Номер 2, страница 154 - гдз по физике 10 класс учебник Казахбаева, Кронгарт

2. Как выглядит вольт-амперная характеристика полупроводникового диода? Объясните характер этой кривой.

2. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода — это график зависимости силы тока ($I$), протекающего через диод, от приложенного к нему напряжения ($U$). Эта характеристика является нелинейной и асимметричной, что отражает основное свойство диода — одностороннюю проводимость. График ВАХ принято делить на две ветви.

Прямая ветвь соответствует прямому включению диода, когда к его аноду (p-область) подключен «плюс» источника, а к катоду (n-область) — «минус». При малых напряжениях (до порогового значения, около 0.5–0.7 В для кремниевых диодов) ток через диод почти не течет. Это связано с наличием потенциального барьера на границе p-n перехода. Как только приложенное напряжение превышает пороговое, барьер уменьшается, и основные носители заряда (дырки из p-области и электроны из n-области) начинают массово перемещаться через переход. В результате ток резко возрастает по экспоненциальному закону. Эта зависимость приближенно описывается уравнением Шокли: $I = I_s (e^{\frac{qU}{kT}} - 1)$, где $I_s$ — обратный ток насыщения, $q$ — элементарный заряд, $k$ — постоянная Больцмана, $T$ — абсолютная температура.

Обратная ветвь соответствует обратному включению, когда полярность источника напряжения меняется на противоположную (минус на аноде, плюс на катоде). В этом случае внешнее поле увеличивает высоту потенциального барьера, препятствуя движению основных носителей заряда. Через диод протекает лишь очень малый обратный ток насыщения ($I_s$), который обусловлен движением неосновных носителей заряда, генерируемых в полупроводнике из-за тепловых колебаний. Этот ток очень мал (единицы нано- или микроампер) и почти не зависит от величины обратного напряжения. Однако при достижении определенного критического значения, называемого напряжением пробоя ($U_{проб}$), происходит резкое увеличение обратного тока. Это явление (лавинный или туннельный пробой) обычно приводит к разрушению диода, если он не предназначен для работы в этом режиме (как стабилитроны).

Характер этой кривой объясняется физическими процессами, происходящими в p-n переходе:

При прямом смещении внешнее электрическое поле направлено навстречу внутреннему полю обедненного слоя. Это приводит к уменьшению высоты потенциального барьера и сужению обедненной области. В результате основные носители заряда получают возможность преодолевать барьер и создавать значительный прямой ток.

При обратном смещении внешнее поле совпадает по направлению с внутренним, что увеличивает высоту потенциального барьера и расширяет обедненную область. Это практически полностью блокирует движение основных носителей заряда. Малый обратный ток создается только неосновными носителями, которые "скатываются" по этому увеличенному барьеру.

Нелинейность и асимметрия являются следствием этих процессов. Экспоненциальный рост тока в прямом направлении и его практическое отсутствие (до пробоя) в обратном направлении делают ВАХ диода сильно асимметричной. Именно это свойство — очень низкое сопротивление в одном направлении и очень высокое в другом — позволяет использовать диоды в качестве электрических вентилей, например, для выпрямления переменного тока.

Ответ: Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода представляет собой нелинейную кривую, состоящую из двух асимметричных ветвей. Прямая ветвь показывает экспоненциальный рост тока при приложении прямого напряжения (плюс к аноду), когда оно превышает пороговое значение (для кремния ~0.7 В). Обратная ветвь показывает очень малый, почти постоянный обратный ток при приложении обратного напряжения (минус к аноду) вплоть до напряжения пробоя, при котором ток резко возрастает. Такой характер кривой обусловлен свойствами p-n перехода: при прямом смещении потенциальный барьер снижается, что позволяет протекать большому току основных носителей заряда, а при обратном смещении барьер увеличивается, и ток определяется лишь малым потоком неосновных носителей, что обеспечивает одностороннюю проводимость диода.