Вольт-амперная характеристика

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) является фундаментальным инструментом для описания поведения полупроводниковых приборов под действием внешнего электрического поля. Она отражает зависимость тока, протекающего через прибор, от приложенного напряжения и несет информацию о механизмах переноса носителей заряда, барьерных эффектах, рекомбинации и туннелировании.

ВАХ всегда нелинейна в полупроводниковых приборах, поскольку процессы переноса электронов и дырок зависят от барьерных потенциалов, распределения уровней Ферми и наличия примесных уровней. В отличие от металлов, где зависимость тока от напряжения близка к линейной (закон Ома), в полупроводниках определяющим фактором является концентрация неосновных носителей и характер гетерограницы.

ВАХ p-n перехода

Классическим примером нелинейной вольт-амперной характеристики является p-n переход.

Прямое смещение:

  • При подаче положительного напряжения на p-область барьерная высота уменьшается.
  • Электроны из n-области и дырки из p-области легко преодолевают барьер.
  • Ток возрастает экспоненциально с увеличением напряжения:

$$ I = I_0 \left(e^{\frac{qU}{kT}} - 1 \right), $$

где I0 — обратный ток насыщения, q — заряд электрона, U — приложенное напряжение, k — постоянная Больцмана, T — температура.

Обратное смещение:

  • При отрицательном напряжении на p-область барьер увеличивается.
  • Основные носители заряда не могут преодолеть барьер.
  • Устанавливается слабый ток насыщения I0, связанный с тепловой генерацией пар электрон-дырка.
  • При достаточно высоком напряжении возможно лавинное пробивание или туннельный пробой.

Особенности ВАХ p-n перехода:

  • асимметрия (резкое возрастание тока при прямом смещении и почти постоянный ток при обратном);
  • температурная зависимость (чем выше температура, тем больше обратный ток);
  • наличие области пробоя.

ВАХ контакта Шоттки

Металлический контакт с полупроводником может проявлять выпрямляющие свойства. Его ВАХ во многом сходна с характеристикой p-n перехода, но определяется высотой барьера Шоттки.

Прямое смещение:

  • При уменьшении барьера электроны термоэлектронной эмиссией переходят из полупроводника в металл.
  • Ток растет экспоненциально:

$$ I = I_s \left( e^{\frac{qU}{nkT}} - 1 \right), $$

где n — идеальность, учитывающая отклонения от идеальной модели.

Обратное смещение:

  • При увеличении барьера поток носителей заряда резко уменьшается.
  • Обратный ток насыщается, но его величина выше, чем у p-n перехода, так как он определяется термоэлектронной эмиссией.

ВАХ туннельных диодов

Туннельный диод отличается высокой концентрацией примесей и малой шириной запрещённой зоны, что делает возможным квантовомеханическое туннелирование через барьер.

Характерные особенности ВАХ:

  • В области малых напряжений наблюдается возрастание тока (туннелирование через перекрывающиеся зоны проводимости и валентные зоны).
  • При дальнейшем увеличении напряжения ток уменьшается, формируя область отрицательного дифференциального сопротивления.
  • После выхода из зоны туннелирования ток снова возрастает за счет обычного переноса носителей.

Такая форма ВАХ используется в генераторах, усилителях и быстродействующих ключевых схемах.

ВАХ варикапов и фотодиодов

Варикапы:

  • Работают в режиме обратного смещения p-n перехода.
  • Ток через варикап невелик, но его ёмкость сильно зависит от приложенного напряжения.
  • ВАХ отражает слабый обратный ток и зависимость C(U).

Фотодиоды:

  • При освещении в p-n переходе генерируются пары электрон–дырка.
  • ВАХ смещается вверх: появляется фототок, не зависящий от напряжения.
  • В темноте характеристика совпадает с обычной ВАХ диода.

ВАХ полевых транзисторов

Для полевых транзисторов ВАХ строится в координатах «ток стока – напряжение сток-исток» при различных напряжениях затвор-исток.

Основные режимы:

  1. Линейный режим: при малых напряжениях сток-исток ток растет почти линейно.
  2. Насыщение: при увеличении напряжения сток-исток достигается область, где ток перестает расти.
  3. Подзатворное управление: изменение напряжения затвора сильно изменяет ВАХ, регулируя проводимость канала.

Экспериментальные методы получения ВАХ

Для исследования характеристик полупроводниковых приборов применяются:

  • Метод двухточечного подключения — позволяет получить общую зависимость тока и напряжения.
  • Метод четырехзондового измерения — устраняет влияние сопротивления выводов.
  • Импульсные измерения — используются для предотвращения перегрева образца при больших токах.
  • Температурные исследования — позволяют выявить доминирующий механизм проводимости.

Практическое значение ВАХ

  • Определение параметров диодов, транзисторов, варикапов, фотоприемников.
  • Контроль технологического процесса изготовления полупроводниковых приборов.
  • Анализ надежности и предельных режимов работы.
  • Оптимизация схемных решений в электронике.
Оглавление