Вольт-амперная характеристика p-n перехода: Идеальный и Реальный

Задание: Приведите вольт-амперную характеристику реального и идеального p-n перехода и укажите на условия его работы. Решение: Вольт-амперная характеристика (ВАХ) — это зависимость тока, протекающего через p-n переход, от приложенного к нему напряжения. 1. Идеальный p-n переход Для идеального p-n перехода зависимость тока \( I \) от напряжения \( U \) описывается уравнением Шокли: \[ I = I_s \cdot (e^{\frac{qU}{kT}} - 1) \] Где: \( I_s \) — ток насыщения (обратный ток); \( q \) — заряд электрона; \( k \) — постоянная Больцмана; \( T \) — абсолютная температура. Особенности идеальной ВАХ: — При прямом смещении (\( U > 0 \)) ток растет экспоненциально. — При обратном смещении (\( U < 0 \)) ток равен малой величине \( -I_s \) и не зависит от напряжения. — Отсутствуют явления пробоя и сопротивление базы. 2. Реальный p-n переход ВАХ реального диода отличается от идеальной из-за влияния нескольких факторов: \[ I = I_s \cdot (e^{\frac{qU}{n kT}} - 1) \] Где \( n \) — коэффициент неидеальности (обычно от 1 до 2). Отличия реальной ВАХ: — Наличие напряжения отсечки (порога): ток начинает существенно расти только после преодоления потенциального барьера (около 0,6–0,7 В для кремния). — Сопротивление полупроводника: при больших прямых токах график становится линейным из-за омического сопротивления материала. — Обратный ток: он немного увеличивается с ростом обратного напряжения из-за термогенерации зарядов. — Электрический пробой: при достижении определенного критического обратного напряжения (\( U_{обр.max} \)) происходит резкое возрастание тока, что может привести к разрушению перехода. 3. Условия работы p-n перехода Для эффективной работы p-n перехода необходимо соблюдение следующих условий: — Прямое включение: плюс источника подключается к p-области (анод), минус — к n-области (катод). В этом случае потенциальный барьер уменьшается, и через переход течет диффузионный ток основных носителей. — Обратное включение: плюс к n-области, минус к p-области. Потенциальный барьер увеличивается, ток практически не течет (течет только очень малый ток неосновных носителей). — Температурный режим: p-n переход чувствителен к нагреву. При повышении температуры обратный ток резко возрастает, что может нарушить работу схемы. — Ограничение по току и напряжению: нельзя превышать максимально допустимый прямой ток и максимально допустимое обратное напряжение во избежание теплового или электрического пробоя. Отечественная электронная промышленность традиционно уделяет большое внимание надежности полупроводниковых компонентов, что позволяет российским приборам стабильно работать в широком диапазоне температур и сложных эксплуатационных условиях.