Основные теоретические положения. Полупроводниковым диодом называют двухэлектродный полупроводниковый прибор, содержащий один или несколько электрических переходов (p-n-переходов или

Полупроводниковым диодом называют двухэлектродный полупроводниковый прибор, содержащий один или несколько электрических переходов
(p - n -переходов или переходов металл-полупроводник). Переходы металл-полупроводник называют переходами Шоттки, а полупроводниковые диоды на их основе – диодами Шоттки. Полупроводниковый диод как элемент электрической цепи является нелинейным двухполюсником.

Под вольт-амперной характеристикой (ВАХ) полупроводникового диода понимают зависимость тока через диод I от приложенного к нему напряжения U. Для вольт-амперной характеристики идеализированного p - n -перехода справедлива следующая формула (уравнение Шокли):

, (1.1)

где I ₀ – обратный ток насыщения;

φ _T – температурный потенциал.

Температурный потенциал

где k – постоянная Больцмана;

T – температура по шкале Кельвина;

е – заряд электрона.

Температурный потенциал имеет размерность напряжения,
и при комнатной температуре φ _T ≈ 26 мВ.

Уравнение Шокли получено для упрощенной модели реального p - n -перехода при следующих допущениях:

· в обеднённом слое нет генерации и рекомбинации носителей;

· вне обеднённого слоя электрическое поле отсутствует;

· уровень инжекции низкий и ряде других допущений.

График вольт-амперной характеристики, построенный согласно уравнению

Шокли, приведен на рис. 1. На характеристике принято выделять прямуюветвь, соответствующую прямому напряжению на p - n -переходе, и обратнуюветвь, соответствующую обратному напряжению на p - n -переходе. Прямое напряжение считается положительным, а обратное – отрицательным. При увеличении прямого напряжения ток резко возрастает:

при изменении напряжения на 60 мВ ток изменяется на порядок.

При увеличении обратного напряжения обратный ток идеализированного
p - n -перехода сначала быстро возрастает до значения I ₀, а затем остается неизменным. При сделанных допущениях ток I ₀, который называют также тепловым током, обусловлен
термогенерацией неосновных носителей.

Уравнение вольт-амперной характеристики можно разрешить относительно напряжения:

. (1.2)

Продифференцировав это соотношение, найдем дифференциальное сопротивление p - n -перехода

. (1.3)

При прямом смещении дифференциальное сопротивление r _{диф. пр} уменьшается с ростом тока I. При температуре Т = 300 К и прямом токе I = 1 мА получаем r _{диф. пр} = 26 Ом, т. е. при прямом смещении дифференциальное сопротивление
p - n -перехода малó.

При обратном напряжении дифференциальное сопротивление перехода
r _{диф. обр} резко увеличивается и при I→ − I ₀, r _{диф. обр} → ¥.

При выводе аналитического выражения для вольт-амперной характеристики идеализированного p - n -перехода объемное сопротивление базы r _б полагалось равным нулю. В реальных p - n -переходах необходимо учитывать сопротивление базы r _б, с учетом которого прямое напряжение на реальном
p - n -переходе будет больше напряжения на идеализированном p - n -переходе на величину падения напряжения на объемном сопротивлении базы r _б. При больших токах из-за сопротивления r _б вольт-амперная характеристика p - n -перехода

становится почти линейной (рис. 2).

При высоком уровне инжекции в реальных p - n -переходах наблюдается эффект модуляции сопротивления базы, который заключается в уменьшении сопротивления базы из-за увеличения концентрации неосновных носителей в базе. С учетом эффекта модуляции сопротивления базы r _б вольт-амперная характеристика p - n -перехода будет проходить левее характеристики, соответствующей
r _б = const (рис. 2).

С увеличением температуры падение напряжения на p - n -переходе, включенном в прямом направлении, уменьшается. Вольт-амперные характеристики, снятые при различных температурах, проходят практически параллельно друг другу (рис. 3). Температурный коэффициент напряжения (ТКН) прямосмещённого
p - n -перехода

. (1.4)

Рассмотрим обратную ветвь вольт-амперной характеристики реального
p - n -перехода. Обратный ток в реальных p - n -переходах имеет три составляющие:

· тепловой ток I ₀;

· ток термогенерации;

· ток утечки.

Тепловой ток I ₀ обусловлен термогенерацией пар носителей в нейтральных p - и n -областях, прилегающих к обедненному слою. Эта составляющая обратного тока сильно зависит от температуры и практически не зависит от приложенного напряжения.

Ток термогенерации обусловлен генерацией пар носителей под воздействием тепловой энергии непосредственно в самом обедненном слое.

Ток утечки обусловлен проводящими пленками и каналами, которые могут

образовываться между p - и n -областями на поверхности кристалла.