Характеристики идеального диода на основе p‑n перехода

Характеристики идеального диода на основе
p-n перехода
ВАХ диода описывается
выражением:
J  J s (e VG  1)
где Js - плотность тока насыщения
В состоянии равновесия суммарный
ток равен нулю
j pE  j nD  j nE  j pD  0
В реальных выпрямительных диодах на
основе
p-n
перехода
при
анализе
вольт-амперных характеристик необходимо
учитывать
влияние
генерационнорекомбинационных
процессов
в
обедненной области p-n перехода и
падение
напряжения
на
омическом
сопротивлении базы p-n перехода при
протекании тока через диод.
Доминирующим
механизмом
генерационнорекомбинационного процесса является механизм Шокли –
Рида.
Выражение для темпа генерации (рекомбинации) имеет
вид:
 n  p N t ( pn  p1n1 )
dn


dt
 n (n  n1 )   p ( p  p1 )
γn, γp – вероятности захвата электронов и дырок на
рекомбинационный уровень;
Nt – концентрация рекомбинационных уровней;
n, p – концентрации неравновесных носителей;
n1, p1 – концентрации равновесных носителей в
разрешенных зонах при условии, что рекомбинационный
уровень совпадает с уровнем Ферми.
Диод при подключении обратного напряжения
Величина произведения концентрации
равновесных носителей p1·n1 будет равна
квадрату собственной концентрации: p1 n1  ni2,
а также p<p1, n<n1.
Учитывая, что n1  ni e  0 1 , p1  ni e   0 1
получаем:
 n p N t
dn

n
i
 0 1
  0 1
dt
 ne
  pe
 Генерационный
 Тепловой
ток:
ток:
J ген 
J0 
qniW
e
qLp ni2
 pNA
J ген WN D

J0
Ln ni
Вклад генерационного тока Jген в
обратный ток p-n перехода.
Диод под прямым напряжением.

Рекомбинационный ток:

Полный ток диода при прямом
смещении будет складываться
из диффузионной и
рекомбинационной компонент:
.

J рек
J
qW

N t ni e
2
qLp ni2
 p ND
e
U
U
2
qW

N t ni e
2
U
2
Прямой ток диода можно
U
аппроксимировать
n
J
~
e
экспоненциальной
при n = 1 ток диффузионный
зависимостью типа:
при n = 2 ток рекомбинационный
 Дифференциальное
сопротивление:
 Сопротивление
по
постоянному току:
 Коэффициент
выпрямления
идеального диода:
dU
kT
rD 

dI
q( I  I s )
U
U
RD  
I
I 0 (e U  1)

VG
J
e 1
K     VG
J
e
1
Физические процессы в базе.
Сопротивление базы rб:
l
rб  
S
где  –удельное сопротивление,
l – длина базы, S – площадь
поперечного сечения диода.
Критерий вырождения состояние диода, при котором
дифференциальное
сопротивление диода станет
равно либо меньше омического
сопротивления базы диода:
1
rдиф
Т
 dI 


 rб

I
 dU 
Изменение ВАХ с ростом температуры.
Для оценки температурной
зависимости прямой ветви
характеристики
используется специальная
величина
dU


dT
температурный
коэффициент напряжения,
показывающий изменение
прямого напряжения за
счёт изменения
температуры на один
градус при постоянном
значении прямого тока.
Виды диодов.
Вольт-фарадная характеристика варикапа
Варикап
полупроводниковый диод,
реализующий зависимость
барьерной емкости СБ
от приложенного
обратного напряжения
VG.
Вольт-амперная характеристика стабилитрона
Стабилитрон
полупроводниковый диод, ВАХ
которого имеет
область резкой
зависимости тока
от напряжения на
обратном участке.
Стабилитpоны изготавливаются на основе
n-кpемния. Выбор материалов обусловлен
отличительными особенностями
кpемниевых диодов:
 малым обpатным током,
 pезким пеpеходом в область лавинного
или тунельного пpобоя пpи
незначительных изменениях обpатного
напpяжения,
 высоким значением допустимой
темпеpатуpы пеpехода.
Принцип использования стабилитрона.
Основное назначение стабилитрона –
стабилизация напряжения на нагрузке,
при изменяющемся напряжении во
внешней цепи.
Характеристики стабилитрона:
Напряжение стабилизации
 Максимальный и минимальный ток
стабилизации


Дифференциальное
сопротивление

Статистическое
сопротивление
В том случае, если энергия Ферми в n и p
полупроводниках совпадает или
находится на расстоянии ±kT/q от дна
зоны проводимости или вершин
валентной зоны, ВАХ при обратном
смещении будут такими же как у
туннельного диода, а при прямом
смещении туннельная компонента ВАХ
будет полностью отсутствовать.
Обращенный диод – это туннельный диод
без участка с отрицательным
дифференциальным сопротивлением.
ВАХ обращенного диода
а) полная ВАХ
б) обратный участок ВАХ при разных температурах