное значение барьерной емкости и 0.3<n≤0.5.

Барьерная емкость, как и емкость обычных конденсаторов, возрастает при увеличении площади р-n-перехода и диэлектрической проницаемости полупроводника и уменьшении толщины запирающего слоя. Несмот­ря на то что у диодов небольшой мощности площадь перехода мала, емкость С_б получается весьма заметной за счет малой толщины запирающего слоя и сравнительно большой относительной диэлектрической проницаемости (например, у кремния ε= 12). В зависимости от площади перехода С_б может быть от единиц до сотен пикофарад. Если обратное напряжение возрастает, то толщина запирающего слоя увеличи­вается и емкость С_б уменьшается. Характер зависимости С₆ =f(U_обр) показывает график на рис. 3.2.

.

Рис. 3.2. Зависимость барьерной емкости от обратного напряжении

Барьерная емкость вредно влияет на выпрямление переменного тока, так как шунтирует диод и через нее на более высоких частотах проходит пе­ременный ток.

При прямом напряжении диод кроме барьерной емкости обладает так называемой диффузионной емкостью С_диф, которая также нелинейна и возрастает при увеличении U_пр. Диффузионная емкость характеризует накопление подвижных носителей заряда в p- и n-областях при прямом напряжении на переходе. Она практически существует только при прямом напряжении, когда носители заряда в большом количестве диффундируют (инжектируют) через пониженный потенциальный барьер и, не успев рекомбинировать, накапливаются в p- и n-областях. Каждому значению прямого напряжения соответствуют определенные значения двух равных разноименных зарядов + Q_диф и –Q_диф, накопленных в р-n-областях за счет диффузии носителей через переход. Емкость C_диф при постоян­ном напряжении представляет собой отношение заряда к разности потенциалов:

C_диф = Q_диф/U_пр , (3.4)

при переменном напряжении:

C_диф=∆ Q_диф /∆U_пр = , (3.5)

где τ – время пролета неосновных носителей заряда через базу.

Диффузионная емкость значительно больше барьерной, но использовать ее не удается, так как она зашунтирована малым прямым сопротивлением самого диода.