Меню

Схема зависимости обратного тока диода от напряжения

Принцип работы диода. Вольт-амперная характеристика. Пробои p-n перехода.

05 Июн 2013г | Раздел: Радио для дома

Здравствуйте уважаемые читатели сайта sesaga.ru. В первой части статьи мы с Вами разобрались, что такое полупроводник и как возникает в нем ток. Сегодня мы продолжим начатую тему и поговорим о принципе работы полупроводниковых диодов.

Диод – это полупроводниковый прибор с одним p-n переходом, имеющий два вывода (анод и катод), и предназначенный для выпрямления, детектирования, стабилизации, модуляции, ограничения и преобразования электрических сигналов.

По своему функциональному назначению диоды подразделяются на выпрямительные, универсальные, импульсные, СВЧ-диоды, стабилитроны, варикапы, переключающие, туннельные диоды и т.д.

Полупроводниковые диоды

Теоретически мы знаем, что диод в одну сторону пропускает ток, а в другую нет. Но как, и каким образом он это делает, знают и понимают не многие.

Схематично диод можно представить в виде кристалла состоящего из двух полупроводников (областей). Одна область кристалла обладает проводимостью p-типа, а другая — проводимостью n-типа.

Диод в виде кристалла полупроводника

На рисунке дырки, преобладающие в области p-типа, условно изображены красными кружками, а электроны, преобладающие в области n-типа — синими. Эти две области являются электродами диода анодом и катодом:

Анод – положительный электрод диода, в котором основными носителями заряда являются дырки.

Катод – отрицательный электрод диода, в котором основными носителями заряда являются электроны.

На внешние поверхности областей нанесены контактные металлические слои, к которым припаяны проволочные выводы электродов диода. Такой прибор может находиться только в одном из двух состояний:

1. Открытое – когда он хорошо проводит ток;
2. Закрытое – когда он плохо проводит ток.

Прямое включение диода. Прямой ток.

Если к электродам диода подключить источник постоянного напряжения: на вывод анода «плюс» а на вывод катода «минус», то диод окажется в открытом состоянии и через него потечет ток, величина которого будет зависеть от приложенного напряжения и свойств диода.

Прямое включение диода

При такой полярности подключения электроны из области n-типа устремятся навстречу дыркам в область p-типа, а дырки из области p-типа двинутся навстречу электронам в область n-типа. На границе раздела областей, называемой электронно-дырочным или p-n переходом, они встретятся, где происходит их взаимное поглощение или рекомбинация.

Например. Oсновные носители заряда в области n-типа электроны, преодолевая p-n переход попадают в дырочную область p-типа, в которой они становятся неосновными. Ставшие неосновными, электроны будут поглощаться основными носителями в дырочной области – дырками. Таким же образом дырки, попадая в электронную область n-типа становятся неосновными носителями заряда в этой области, и будут также поглощаться основными носителями – электронами.

Контакт диода, соединенный с отрицательным полюсом источника постоянного напряжения будет отдавать области n-типа практически неограниченное количество электронов, пополняя убывание электронов в этой области. А контакт, соединенный с положительным полюсом источника напряжения, способен принять из области p-типа такое же количество электронов, благодаря чему восстанавливается концентрация дырок в области p-типа. Таким образом, проводимость p-n перехода станет большой и сопротивление току будет мало, а значит, через диод будет течь ток, называемый прямым током диода Iпр.

Обратное включение диода. Обратный ток.

Поменяем полярность источника постоянного напряжения – диод окажется в закрытом состоянии.

Обратное включение диода

В этом случае электроны в области n-типа станут перемещаться к положительному полюсу источника питания, отдаляясь от p-n перехода, и дырки, в области p-типа, также будут отдаляться от p-n перехода, перемещаясь к отрицательному полюсу источника питания. В результате граница областей как бы расширится, отчего образуется зона обедненная дырками и электронами, которая будет оказывать току большое сопротивление.

Но, так как в каждой из областей диода присутствуют неосновные носители заряда, то небольшой обмен электронами и дырками между областями происходить все же будет. Поэтому через диод будет протекать ток во много раз меньший, чем прямой, и такой ток называют обратным током диода (Iобр). Как правило, на практике, обратным током p-n перехода пренебрегают, и отсюда получается вывод, что p-n переход обладает только односторонней проводимостью.

Прямое и обратное напряжение диода.

