Rich--house.ru

Строительный журнал Rich—house.ru
7 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

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

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

Ознакомиться с основными фотометрическими величинами; ознакомиться с принципом работы фотометра; проверить выполнение закона Ламберта для источника света

Общие сведения

Полупроводниковые диоды и стабилитроны

Выпрямительные диоды и стабилитроны представляют собой полупроводниковые приборы с одним электронно-дырочным переходом (p–n-переходом).

Одним из свойств p–n-перехода является способность изменять свое сопротивление в зависимости от полярности напряжения внешнего источника. Причем разница сопротивлений при прямом и обратном направлениях тока через p–n-переход может быть настолько велика, что в ряде случаев, например для силовых диодов, можно считать, что ток протекает через диод только в одном направлении – прямом, а в обратном направлении ток настолько мал, что им можно пренебречь. Прямое направление – это когда электрическое поле внешнего источника направлено навстречу электрическому полю p–n- перехода, а обратное – когда направления этих электрических полей совпадают. Полупроводниковые диоды, использующие вентильное свойство p–n-перехода, называются выпрямительными диодами и широко используются в различных устройствах для выпрямления переменного тока.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) идеализированного p–n-перехода описывается известным уравнением

где (I_0) – обратный ток p–n-перехода; (q) – заряд электрона (q=1,6cdot 10^<-19> Кл); (k) – постоянная Больцмана (k = 1,38⋅10^ <-23>Джcdot град); (T) – температура в градусах Кельвина.

Графическое изображение этой зависимости представлено на рис. 1.1.

Вольт-амперная характеристика имеет явно выраженную нелинейность, что предопределяет зависимость сопротивления диода от положения рабочей точки.

Различают сопротивление статическое (R_<ст>) и динамическое (R_<дин>). Статическое сопротивление (R_<ст>), например в точке А (рис. 1.1), определяется как отношение напряжения (U_A) и тока (I_A), соответствующих этой точке: (R_ <ст>= frac = tg)

Динамическое сопротивление определяется как отношение приращений напряжения и тока (рис. 1.1): (R_ <дин>= frac);

При малых значениях отклонений (∆U) и (ΔI) можно пренебречь нелинейностью участка АВ характеристики и считать его гипотенузой прямоугольного треугольника АВС, тогда (R_ <дин>= tgβ).

Если продолжить линейный участок прямой ветви вольт-амперной характеристики до пересечения с осью абсцисс, то получим точку (U_0) – напряжение отсечки, которое отделяет начальный пологий участок характеристики, где динамическое сопротивление (R_<дин>) сравнительно велико от круто изменяющегося участка, где (R_<дин>) мало.

При протекании через диод прямого тока полупроводниковая структура нагревается, и если температура превысит при этом предельно допустимое значение, то произойдет разрушение кристаллической решетки полупроводника и диод выйдет из строя. Поэтому величина прямого тока диода ограничивается предельно допустимым значением (I_<пр.max>) при заданных условиях охлаждения.

Если увеличивать напряжение, приложенное в обратном направлении к диоду, то сначала обратный ток будет изменяться незначительно, а затем при определенной величине (U_<проб>) начнется его быстрое увеличение (рис. 1.2), что говорит о наступлении пробоя p–n-перехода. Существуют несколько видов пробоя p–n-перехода в зависимости от концентрации примесей в полупроводнике, от ширины p–n-перехода и температуры:

  • обратимый (электрический пробой);
  • необратимые (тепловой и поверхностный пробои).

Необратимый пробой для полупроводникового прибора является нерабочим и недопустимым режимом.

Поэтому в паспортных данных диода всегда указывается предельно допустимое обратное напряжение (U_<проб>) (напряжение лавинообразования), соответствующее началу пробоя p–n-перехода. Обратное номинальное значение напряжения составляет обычно (0,5 U_<проб>) и определяет класс прибора по напряжению. Так, класс 1 соответствует 100 В обратного напряжения, класс 2 – 200 В и т. д.

