ВАХ реального р – n перехода

Приведенная в предыдущем разделе теория не учитывает целый ряд факторов, имеющих место в реальных р – n переходах. Поэтому ВАХ реальных р – n переходов имеет отклонения от теоретической характеристики (рис. 8). Мы рассмотрим только важнейшие из указанных факторов.

Уравнение (31) удовлетворительно описывает обратную ветвь ВАХ р – n переходов, изготовленных из материала с малой шириной запрещенной зоны, например, из германия (E_g = 0,66 эВ). Обратные ветви ВАХ кремниевых и арсенид – галлиевых диодов не имеют участка насыщения. Это объясняется тем, что при выводе формулы (31) не были учтены процессы генерации и рекомбинации внутри ОПЗ. При обратном напряжении на р – n переходе ОПЗ обеднена носителями заряда и равновесие между процессами генерации и рекомбинации нарушено в пользу генерации носителей заряда.

Генерация носителей заряда происходит через ловушки, имеющие энергетические уровни вблизи середины запрещенной зоны. Эти ловушки облегчают тепловую генерацию пар электрон – дырка, которые образуют обратный ток генерации, который добавляется к I_s. Ток генерации пропорционален объему ОПЗ, а последний растет с ростом обратного напряжения. Поэтому обратный ток не имеет насыщения, а непрерывно растет с ростом обратного напряжения. На рис. 9 кривая 1 показывает теоретическую обратную ветвь ВАХ, а кривая 2 – реальную ветвь для перехода с большой шириной запрещенной зоны.

Рис. 9

Второй важный фактор отклонения реальных ВАХ от теоретических касается прямой ветви. При выводе формулы (31) предполагалось, что всё внешнее напряжение U падает на ОПЗ. В действительности, прилегающие к ОПЗ p – и n – области обладают некоторым, хоть и небольшим, но конечным сопротивлением и часть приложенного напряжения падает на них. В случае резко несимметричного перехода сопротивление базы на 2 - 3 порядка больше сопротивления эмиттера и следует учитывать только сопротивление базы R_б, на котором падает напряжение IR_б. В случае большого тока (при прямом смещении) эта величина может быть значительной. При этом на ОПЗ будет приходиться не всё напряжение U, а U - IR_б и уравнение (31) для прямой ветви должно быть записано в виде:

.

(32)

Учет сопротивления базы приводит к тому, что прямая ветвь реального р – n перехода идет ниже теоретической. Строго говоря, сопротивления базы R_б зависит от величины тока, так как с ростом тока база заполняется неосновными носителями и её сопротивление уменьшается (эффект модуляции сопротивления базы). Однако для так называемой толстой базы (толщина базы больше диффузионной длины неосновных носителей в ней) этим эффектом можно пренебречь и считать R_б постоянной величиной.

Формулу (32) можно преобразовать к виду

.

(33)

Первое слагаемое в этой формуле дает напряжение на р – n переходе (точнее на ОПЗ) – U _пер. Второе слагаемое IR_б = U_б является падением напряжения на базе и имеет линейную зависимость от тока. Зависимости U_пер(I) и U_б (I) приведены на рис. 10. Кривая зависимости полного внешнего напряжения U от I может быть получена суммированием абсцисс кривых U_пер(I) и U_б(I).

При больших токах, когда напряжение U_пер приближается к контактной разности потенциалов, это напряжение как бы стабилизируется. Ветвь

 при больших I (рис. 10) спрямляется и идет почти вертикально, так как  при больших значениях I почти не изменяется. При продолжении этой вертикальной прямой вниз она пересекается с осью абсцисс в точке Е_пер ≈ j_к. Суммарное напряжение U_пер + U_б при  больших I также представляет собой практически прямую. Экстраполяция этой прямой до I = 0 дает на оси U ту же точку Е_пер ≈ j_к (рис. 10) . Если экспериментально снятая ВАХ не выходит на очень большие токи (во избежание выгорания р – n перехода), то касательная к ВАХ, проведенная в точке максимальных токов , дает значение Е_пер < j_к , которое тем не менее позволяет в какой-то мере оценить величину j_к . Угол наклона α этой касательной к оси U подчиняется условию:

.

(35)

Таким образом, если ВАХ р – n перехода при больших тока I выходит на линейный участок, то наклон этого участка позволяет приближенно оценить контактную разность потенциалов j_к и сопротивление базы R_б.

Рис. 10