Напряжение, при котором диод открывается и через него идет прямой ток называют прямым (Uпр), а напряжение обратной полярности, при котором диод закрывается и через него идет обратный ток называют обратным (Uобр).

При прямом напряжении (Uпр) сопротивление диода не превышает и нескольких десятков Ом, зато при обратном напряжении (Uобр) сопротивление возрастает до нескольких десятков, сотен и даже тысяч килоом. В этом не трудно убедиться, если измерить обратное сопротивление диода омметром.

Сопротивление p-n перехода диода величина не постоянная и зависит от прямого напряжения (Uпр), которое подается на диод. Чем больше это напряжение, тем меньшее сопротивление оказывает p-n переход, тем больший прямой ток Iпр течет через диод. В закрытом состоянии на диоде падает практически все напряжение, следовательно, обратный ток, проходящий через него мал, а сопротивление p-n перехода велико.

Например. Если включить диод в цепь переменного тока, то он будет открываться при положительных полупериодах на аноде, свободно пропуская прямой ток (Iпр), и закрываться при отрицательных полупериодах на аноде, почти не пропуская ток противоположного направления – обратный ток (Iобр). Эти свойства диодов используют для преобразования переменного тока в постоянный, и такие диоды называют выпрямительными.

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода.

Зависимость тока, проходящего через p-n переход, от величины и полярности приложенного к нему напряжения изображают в виде кривой, называемой вольт-амперной характеристикой диода.

На графике ниже изображена такая кривая. По вертикальной оси в верхней части обозначены значения прямого тока (Iпр), а в нижней части — обратного тока (Iобр).
По горизонтальной оси в правой части обозначены значения прямого напряжения Uпр, а в левой части – обратного напряжения (Uобр).

Вольт-амперная характеристика состоит как бы из двух ветвей: прямая ветвь, в правой верхней части, соответствует прямому (пропускному) току через диод, и обратная ветвь, в левой нижней части, соответствующая обратному (закрытому) току через диод.

Вольт-амперная характеристика диода

Прямая ветвь идет круто вверх, прижимаясь к вертикальной оси, и характеризует быстрый рост прямого тока через диод с увеличением прямого напряжения.
Обратная ветвь идет почти параллельно горизонтальной оси и характеризует медленный рост обратного тока. Чем круче к вертикальной оси прямая ветвь и чем ближе к горизонтальной обратная ветвь, тем лучше выпрямительные свойства диода. Наличие небольшого обратного тока является недостатком диодов. Из кривой вольт-амперной характеристики видно, что прямой ток диода (Iпр) в сотни раз больше обратного тока (Iобр).

При увеличении прямого напряжения через p-n переход ток вначале возрастает медленно, а затем начинается участок быстрого нарастания тока. Это объясняется тем, что германиевый диод открывается и начинает проводить ток при прямом напряжении 0,1 – 0,2В, а кремниевый при 0,5 – 0,6В.

Например. При прямом напряжении Uпр = 0,5В прямой ток Iпр равен 50mA (точка «а» на графике), а уже при напряжении Uпр = 1В ток возрастает до 150mA (точка «б» на графике).

Но такое увеличение тока приводит к нагреванию молекулы полупроводника. И если количество выделяемого тепла будет больше отводимого от кристалла естественным путем, либо с помощью специальных устройств охлаждения (радиаторы), то в молекуле проводника могут произойти необратимые изменения вплоть до разрушения кристаллической решетки. Поэтому прямой ток p-n перехода ограничивают на уровне, исключающем перегрев полупроводниковой структуры. Для этого используют ограничительный резистор, включенный последовательно с диодом.

У полупроводниковых диодов величина прямого напряжения Uпр при всех значениях рабочих токов не превышает:
для германиевых — 1В;
для кремниевых — 1,5В.

При увеличении обратного напряжения (Uобр), приложенного к p-n переходу, ток увеличивается незначительно, о чем говорит обратная ветвь вольтамперной характеристики.
Например. Возьмем диод с параметрами: Uобр max = 100В, Iобр max = 0,5 mA, где:

Читайте также:  Гармонический ток в резисторе

Uобр max – максимальное постоянное обратное напряжение, В;
Iобр max – максимальный обратный ток, мкА.