В некоторых случаях этот режим пробоя используют для получения круто нарастающего участка ВАХ, когда малому приращению напряжения (∆U) соответствует большое изменение тока (ΔI) (рис. 1.2). Диоды, работающие в таком режиме, называются стабилитронами, т. к. в рабочем диапазоне при изменении обратного тока от (i_<обр. min>) до (i_<обр. max>) напряжение на диоде остается почти неизменным, стабильным. Поэтому для стабилитронов рабочим является участок пробоя на обратной ветви ВАХ, а напряжение пробоя (напряжение стабилизации) является одним из основных параметров.

Стабилитроны находят широкое применение в качестве источников опорного напряжения, в стабилизаторах напряжения, в качестве ограничителей напряжения и др.

Эксперимент

Оборудование

Оборудование, используемое в лабораторной работе: вритуальный лабораторный стенд, блок No 1 (схемы А1–А4); комбинированный прибор «Сура», мультиметры; соединительные провода.

Порядок выполнения работы

Изучить схемы включения полупроводниковых приборов А1–А4 (рис. 1.3–1.6) для снятия вольт-амперных характеристик ВАХ диода и стабилитрона.

Ознакомиться с устройством лабораторного стенда, найти на стенде блок №1 и схемы А1–А4.

Порядок выполнения задания №1 «Исследование полупроводникового диода»
Экспериментальное получение прямой ветви ВАХ диода (I_ <пр>= f(U_<пр>)) с использованием схемы A1, представленной на рис. 1.3.
  1. Установить напряжение источника питания на 5 В
  2. Выставить значение потенциометра (R1) на максимум.
  3. Включить установку
  4. Внимательно изучить схему
  • После проверки схемы преподавателем включить сетевой тумблер.
  • Уменьшая значение потенциометра (R1), изменять прямое напряжение диода в пределах, указанных в табл. 1.1, фиксируя значения тока через каж- дые 0,1–0,05 В. Результаты измерений занести в табл. 1.1.
    Таблица 1.1

    (U_<пр>), В0.10.20.30.350.40.450.5
    (I_<пр>), A
  • Выключить установку.
  • Экспериментальное получение обратной ветви ВАХ диода (I_ <обр>= f(U_<обр>)) с использованием схемы А2, представленной на рис. 1.4.
    1. Установить напряжение блока питания 30 В.
    2. Выставить значение потенциометра (R2) на максимум
    3. Внимательно изучить схему установки
  • Включить установку
  • Уменьшая значение потенциометра (R2), изменять обратное напряжение на диоде в пределах, указанных в табл. 1.2. Значения тока фиксировать через каждые 5 В. Результаты измерений занести в табл. 1.2.
    Таблица 1.2

    (U_<обр>), В51015202530
    (I_<обр>), A
  • Выключить установку.
  • По данным табл. 1.1 и 1.2 построить ВАХ диода.

    По ВАХ или таблицам определить:
    1. Статическое сопротивление диода в прямом включении (R_<ст.пр>=frac>>) при U пр = 0,4 В и U пр = 0,1 В.
    2. Динамическое сопротивление диода в прямом включении (R_<дин.пр>=frac>>) на начальном участке ВАХ ( U пр =0 В и U пр = 0,1 В ) и на участке насыщения ВАХ ( U пр = 0,4 В и U пр = 0,45 В ).
    3. Статическое сопротивление диода в обратном включении (R_<ст.обр>=frac>>) при U обр = 5 В и U обр = 25 В.
    4. Динамическое сопротивление диода в обратном включении (R_<дин.обр>=frac>>) на начальном участке ВАХ ( U пр =0 В и U пр = 5 В ) и на участке насыщения ВАХ ( U пр = 20 В и U пр = 25 В ).
    Порядок выполнения задания No2 «Исследование полупроводникового стабилитрона»
    Экспериментальное получение прямой ветви ВАХ стабилитрона (I_ <пр>= f(U_<пр>)) с использованием схемы A3, представленной на рис. 1.5.
    1. Установить напряжение источника питания на 5 В
    2. Выставить значение потенциометра (R5) на максимум.
    3. Включить установку
    4. Внимательно изучить схему
  • После проверки схемы преподавателем включить сетевой тумблер.
  • Уменьшая значение потенциометра (R5), изменять прямое напряжение стабилитрона в пределах, указанных в табл. 1.3, фиксируя значения тока через каж- дые 0,1 В. Результаты измерений занести в табл. 1.3.
    Таблица 1.3

