Зависимость тока через p-n-переход от внешнего напряжения (I=f(U)) называется – вольт – амперной характеристикой (ВАХ) и графически имеет зависимость, иллюстрируемую рисунком 9. Главное свойство p-n-перехода – односторонняя проводимость. ВАХ p-n-перехода обладает выпрямительными свойствами, т.е., пропускает в одну сторону и не пропускает в другую.

Рисунок 9 – ВАХ p-n-перехода

Согласно ВАХ, I_обр=I₀ остается постоянным, не зависящим от обратного напряжения, однако при достаточно большом U_обр наблюдается резкое возрастание I_обр – это называется электрическим пробоем p-n-перехода, а напряжение, при котором это происходит, напряжением пробоя.

Пробои делятся на:

1) Тепловой.

2) Электрический, который в свою очередь делится на туннельный и лавинный (без перегрева).

Электрический пробой обратимый, т.е. после уменьшения величины обратного напряжения p-n-переход восстанавливает свои первоначальные выпрямительные свойства.

Лавинный пробой происходит из-за лавинного размножения неосновных носителей слабо легированных “широких” p-n-переходов [3,5]. При достаточно большой напряжённости электрического поля электроны достигают скоростей, при которых выбивают из атома полупроводника валентные электроны, которые в свою очередь выбивают новые. Этот процесс происходит лавинообразно.

Туннельный пробой происходит в сильно легированных “узких” p-n-переходах, и состоит в отрыве под действием сильного электрического поля валентных электронов, в результате которого в объёме p-n-перехода образуется электронная дырка.

2) Тепловой пробой, необратимый, он сопровождается разогревом p-n-перехода обратным током. При повышении температуры p-n-перехода число не основных носителей заряда возрастает. Это приводит к увеличению J_обр, что приводит к ещё большему разогреву p-n-перехода. Разрушается (расплавляется) кристаллическая решетка, электрические свойства не восстанавливаются.

Полупроводниковые диоды. Полупроводниковый диод – это конструктивно оформленный объём полупроводникового материала с одним p-n-переходом и двумя выводами (см. рис.10). Большинство диодов выполняются на основе несимметричных p-n-переходов. Одна из областей диода высоко легированная, называется анод, другая слабо легированная называется катод . Несимметричный p-n-переход размещается в базе.

Рисунок 10 - Обозначения полупроводникового диода.

В реальном диоде прямая и обратная ветви отличаются от идеальных. При прямом смещении необходимо учитывать объёмное сопротивление областей базы и эмиттера диода. Это приводит к тому, что ВАХ прямая ветвь смещается вправо и зависит линейно от приложенного напряжения. Обратная ветвь диода зависит от величины обратного напряжения, т.е. наблюдается рост обратного тока.

ВАХ реального диода и идеального диода представлена на рисунке 11.

Рисунок 11 - ВАХ реального и идеального диода

На рисунке 12 представлена эквивалентная схема диода при больших     напряжениях.

R_б>>R_э

R_en-сопротивление поверхности p-n-перехода между двумя областями

     Рисунок 12 -Эквивалентная схема диода при больших напряжениях.

Эквивалентная схема диода при малых напряжениях представлена на рисунке 13.

R_p-n-дифференциальное сопротивление диода на рабочем участке.

С_p-n-ёмкость диода на рабочем участке.

Рисунок 13 -Эквивалентная схема диода при больших напряжениях.

Влияние температуры на ВАХ диода.     С повышением температуры растёт число не основных носителей, а следовательно и тепловой ток p-n-перехода J₀. Это влияет на прямую и обратную ветвь диода (см. рис.14).

T₁>T₀

Рисунок 14 – Влияние температуры на ВАХ диода.

Как следует из рисунка 14, прямая ветвь диода с повышением температуры смещается влево. Это смещение характеризуется температурным коэффициентом напряжения для диода -ТКН=-2,3мв/с⁰.

Диоды по их назначению бывают следующих типов:

1.Выпрямительные.

2.Импульсные.

3.Стабилитроны.

4.Варикапы.

5.Туннельные диоды.

Выпрямительные диоды. Предназначаются для выпрямления низкочастотного переменного тока, и используются в источниках питания. Под выпрямлением понимают преобразование двухполярного тока, в однополярный. Поскольку выпрямительные диоды рассчитаны на большие величины выпрямленных токов, то все они имеют большую площадь p-n-перехода, а следовательно, и большие значения J_обр и C_p-n.