При постепенном увеличении обратного напряжения до значения 100В видно, как незначительно растет обратный ток (точка «в» на графике). Но при дальнейшем увеличении напряжения, свыше максимального, на которое рассчитан p-n переход диода, происходит резкое увеличение обратного тока (пунктирная линия), нагрев кристалла полупроводника и, как следствие, наступает пробой p-n перехода.

Пробои p-n перехода.

Пробоем p-n перехода называется явление резкого увеличения обратного тока при достижении обратным напряжением определенного критического значения. Различают электрический и тепловой пробои p-n перехода. В свою очередь, электрический пробой разделяется на туннельный и лавинный пробои.

Пробои p-n переходов диода

Электрический пробой.

Электрический пробой возникает в результате воздействия сильного электрического поля в p-n переходе. Такой пробой является обратимый, то есть он не приводит к повреждению перехода, и при снижении обратного напряжения свойства диода сохраняются. Например. В таком режиме работают стабилитроны – диоды, предназначенные для стабилизации напряжения.

Туннельный пробой.

Туннельный пробой происходит в результате явления туннельного эффекта, который проявляется в том, что при сильной напряженности электрического поля, действующего в p-n переходе малой толщины, некоторые электроны проникают (просачиваются) через переход из области p-типа в область n-типа без изменения своей энергии. Тонкие p-n переходы возможны только при высокой концентрации примесей в молекуле полупроводника.

В зависимости от мощности и назначения диода толщина электронно-дырочного перехода может находиться в пределах от 100 нм (нанометров) до 1 мкм (микрометр).

Для туннельного пробоя характерен резкий рост обратного тока при незначительном обратном напряжении – обычно несколько вольт. На основе этого эффекта работают туннельные диоды.

Благодаря своим свойствам туннельные диоды используются в усилителях, генераторах синусоидальных релаксационных колебаний и переключающих устройствах на частотах до сотен и тысяч мегагерц.

Лавинный пробой.

Лавинный пробой заключается в том, что под действием сильного электрического поля неосновные носители зарядов под действием тепла в p-n переходе ускоряются на столько, что способны выбить из атома один из его валентных электронов и перебросить его в зону проводимости, образовав при этом пару электрон — дырка. Образовавшиеся носители зарядов тоже начнут разгоняться и сталкиваться с другими атомами, образуя следующие пары электрон – дырка. Процесс приобретает лавинообразный характер, что приводит к резкому увеличению обратного тока при практически неизменном напряжении.

Диоды, в которых используется эффект лавинного пробоя используются в мощных выпрямительных агрегатах, применяемых в металлургической и химической промышленности, железнодорожном транспорте и в других электротехнических изделиях, в которых может возникнуть обратное напряжение выше допустимого.

Тепловой пробой.

Тепловой пробой возникает в результате перегрева p-n перехода в момент протекания через него тока большого значения и при недостаточном теплоотводе, не обеспечивающем устойчивость теплового режима перехода.

При увеличении приложенного к p-n переходу обратного напряжения (Uобр) рассеиваемая мощность на переходе растет. Это приводит к увеличению температуры перехода и соседних с ним областей полупроводника, усиливаются колебания атомов кристалла, и ослабевает связь валентных электронов с ними. Возникает вероятность перехода электронов в зону проводимости и образования дополнительных пар электрон — дырка. При плохих условиях теплоотдачи от p-n перехода происходит лавинообразное нарастание температуры, что приводит к разрушению перехода.

На этом давайте закончим, а в следующей части рассмотрим устройство и работу выпрямительных диодов, диодного моста.
Удачи!

1. Борисов В.Г — Юный радиолюбитель. 1985г.
2. Горюнов Н.Н. Носов Ю.Р — Полупроводниковые диоды. Параметры, методы измерений. 1968г.

Источник

Характеристики и параметры полупроводникового диода

рис 1.25Вольт-амперная характеристика (ВАХ) полупроводникового Вольт-амперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода на постоянном токе (статическая характеристика).

Вольт-амперная характеристика — это зависимость тока i, протекающего через диод, от напряжения u , приложенного к диоду (рис. 1.25). Вольт-амперной характеристикой называют и график этой зависимости.

Вначале будем полагать (см. рис. 1.25), что обратное напряжение (u u /φr- 1)

Тепловой ток is обусловлен генерацией неосновных носителей в областях, прилегающих к области p-n-перехода. Однако часто это идеализированное описание дает неприемлемую погрешность. Особенно большая погрешность возникает при вычислении тока диода, включенного в обратном направлении (U > (φт)) для кремниевых диодов оказывается на несколько порядков меньше реального. В то же время стоит отметить, что в некоторых расчетах обратным током вообще можно пренебречь.

