Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода представлена на рис. 76. С увеличением напряжения в направлении проводимости диода (так называемое прямое напряжение) прямой ток через прибор резко увеличивается. При противоположной полярности приложенного напряжения (так называемое обратное напряжение) возникает ток насыщения I0 — обратный ток через n—р-переход, практически не зависящий от величины обратного напряжения.
 |
Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода аналитически выражается следующей формулой:
где I — ток, протекающий через диод; q — заряд электрона; k — постоянная Больцмана; I0 — ток насыщения (обратный ток); T — абсолютная температура. Рис. 76. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода. |
(88)При комнатной температуре q/kT примерно равно 40 1/в, и формула (88) примет вид
I = I0(e40U-1). (89)
Из формулы (89) следует, что при положительном (прямом) напряжении, приложенном к n—р-переходу, начиная с напряжения порядка 0,04—0,05 в, экспоненциальный член еои много больше единицы, и ток через n — р-переход с увеличением напряжения резко возрастет.
Наоборот, при отрицательных (обратных) напряжениях, экспоненциальный член е-40U=1/e40U будет много меньше единицы, им можно пренебречь и считать, что ток, проходящий через полупроводниковый диод, т. е. обратный ток, равен току, проходящему через n — р-переход при отсутствии внешнего напряжения.
Если обратное напряжение превысит допустимое максимальное напряжение Uобр.макс, то наступит перегрев и разрушение диода. Чем больше протяженность отрицательной ветви вольт-амперной характеристики, тем большей способностью выдерживать без пробоя обратное напряжение обладает диод.
Пробой наступает вследствие того, что под действием сильного электрического поля электроны освобождаются от ковалентных связей, увеличивают свою энергию и, двигаясь с повышенными скоростями внутри полупроводника, ионизируют его нейтральные атомы. Появляются новые свободные электроны и дырки, что приводит к лавинообразному увеличению обратного тока, а следовательно, и к перегреву n — р-перехода.
Сопротивление n — р-перехода переменному току в данной точке вольт-амперной характеристики определяется ее наклоном и может быть определено дифференцированием выражения (88):
(90)
откуда
При комнатной температуре можно считать, что
где I и I0 — в миллиамперах, R — сопротивление полупроводникового диода — в омах.
Формула (90) и характеристика сопротивления R, представленная пунктиром на рис. 76, показывают, что с увеличением тока сопротивление перехода падает и составляет величину порядка единиц или даже десятых долей ома. При обратном напряжении, когда I → I0, сопротивление n — р-перехода имеет величину порядка десятков и сотен тысяч ом.
Анализ вольт-амперной характеристики полупроводникового диода показывает, что он является нелинейным элементом, его сопротивление меняется в зависимости от величины и знака приложенного напряжения. Эти свойства полупроводникового диода позволяют его использовать для выпрямления переменного тока, преобразования частоты, ограничения амплитуд и т. д.
Для оценки электрических свойств полупроводниковых точечных диодов пользуются следующими параметрами:
- Прямой ток — ток, протекающий через диод, когда к нему приложено постоянное прямое напряжение в один вольт.
- Обратный ток — ток, протекающий через диод, когда к нему приложено наибольшее постоянное допустимое обратное напряжение.
- Обратное пробивное напряжение — напряжение, при котором диод выходит из строя.
- Допустимая амплитуда обратного напряжения — наибольшая амплитуда обратного напряжения, которая может быть приложена к прибору в обратном направлении в течение продолжительного времени, не вызывая пробоя.
- Среднее значение выпрямленного тока — постоянная составляющая выпрямленного тока диода, которая может протекать через диод долгое время, не вызывая его перегрева.
Для оценки электрических свойств полупроводниковых плоскостных диодов пользуются следующими параметрами:
- Подводимое переменное напряжение — максимальное действующее значение переменного синусоидального напряжения в вольтах, которое можно подавать на вход диода в течение продолжительного времени без пробоя.
- Прямое падение напряжения — среднее значение напряжения на диоде при максимально допустимом выпрямленном токе. Оно характеризует внутреннее сопротивление прибора при прохождении через него прямого тока и обычно составляет величину порядка десятых долей вольта.
- Выпрямленный ток — постоянная составляющая тока диода, которая при длительном протекании через диод не вызывает его перегрева, измеряется в миллиамперах или в амперах.
- Обратный ток — среднее значение обратного тока диода, когда к нему приложено допустимое обратное переменное напряжение. Он характеризует внутреннее сопротивление диода в обратном направлении.
Основные особенности вольт-амперной характеристики полупроводникового диода по сравнению с соответствующей характеристикой вакуумного диода заключается в следующем:
- При изменении знака приложенного напряжения в полупроводниковом диоде меняется направление тока, протекающего через прибор, а в вакуумном диоде оно остается неизменным.
- При отсутствии внешнего приложенного напряжения в полупроводниковом диоде отсутствует ток, а через вакуумный диод протекает небольшой начальный ток.
- При отрицательных (обратных) напряжениях через полупроводниковый диод протекает обратный ток порядка единиц и десятков микроампер, а в вакуумном диоде ток практически отсутствует.
В отличие от точечных полупроводниковых диодов, у которых большинство параметров измеряется на постоянном токе, все параметры плоскостных полупроводниковых диодов измеряют обычно на переменном токе с частотой 50 гц.
