Вольтамперная характеристика (ВАХ) представляет собой график зависимости тока во внешней цепи p-n-перехода от значения и полярности напряжения, прикладываемого к нему. Эта зависимость может быть получена экспериментально или рассчитана на основании уравнения вольтамперной характеристики [2].
При включении p-n-перехода в прямом направлении в результате инжекции возникает прямой диффузионный ток
je = jen диф(xp) =SqDn (dΔn/dx) |x=xp,
где S – площадь p-n-перехода, q – заряд электрона, Dn– коэффициент диффузии электронов.
С учётом \(\Delta n(x_{p})=n(x_{p})-n_{p}=n_{p}[exp(\frac{u}{\varphi _{T}})-1]\) прямой ток p-n-перехода определяется выражением
\(I=Sq\frac{D_{n}n_{p}}{L_{n}}[exp(\frac{u}{\varphi _{T}})-1]\)
Обозначим \(Sq\frac{D_{n}n_{p}}{L_{n}}=I_{0}\) , эта величина имеет размерность тока, определяется концентрацией неосновных носителей заряда в базе np и называется тепловым током I0.
Общее выражение для вольтамперной характеристики p-n-перехода записывается в виде
\(I=I_{0}[exp(\frac{u}{\varphi _{T}})-1]\) (2.7)
где I0 – тепловой ток p-n-перехода, с учётом дырочной составляющей тепловой ток может быть записан в виде
\(I_{0}=Sq(\frac{D_{n}n_{p}}{L_{n}}+\frac{D_{p}p_{n}}{L_{p}})\) (2.8)
Тепловой ток p-n-перехода зависит от концентрации примеси и температуры. Увеличение температуры p-n-перехода приводит к увеличению теплового тока, а, следовательно, к возрастанию прямого и обратного токов.
Увеличение концентрации легирующей примеси приводит к уменьшению теплового тока, а, следовательно, к уменьшению прямого и обратного токов p-n-перехода.
На рис. 2.3 приведена ВАХ идеального p-n-перехода.
Учитывая, что при Т = 300К, φT= 26 мВ, можно сделать вывод, что прямой ток очень сильно зависит от прямого напряжения (при увеличении U на 2φT мВ прямой ток возрастает в 10 раз). Наоборот, обратный ток при обратных напряжениях, больших 2φT мВ, практически перестает зависеть от приложенного напряжения и равен I0. Реально прямой и обратный токи по величине отличаются на порядки и для них используются разные масштабы. Поскольку ВАХ p-n-перехода представляет собой нелинейную зависимость между током и напряжением, то между малыми амплитудами тока и напряжения (или между малыми приращениями тока и напряжения Δi и Δu) существует линейная связь. В этом случае p-n-переход на переменном токе характеризуют дифференциальным сопротивлением Rré:
Rré =du/dI≈Δu/Δi.
Аналитическое выражение rpn получим, дифференцируя (2.7)
Rré =φT/(I+I0). (2.9)
При прямом напряжении rpnмало и составляет единицы – сотни Ом, а при обратном напряжении – велико и составляет сотни и тысячи килоОм.
Дифференциальное сопротивление можно определить графически по характеристике (рис. 2.3, где указаны Δi и Δu ).