Укажем причины отличия характеристик реальных диодов от идеализированных. Обратимся к прямой ветви вольт-амперной характеристики диода (u> 0,i> 0). Она отличается от идеализированной из-за того, что в реальном случае на нее влияют:

  • сопротивления слоев полупроводника (особенно базы);
  • сопротивления контактов металл-полупроводник.

Важно отметить, что сопротивление базы может существенно зависеть от уровня инжекции (уровень инжекции показывает, как соотносится концентрация инжектированных неосновных носителей в базе на границе перехода с концентрацией основных носителей в базе). Влияние указанных сопротивлений приводит к тому, что напряжение на реальном диоде при заданном токе несколько больше (обычно на доли вольта), чем это следует из формулы.

Обратимся к обратной ветви (u рис 1.26 рис 1.27

Обратимся к режиму пробоя полупроводникового диода и соответствующему участку обратной ветви вольт-амперной характеристики (на рис. 1.27 этот участок не показан).

Диоды многих конкретных типономиналов не предназначены для работы в режиме пробоя. Для них этот режим работы — аварийный. Если при пробое ток в цепи не ограничивается (например, внешним сопротивлением), то диод выходит из строя. В таких приборах при чрезмерном увеличении обратного напряжения (по модулю) практически сразу же начинается тепловой пробой (участок электрического пробоя практически отсутствует).

рис 1.28 1.29

Напряжение начала пробоя для рассматриваемых диодов — величина нестабильная (пробой начинается при u= -u роб, где uпроб— так называемое напряжение пробоя — положительная величина). Изобразим соответствующую вольт-амперную характеристику (рис. 1.28).

Диоды некоторых конкретных типов спроектированы с расчетом на работу в режиме лавинного пробоя в течение некоторого короткого времени. Такие диоды называют лавинными. Если отрезок времени, в течение которого диод находится в режиме лавинного пробоя, невелик, то его p-n-переход не успевает перегреться и диод не выходит из строя.

Иначе лавинный пробой перейдет в тепловой и диод выйдет из строя.

Изобразим вольт-амперную характеристику для лавинного диода (рис. 1.29).

Лавинные диоды, как правило, более надежны в сравнении с обычными кратковременные (перенапряжения не выводят лавинный диод из строя).

Для некоторых конкретных типов диодов режим пробоя является основным рабочим режимом. Это так называемые стабилитроны, рассматриваемые ниже.

Зависимость барьерной емкости диода от напряжения.

рис 1.30 1.31

Приведем график зависимости общей емкости Сд кремниевого диода 2Д212А от обратного напряжения (основной вклад в общую емкость вносит барьерная емкость) (рис. 1.30).

Для этого диода максимальный постоянный (средний) прямой ток — 1 А, максимальное постоянное (импульсное) обратное напряжение — 200 В.

Временные диаграммы тока и напряжения диода при его переключении.

Обратимся к схеме на рис. 1.31. Предполагается, что вначале ключ К подключает источник напряжения u1, а затем, в момент времени t = 0, источник напряжения u2.

рис 1.32

Предполагается также, что напряжения u1 и u2 значительно больше прямого падения напряжения на диоде. Изобразим соответствующие временные диаграммы (рис. 1.32).

До момента времени t = 0 протекает ток i1, который с учетом принятого условия u1>>u определяется выражением i1=u1/R/ Сразу после переключения ключа К и в течение так называемого времени рассасывания tрас протекает ток i2, который ограничивается практически только сопротивлением R, т. е. i2= — (u1/R). В этот отрезок времени в базе диода уменьшается (рассасывается) заряд накопленных при протекании тока неравновесных носителей. Заряд уменьшается в результате рекомбинации и перехода неосновных носителей в эмиттер.

По истечении времени tpac концентрация неосновных носителей в базе на границе p-n-перехода становится равной равновесной. В глубине же базы неравновесный заряд еще существует. Длительность времени рассасывания прямо пропорциональна среднему времени жизни неосновных носителей в базе и зависит от соотношения токов i1 и i2 (чем больше по модулю ток i2, тем меньше, при заданном токе i1, время рассасывания).