Выпрямительные диоды имеют следующие основные параметры:

- J_{пр ср max} - максимально допустимый средний, прямой ток. Превышение его вызывает разрушение диода от перегрева;

- U_пр – прямое напряжение на p-n-переходе при заданном прямом токе;

- J_обр - величина обратного тока при определённом обратном напряжении;

- U_обр – максимально допустимое обратное напряжение после которого наступает пробой диода;

- Предельно допустимая мощность, рассеиваемая диодом.

 Импульсные диоды. Предназначены для работы с импульсными сигналами (быстро изменяющимися во времени). В импульсных диодах высокая скорость переключения достигается уменьшением площади p-n-перехода, что снижает величину ёмкости диода. Диоды в таких схемах выполняют роль электрических ключей. Электрический ключ имеет два состояния:

1. Замкнутое. R_vd =0

2. Разомкнутое. R_vd= ∞

Таким же требованиям удовлетворяют и диоды в зависимости от полярности приложенного напряжения.

Основные параметры импульсных диодов аналогичны параметрам выпрямительных диодов, кроме того, имеют специфические, учитывающие быстродействие переключения.

Диоды Шотки. В них электрический переход выполнен на границе металл-полупроводник. Он создаётся путём напыления металла на высокоомный полупроводник, например, n-типа. На границе металл-полупроводник создаётся область, обеднённая основными носителями, которая имеет несимметричную ВАХ (см.рис.15).

Рисунок 15- ВАХ диода Шотки [6]

Диоды Шотки имеют высокое быстродействие переключения.

Варикапы. Это электрически перестраиваемая емкость на основе обратно-смещённого p-n-перехода. Варикапы предназначены для использования в качестве конденсатора, емкость которого зависит от величины обратного напряжения.

,

где С₀ – емкость при напряжении равном нулю, U – напряжение на емкости, φ_к – контактная разность потенциалов, ν – равна 1/2 - 1/3 (в зависимости от способа изготовления

Основные параметры варикапа:

1) Ёмкость при определённом обратном напряжении.(С_в ,U=5в)

2) Коэффициент перекрытия: К_п = С_{в max}/C_{в min}. (5 – 8)

3) Температурный коэффициент емкости (ТКЕ) равен ΔC/СΔT,

                        ТКЕ = (ΔC/СΔT)100%.

4) Добротность. Q=X_cв/r_п; где Х_св - реактивное сопротивление варикапа, r_п- сопротивление активных потерь.

Стабилитроны и стабисторы. Приборы, на основе p-n-перехода, предназначенные для стабилизации напряжения. Стабилитрон – полупроводник диод, ВАХ который имеет участок малой зависимости приложенного напряжения от тока, протекающего через него. Такой участок лежит на обратной ветви ВАХ и возникает в результате электрического пробоя диода.

Основные параметры:

1. U_{стаб.номин.}

2. ΔU_стаб.- разброс напряжения стабилизации.

3. J_{ст.номин.}

4,5. J_ст.min , J_ст.max

6. Дифференциальное сопротивление стабилизатора на рабочем участке Rg=(ΔU/ΔJ)/J=J_{ст номин}

7. (Т.К.Н.) Температурный коэффициент напряжения.

Стабистор предназначен для стабилизации напряжения и представляет собой диод, смещённый в прямом напряжении.

Остальные параметры стабисторов аналогичны параметрам стабилитронов. Стабисторы имеют U_{ст ном}< 3,2 В. Стабисторы используются для получения стабилизируемых напряжений <3,2В.

Туннельный и обращенный диоды. На границе сильнолегированных p-n областей имеет место туннельный эффект. Он проявляется в том, что на прямой ветви ВАХ диода появляется участок с отрицательным сопротивлением. Обратная ветвь такого диода практически отсутствует, то есть при малых обратных напряжениях начинается туннельный пробой, а отсюда резкое возрастание обратного тока. Участок с отрицательным сопротивлением позволяет использовать туннельные диоды для усиления и генерации электрических сигналов.

Обращенные диоды. Обращенные диоды являются разновидностью туннельных. В них концентрация (N) примеси несколько меньше, чем в туннельных. За счет этого отсутствует участок с отрицательным сопротивлением.

Обратная ветвь таких диодов является проводящей электрический ток за счет туннельного пробоя. Обращенные диоды применяются для выпрямления переменных сигналов небольшой амплитуды до 0,3в.