Вольт-амперна характеристика

Для будь-якого електричного приладу важлива залежність між струмом через прилад і прикладеною напругою. Знаючи цю залежність, можна визначити струм при заданій напрузі або, навпаки, напруга, відповідає заданому струму.

Якщо опір приладу незмінний, не залежить від струму або напруги, то зв'язок між струмом і напругою визначається законом Ома:

І = U / R або I = GU (3.1)

Струм прямо пропорційний напрузі. Коефіцієнтом пропорціональності є електрична провідність G= 1/R.

Графік залежності між струмом і напругою називається вольтом-амперною характеристикою даного приладу або просто характеристикою. Для приладу, що підлягає закону Ома, характеристикою є пряма лінія, що проходить через початок координат (рис.3.1).

Чим більше опір R, тим менше провідність G і тим менше струм при даній напрузі. Тому для великих опорів характеристика йде більш полого. Опір R пов'язаний з кутом нахилу α характеристики залежністю

R = U/I = k ctg α, (3.2)

де k - коефіцієнт пропорціональності, який враховує одиниці величин, що входять у формулу, і масштаб, в якому значення величин відкладені на осях.

Інакше можна написати:

G = 1/R = I /U = k'tg α, (3.3)

де k' = 1/ k.

Помітимо, що не можна писати R = ctg α або G = lg α, оскільки R і G фізичні величини, що мають певну розмірність і одиниці для кількісної оцінки, а tg α і ctg α тригонометричні функції, що виражаються тільки числом. Крім того, в залежності від масштабу на осях кут α при даному R може бути різним.

Прилади, принцип дії яких описується законом Ома, а вольт-амперна характеристика має вигляд прямої лінії, що проходить через початок координат, називаються лінійними.

Існують також прилади, у яких опір не постійний, а залежить від напруги або струму. Для таких приладів зв'язок між струмом і напругою виражається не законом Ома, а більш складною залежністю і вольт-амперна характеристика не є прямою лінією, що проходить через початок координат. Ці прилади називаються нелінійними.

Електронно-дірковий перехід, по суті, є напівпровідниковим діодом. Нелінійні властивості діода видні при розгляді його вольта-амперної характеристики. Приклад такої характеристики для діода невеликої потужності наведений на рис. 3.2. Вона показує, що прямий струм в десятки міліампер виходить при прямій напрузі в десяті частки вольта. Тому прямий опір буває звичайно не вище декількох десятків Ом. Для більш потужних діодів прямий струм складає сотні міліампер при такій же малій напрузі, а R_np відповідно знижується до одиниць і часток Ома.

Характеристику для зворотного струму, малого в порівнянні з прямим струмом, звичайно показують в іншому масштабі, що і зроблено на рис.3.2. Зворотний струм при зворотній напрузі до сотень вольт у діодів невеликої потужності складає одиниці або десятки мікроампер. Це відповідає опору декількох сотень кілоом і більше. Оскільки U_зв >> U_np, то ці напруги також відкладені в різних масштабах. Внаслідок відмінності в масштабах вийшов злам кривої на початку координат. При незмінному масштабі характеристика була б плавною кривою, без зламу.

Характеристика для прямого струму спочатку має значну нелінійність, оскільки при збільшенні U_пр опір збідненого шару зменшується. Тому крива йде з все більшою крутизною. Але при напруpі в десяті частки вольта збіднений шар практично зникає і залишається тільки опір n - і р -областей, який приблизно можна вважати сталим. Тому далі характеристика стає майже лінійною. Невелика нелінійність тут пояснюється, тим, що при збільшенні струму п- і р - області нагріваються і від цього їх опір зменшується.

Зворотний струм при збільшенні зворотної напруги спочатку швидко зростає. Це викликане тим, що вже при невеликій зворотній напрузі за рахунок підвищення потенціального бар'єру в переході різко знижується дифузійний струм, який направлений назустріч струму провідності. Отже, повний струм I_зв = I_др різко збільшується. Однак, при подальшому підвищенні зворотної напруги струм зростає незначно. Зростання струму відбувається внаслідок нагріву переходу, за рахунок витоку по поверхні, а також за рахунок лавинного розмноження носіїв заряду, тобто збільшення числа носіїв заряду внаслідок ударної іонізації. Принцип ударною іонізації полягаю в тому, що при більш високій зворотній напрузі електрони набувають велику швидкість і, ударяючи в атоми кристалічної гратки, вибивають з них нові електрони, які, в свою чергу, розганяються полем і також вибивають з атомів електрони. Такий процес посилюється з підвищенням напруги.

При деякому значенні зворотної напруги виникає пробій n-р-переходу, при якому зворотний струм різко зростає, а опір збідненого шару різко зменшується. Потрібно розрізняти електричний і тепловий пробій п-р -переходу. Електричний пробій, області який відповідає на рис.3.2 дільниця АБВ характеристики, є зворотним, тобто при цьому пробої в переході не відбувається незворотних змін (руйнування структури речовини). Тому робота діода в режимі електричного пробою допустима. Спеціальні діоди для стабілізації напруги напівпровідникові стабілітрони працюють на ділянці БВ характеристики. Можуть існувати два вигляду електричного пробою, які нерідко супроводять один одному: лавинний і тунельний.

Лавинний пробій пояснюється лавинним розмноженням носіїв за рахунок ударної іонізації і за рахунок виривання електронів з атомів сильним електричним полем. Цей пробій характерний для п-р- переходів великої товщини, домішки, що виходять в напівпровідник мають порівняно малу концентрацію. Пробивна напруга для лавинного пробою складає десятки або сотні вольт.

Тунельний пробій пояснюється явищем тунельний ефекту. Суть останнього полягає в тому, що при напруженості електричного поля більш ніж 100 В/см, яке діє в n-р- переході малої товщини, деякі електрони проникають через перехід без зміни своєї енергії. Тонкі переходи, в яких можливий тунельний ефект, виникають при високій концентрації домішок. Напруга, при якій виникає тунельний пробій, переважно не перевищує одиниць вольт.

Області теплового пробою відповідає на рис.3.2 ділянка ВГ. Тепловий пробій незворотний, оскільки він супроводиться руйнуванням структури речовини в місці n-p -переходу. Причиною теплового пробою є порушення теплового режиму n-р -переходу. Це означає, що кількість теплоти, що виділяється в переході від нагріву його зворотним струмом, перевищує кількість теплоти, що відводиться від переходу. У результаті температура переходу зростає, опір його зменшується і струм збільшується, що приводить до перегріву переходу і його теплового руйнування.