Читайте также:  Как происходит управление выходным током полевого транзистора

В момент времени t1 напряжение на диоде начинает быстро возрастать по модулю, а ток i уменьшаться по модулю (спадать). Соответствующий отрезок времени tcп называют временем спада. Время спада отсчитывают до того момента t2 которому соответствует достаточно малое (по модулю) значение тока i3.

Время спада зависит от времени жизни носителей, а также от барьерной емкости диода и от сопротивления R схемы.

Чем больше указанные емкость и сопротивление R, тем медленнее спадает ток.

Отрезок времени tвос = tpac + tcп называется временем восстановления (временем обратного восстановления).

После завершения переходного процесса (момент времени t3) через диод течет ток iобр ycm — обратный ток в установившемся режиме (определяемый по статической вольт-амперной характеристике диода).

Для упомянутого выше диода 2Д212А типовое время восстановления — 150 нc (150 · 10

9 с) при i1 = 2 А (импульсный ток) и i2 = 0,2 А.

Параметры диодов.

Для того, чтобы количественно охарактеризовать диоды, используют большое количество (измеряемое десятками) различных параметров. Некоторые параметры характеризуют диоды самых различных подклассов.

Другие же характеризуют специфические свойства диодов только конкретных подклассов.

Укажем наиболее широко используемые параметры, применяемые к диодам различных подклассов:

Iпр макс — максимально допустимый постоянный прямой ток;

Uпp — постоянное прямое напряжение, соответствующее заданному току;

Uобр макс — максимально допустимое обратное напряжение диода (положительная величина);

Iобр макс — максимально допустимый постоянный обратный ток диода (положительная величина; если реальный ток больше, чем Iобр макс , то диод считается непригодным к использованию);

Rдиф — дифференциальное сопротивление диода (при заданном режиме работы).

В настоящее время существуют диоды, предназначенные для работы в очень широком диапазоне токов и напряжений. Для наиболее мощных диодов Iпр макс составляет килоамперы, a Uобр макс — киловольты.

Источник



Зависимость тока от напряжения при обратном включении определяется по формуле

Обратный ток почти не зависит от приложенного к p–n-переходу напряжения до определенного предела, после которого он начнет возрастать из-за генерации носителей заряда в области границы разнотипных полупроводников. При увеличении температуры и обратный ток, и прямой ток возрастают, причем обратный ток увеличивается гораздо быстрее прямого тока. При уменьшении температуры существенного снижения токов не происходит.

Изобразим полученные результаты на одном графике (рис. 1.7).

Рис. 1.7

Первый квадрант соответствует участку прямой ветви вольт-амперной характеристики, а третий квадрант – обратной ветви. При увеличении прямого напряжения ток р–n- перехода в прямом направлении вначале возрастает относительно медленно, а затем начинается участок быстрого нарастания прямого тока, что приводит к дополнительному нагреванию полупроводниковой структуры. Если количество выделяемого при этом тепла будет превышать количество тепла, отводимого от полупроводникового кристалла либо естественным путем, либо с помощью специальных устройств охлаждения, то могут произойти в полупроводниковой структуре необратимые изменения вплоть до разрушения кристаллической решетки. Поэтому прямой ток р–n-перехода необходимо ограничивать на безопасном уровне, исключающем перегрев полупроводниковой структуры. Для этого необходимо использовать ограничительное сопротивление последовательно подключенное с p–n-переходом.

При увеличении обратного напряжения, приложенного к р–n-переходу, обратный ток изменяется незначительно, так как дрейфовая составляющая тока, являющаяся превалирующей при обратном включении, зависит в основном от температуры кристалла, а увеличение обратного напряжения приводит лишь к увеличению скорости дрейфа неосновных носителей без изменения их количества. Такое положение будет сохраняться до величины обратного напряжения, при котором начинается интенсивный рост обратного тока – так называемый пробой р–n-перехода.

Возможны обратимые и необратимые пробои. Обратимый пробой – это пробой, после которого p–n-переход сохраняет работоспособность. Необратимый пробой ведет к разрушению структуры полупроводника.

Существуют четыре типа пробоя: лавинный, туннельный, тепловой и поверхностный. Лавинный и туннельный пробои объединяются под названием – электрический пробой, который является обратимым.

