Для любого электрического прибора важна зависимость между током через прибор и приложенным напряжением. Зная эту зависимость можно определить ток при заданном напряжении или наоборот.
Если сопротивление прибора постоянно, не зависит от тока или напряжения, то связь между током и напряжением выражена законом Ома:
Ток прямо пропорционален напряжению. Коэффициентом пропорциональности является проводимость G = 1/R.
График зависимости между током и напряжением называется вольт-амперной характеристикой данного прибора. Для прибора подчиняющегося закону Ома, характеристикой является прямая линия, проходящая через начало координат.
Чем больше R, тем меньше проводимость G и тем меньше ток при данном напряжении. Сопротивление R связано с углом наклона α характеристики зависимостью:
где k — коэффициент пропорциональности, учитывающий единицы величин, входящих в формулу, и масштаб, в котором значение величин отложены на осях.
У приборов, принцип действий которых не подчиняется закону Ома, сопротивление которых не постоянно и зависит от напряжения или тока, вольт-амперная характеристика не прямолинейна, такие приборы называют нелинейными.
Электронно-дырочный переход по существу представляет собой полупроводниковый диод. Нелинейные свойства диода видны при рассмотрении его вольт-амперной характеристики.
Пример такой характеристики показан на рисунке.
При рассмотрении вольт-амперной характеристики видно, что ток в десятки мА получается при прямом напряжении в десятые доли вольта. Поэтому сопротивление как правило не выше нескольких десятков Ом. Для большинства более мощных диодов прямой ток составляет сотни мА и больше при малом напряжении, а Rпр соответственно снижается до единиц и долей Ома.
Характеристику для обратного тока, малого по сравнению с прямым током, обычно показывают в другом масштабе, как показано на рисунке.
Обратный ток при обратном напряжении до сотен вольт у диодов небольшой мощности составляет единицы или десятки мкА. Это соответствует сопротивлению нескольких сотен кОм и более. Так как Uобр>>Uпр, то эти напряжения так же отложены в разных масштабах. Вследствие различия в масштабах получился кривой излом в начале координат. При неизменном масштабе характеристика была бы плавно кривой, без излома.
Характеристика для прямого тока вначале имеет значительную нелинейность, так как при увеличении Uпр сопротивление запирающего слоя уменьшается. Поэтому кривая идет со все большей крутизной. Но при напряжении в десятые доли вольта запирающий слой практически исчезает и остается только сопротивление n- и p- областей, которое приближенно можно считать постоянным. Поэтому дальше характеристика практически прямолинейна. Небольшая нелинейность здесь объясняется тем, что при увеличении тока n- и p- области нагреваются и от этого их сопротивление уменьшается.
Обратный ток при увеличении обратного напряжения сначала быстро возрастает. Это вызвано тем, что уже при небольшом обратном напряжении за счет повышения потенциального барьера в переходе резко снижается диффузионный ток, который направлен навстречу току проводимости. Следовательно полный ток iобр=iдр-iдиф резко увеличивается. Однако при дальнейшем повышении обратного напряжения ток растет незначительно. Тост тока происходит вследствие нагрева перехода, за счет утечки по поверхности, а так же за счет лавинного размножения носителей заряда, то есть увеличения числа носителей заряда в результате ударной ионизации. Явление ударной ионизации состоит в том, что при более высоком обратном напряжении электроны приобретают большую скорость и, ударяя в атомы кристаллической решетки, выбивают из атомов электроны. Такой процесс усиливается с повышением напряжения.
При некотором значении обратного напряжения возникает пробой n-p перехода, при котором обратный ток резко возрастает и сопротивление запирающего слоя резко уменьшается. Следует различать электрический и тепловой пробой n-p перехода. Электрический пробой области которого соответствует участок АБВ характеристики является обратимым, то есть не происходит необратимых изменений. Специальные диоды для стабилизации напряжения — полупроводниковые стабилитроны — работают на участке БВ характеристики. Так же могут существовать два вида электрического пробоя: лавинный и туннельный.
Лавинный пробой объясняется лавинным размножением носителей за счет ударной ионизации и за счет вырывания электронов из атомов сильным электрическим полем. Этот пробой характерен для n-p переходов большой толщины, получаемый при сравнительно малой концентрации примесей в полупроводниках. Пробивное напряжение для лавинного пробоя составляет десятки или сотни вольт.
Туннельный пробой объясняется явлением туннельного эффекта. Дело в том, что при поле напряженностью более 10000 В/см, действующем в n-p переходе малой толщины, некоторые электроны проникают через переход без изменения своей энергии. Тонкие переходы, в в которых возможен туннельный эффект, получаются при высокой концентрации примесей. Напряжение соответствующее туннельному пробою обычно не превышает единиц вольт.
Область теплового пробоя показана на участке ВГ. Тепловой пробой необратим, так как он разрушает структуру n-p перехода — количество теплоты выделяемое переходом от нагрева его обратным током превышает кол-во теплоты отводимой от перехода. В следствии чего температура возрастает, сопротивление перехода уменьшается и ток увеличивается, что приводит к перегреву перехода и его тепловому разрушению
Источник — Жеребцов И.П. Основы электроники (1993)
Загрузка...