В полупроводниках с узким p–n-переходом (что обеспечивается высокой концентрацией примесей) возникает туннельный пробой, связанный с туннельным эффектом, когда под воздействием очень сильного поля носители заряда могут переходить из одной области в другую без затрат энергии (туннелировать через p–n-переход). Туннельный пробой наблюдается при обратном напряжении порядка нескольких вольт (до 10 В).

В полупроводниках с широким p–n-переходом может произойти лавинный пробой. Его механизм состоит в том, что в сильном электрическом поле может возникнуть ударная ионизация атомов p–n-перехода. Носители заряда на длине свободного пробега приобретают кинетическую энергию, достаточную для того, чтобы при столкновении с атомом кристаллической решетки полупроводника выбить из ковалентных связей электроны. Образовавшаяся при этом пара свободных носителей заряда «электрон-дырка» тоже примет участие в ударной ионизации. Процесс нарастает лавинообразно и приводит к значительному возрастанию обратного тока. Пробивное напряжение лавинного пробоя составляет десятки и сотни вольт.

К необратимым пробоям относят тепловой и поверхностный пробои.

Тепловой пробой возникает тогда, когда мощность, выделяемая в p–n-переходе при прохождении через него обратного тока, превышает мощность, которую способен рассеять p–n-переход. Происходит значительный перегрев перехода, и обратный ток, который является тепловым, резко возрастает, а перегрев – увеличивается. Это приводит к лавинообразному увеличению тока, в результате чего и возникает тепловой пробой p–n-перехода.

Распределение напряженности электрического поля в р–n-переходе может существенно изменить заряды, имеющиеся на поверхности полупроводника. Поверхностный заряд может привести к увеличению или уменьшению толщины перехода, в результате чего на поверхности перехода может наступить пробой при напряженности поля, меньшей той, которая необходима для возникновения пробоя в толще полупроводника. Это явление называют поверхностным пробоем. Большую роль при возникновении поверхностного пробоя играют диэлектрические свойства среды, граничащей с поверхностью полупроводника. Для снижения вероятности поверхностного пробоя применяют специальные защитные покрытия с высокой диэлектрической постоянной.

Вентильные свойства электронно-дырочного перехода.

P–n-переход, обладает свойством изменять свое электрическое сопротивление в зависимости от направления протекающего через него тока. Это свойство называется вентильным, а прибор, обладающий таким свойством, называется электрическим вентилем.

Рассмотрим p–n-переход, к которому подключен внешний источник напряжения Uвн с полярностью, указанной на рис. 1.8 «+» к области p-типа, «–» к области n-типа (прямое включение).

Тогда напряженность электрического поля внешнего источника Евн будет направлена навстречу напряженности поля потенциального барьера Е и, следовательно, приведет к снижению результирующей напряженности Ерез:

Это приведет, в свою очередь, к снижению высоты потенциального барьера и увеличению количества основных носителей, диффундирующих через границу раздела в соседнюю область, которые образуют так называемый прямой ток p–n-перехода. При этом вследствие уменьшения тормозящего, отталкивающего действия поля потенциального барьера на основные носители, ширина запирающего слоя d уменьшается (d¢ d ), а его сопротивление резко возрастает.

Рис. 1.10

Теперь через р–n-переход будет протекать очень маленький ток, обусловленный перебросом суммарным электрическим полем на границе раздела, неосновных носителей, возникающих под действием различных ионизирующих факторов, в основном теплового характера. Процесс переброса неосновных носителей заряда называется экстракцией. Этот ток имеет дрейфовую природу и называется обратным током р–n-перехода.

На рис. 1.11 изображена зонная энергетическая диаграмма, соответствующая обратному смещению p–n- перехода.

Рис. 1.11

1. p–n-переход образуется на границе p— и n-областей, созданных в монокристалле полупроводника.

2. В результате диффузии в p–n-переходе возникает электрическое поле — потенциальный барьер, препятствующий выравниванию концентраций основных носителей заряда в соседних областях.

3. При отсутствии внешнего напряжения Uвн в p–n-переходе устанавливается динамическое равновесие: диффузионный ток становится равным по величине дрейфовому току, образованному неосновными носителями заряда, в результате чего ток через p–n-переход становится равным нулю.

4. При прямом смещении p–n-перехода потенциальный барьер понижается и через переход протекает относительно большой диффузионный ток.

5. При обратном смещении p–n-перехода потенциальный барьер повышается, диффузионный ток уменьшается до нуля и через переход протекает малый по величине дрейфовый ток.

Читайте также:  Как найти входное напряжение в цепи переменного тока

Это говорит о том, что p–n-переход обладает односторонней проводимостью. Данное свойство широко используется для выпрямления переменных токов.

Ширина p–n-перехода зависит: от концентраций примеси в p— и n-областях, от знака и величины приложенного внешнего напряжения Uвн. При увеличении концентрации примесей ширина p–n-перехода уменьшается и наоборот. С увеличением прямого напряжения ширина p–n-перехода уменьшается. При увеличении обратного напряжения ширина p–n-перехода увеличивается.

Выпрямительные диоды, стабилитроны: схемы включения, основные характеристики, назначение.

Полупроводниковый диод – это полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом и двумя выводами, в котором используется то или иное свойство выпрямляющего электрического перехода.

Электрический переход чаще всего образуется между двумя полупроводниками с разным типом примесной электропроводности (p— и n-типа), одна из областей (низкоомная) является эмиттером, другая (высокоомная) – базой. Структура диода и условное обозначение в схемах выпрямительного диода показаны на рис. 1.12.

Выпрямительный диод – это полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования переменного тока в постоянный.

Рис. 1.12

Выпрямительные диоды также используются в цепях управления и коммутации, в ограничительных и развязывающих цепях, в схемах умножения напряжения и преобразователях постоянного напряжения, где не предъявляются высокие требования к частотным и временным параметрам сигналов.

Конструктивно выпрямительные диоды оформляются в металлических, пластмассовых или керамических корпусах в виде дискретных элементов либо в виде диодных сборок, к примеру, диодных мостов выполненных в едином корпусе.

Выпрямительные диоды должны иметь как можно меньшую величину обратного тока, что определяется концентрацией неосновных носителей заряда или, в конечном счете, степенью очистки исходного полупроводникового материала. Типовая вольт-амперная характеристика выпрямительного диода описывается уравнением

и имеет вид, изображенный на рис. 1.13.

Рис. 1.13

По вольт-амперной характеристике выпрямительного диода можно определить следующие основные параметры, влияющие на его работу.

1. Номинальный средний прямой ток Iпр ср ном– среднее значение тока, проходящего через открытый диод и обеспечивающего допустимый его нагрев при номинальных условиях охлаждения.

2. Номинальное среднее прямое напряжение Uпр ср ном– среднее значение прямого напряжения на диоде при протекании номинального среднего прямого тока. Этот параметр является очень важным для обеспечения параллельной работы нескольких диодов в одной электрической цепи.

3. Напряжение отсечки Uо , определяемое точкой пересечения линейного участка прямой ветви вольт-амперной характеристики с осью напряжений.

4. Пробивное напряжение Uпроб – обратное напряжение на диоде, соответствующее началу участка пробоя на вольт-амперной характеристике, когда она претерпевает излом в сторону резкого увеличения обратного тока.

5. Номинальное обратное напряжение Uобр ном– рабочее обратное напряжение на диоде. Его значение для отечественных приборов составляет 0,5Uпроб . Этот параметр используется для обеспечения последовательного включения нескольких диодов в одну электрическую цепь.

6. Номинальное значение обратного тока Iобр ном– величина обратного тока диода при приложении к нему номинального обратного напряжения.

7. Статическое сопротивление диода

Дата добавления: 2018-02-28 ; просмотров: 830 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник

Экспоненциальная зависимость тока от напряжения у диодов при прямом смещении

Данная статья предоставляет основную информацию об электрическом поведении диодов, смещенных в прямом направлении.

Эта статья объясняет экспоненциальную вольт-амперную характеристику (ВАХ) диодов, концепцию «порогов» и влияние температуры на ВАХ.

Связь между током и напряжением у диода

Когда вы прикладываете напряжение к двум выводам диода с более высоким напряжением на стороне анода и более низким напряжением на стороне катода, начинает протекать прямой ток (то есть ток от анода к катоду). Если напряжение увеличивается, будет увеличиваться и прямой ток, и в этом случае диод будет похож на резистор: большее напряжение приводит к большему току.

Однако если мы внимательно посмотрим на то, как увеличивается ток, мы увидим, что диоды сильно отличаются от резисторов. Если мы будем постоянно увеличивать напряжение на резисторе, мы получим неуклонно увеличивающийся ток. При использовании диода, напротив, постоянно увеличивающееся напряжение будет создавать ток, который сначала увеличивается медленно, затем быстрее и, в конечном итоге, очень быстро.

Это происходит потому, что связь между прямым напряжением диода и его прямым током является экспоненциальной, а не линейной.

На следующем графике зависимости тока диода (Iд) от напряжения диода (Vд) показана экспоненциальная вольт-амперная характеристика типового кремниевого диода.

Рисунок 1 Вольт-амперная характеристика диода Рисунок 1 – Вольт-амперная характеристика диода

Как вы можете видеть, прямой ток практически не протекает, когда прямое напряжение ниже 0,5 В. Это область, в которой ток медленно увеличивается относительно роста напряжения.

Переходная область, в которой скорости изменения напряжения и тока более сопоставимы, начинается с около 0,5 В. Однако эта переходная область довольно узкая, и к тому времени, когда Vд достигает 0,7 В, ток диода увеличивается так быстро, что очень маленькие изменения прямого напряжения создают большие изменения прямого тока.

«Пороги» прямого напряжения

Как показано на графике выше, связь между током и напряжением диода не является дискретной. Эта связь экспоненциальна, а не линейна; ток плавно увеличивается от нуля до больших значений. Таким образом, если мы интерпретируем «порог» как своего рода мгновенный переход из одного состояния (например, «непроводящий») в другое состояние (например, «проводящий»), то в электрическом поведении диода нет настоящих «порогов».

При этом экспоненциальный характер ВАХ диода приводит к значениям напряжения, которые в контексте практических инженерных задач очень похожи на пороговые значения. Таким образом, часто бывает удобно говорить о двух напряжениях, обозначенных на диаграмме ниже, как если бы они были пороговыми.

Рисунок 2 Пороговые напряжения диода Рисунок 2 – Пороговые напряжения диода

Первый порог, 0,5 В, определяет переход от незначительно малого тока к не незначительно малому току. Таким образом, когда мы обсуждаем практические схемы вместо точных научных подробностей, мы можем сказать, что обычный кремниевый диод не позволяет току течь, пока прямое напряжение не превысит 0,5 В.

Второй порог, 0,7 В, определяет точку, в которой наклон кривой ВАХ стал чрезвычайно высоким; мы можем использовать 0,7 В в качестве аппроксимации напряжения, падающего на кремниевом диоде в режиме полной проводимости, поскольку напряжения, значительно превышающие 0,7 В, соответствуют очень большим значениям тока.

Маломощные и мощные диоды

Графики, показанные выше, передают общую зависимость тока от напряжения у кремниевого диода с pn-переходом, но не указывают точные значения тока. Они не говорят нам, какой прямой ток протекает, когда прямое напряжение диода составляет, например, 0,5 В или 0,7 В. А это необходимо, потому что точное числовое соотношение между прямым напряжением и прямым током зависит от физических размеров диода.

Если более конкретно, то площадь поперечного сечения pn-перехода сильно влияет на величину прямого тока, который протекает при заданном прямом напряжении. Таким образом, у физически маленького диода, который предназначен для приложений с низким энергопотреблением, прямой ток может составлять 5 мА, когда прямое напряжение на нем равно 0,7 В, а более крупный диод, предназначенный для приложений с высоким энергопотреблением, может иметь Iд = 500 мА при Vд = 0,7 В.

Температурная зависимость ВАХ

Другим фактором, который влияет на точное числовое соотношение между прямым напряжением и прямым током, является температура. Значение напряжения, которое соответствует данному значению тока, с понижением температуры увеличивается. Другими словами, если схема поддерживает ток диода, скажем, 15 мА, падение напряжения на диоде при 10°C будет выше, чем падение напряжения на 20°C.

Следующая диаграмма показывает эту температурную зависимость в виде горизонтального сдвига ВАХ.

Рисунок 3 График ВАХ диода сдвигается примерно на 2 мВ на градус Цельсия Рисунок 3 – График ВАХ диода сдвигается примерно на 2 мВ на градус Цельсия

Заключение

Надеюсь, что эта статья помогла вам понять взаимосвязь между напряжением прямого смещения, приложенным к диоду, и током, который протекает в ответ на это приложенное напряжение.

В следующей статье мы продолжим эту тему, рассматривая диоды с прямым смещением в контексте анализа цепей.

Источник