    (U_<пр>), В0.10.20.30.30.40.50.60.7
    (I_<пр>), A
  • Выключить установку.
  • Экспериментальное получение обратной ветви ВАХ стабилитрона (I_ <обр>= f(U_<обр>)) с использованием схемы А4, представленной на рис. 1.6.
    1. Установить напряжение блока питания 30 В.
    2. Выставить значение потенциометра (R7) на максимум
    3. Внимательно изучить схему установки
  • Включить установку
  • Уменьшая значение потенциометра (R7), изменять обратное напряжение на стабилитроне в пределах, указанных в табл. 1.4. Увеличить число фикси- руемых точек характеристики, начиная с 3 В. Для каждого значения напряжения изме- рить ток. Результаты измерений занести в табл. 1.4.
    Таблица 1.4

    (U_<обр>), В1233,544,555,25,45,6
    (I_<обр>), A
  • Выключить установку.
  • По данным табл. 1.3 и 1.4 построить ВАХ стабилитрона.

    P-N-переход и диод.

    Как упоминалось ранее электропроводность полупроводников сильно зависит от концентрации примесей. Полупроводники, электрофизические свойства которых зависят от примесей других химических элементов, называются примесными полупроводниками. Примеси бывают двух видов донорной и акцепторной.

    Донорной называется примесь, атомы которой дают полупроводнику свободные электроны, а получаемая в этом случае электропроводность, связанная с движением свободных электронов, — электронной. Полупроводник с электронной проводимостью называется электронным полупроводником и условно обозначается латинской буквой n — первой буквой слова «негативный».

    Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

    Рассмотрим процесс образования электронной проводимости в полупроводнике. За основной материал полупроводника возьмём кремний (кремниевые полупроводники самые распространённые). У кремния (Si) на внешней орбите атома есть четыре электрона, которые обуславливают его электрофизические свойства (т.е. они перемещаясь под действием напряжения создают электрический ток). При введении в кремний атомов примеси мышьяка (As), у которого на внешней орбите пять электронов, четыре электрона вступают во взаимодействие с четырьмя электронами кремния, образуя ковалентную связь, а пятый электрон мышьяка остаётся свободным. При этих условиях он легко отделяется от атома и получает возможность перемещаться в веществе.

    Акцепторной называется примесь, атомы которой принимают электроны от атомов основного полупроводника. Получаемая при этом электропроводность, связанная с перемещением положительных зарядов — дырок, называется дырочной. Полупроводник с дырочной электропроводностью называется дырочным полупроводником и условно обозначается латинской буквой p — первой буквой слова «позитивный».

    Рассмотрим процесс образования дырочной проводимости. при введении в кремний атомов примеси индия (In), у которого на внешней орбите три электрона, они вступают в связь с тремя электронами кремния, но эта связь оказывается неполной: не хватает ещё одного электрона для связи с четвёртым электроном кремния. Атом примеси присоединяет к себе недостающий электрон от одного из расположенных поблизости атомов основного полупроводника, после чего он оказывается связанным со всеми четырьмя соседними атомами. Благодаря добавлению электрона он приобретает избыточный отрицательный заряд, то есть превращается в отрицательный ион. В тоже время атом полупроводника, от которого к атому примеси ушёл четвёртый электрон оказывается связанным с соседними атомами только тремя электронами. таким образом, возникает избыток положительного заряда и появляется незаполненная связь, то есть дырка.

    Одним из важных свойств полупроводника является то, что при наличии дырок через него может проходить ток, даже если в нём нет свободных электронов. Это объясняется способностью дырок переходить с одного атома полупроводника на другой.


    Перемещение «дырок» в полупроводнике

    Вводя в часть полупроводника донорную примесь, а в другую часть — акцепторную, можно получить в нём области с электронной и дырочной проводимостью. На границе областей электронной и дырочной проводимости образуется так называемый электронно-дырочный переход.

    P-N-переход

    Рассмотрим процессы происходящий при прохождении тока через электронно-дырочный переход. Левый слой, обозначенный буквой n, имеет электронную проводимость. Ток в нём связан с перемещением свободных электронов, которые условно обозначены кружками со знаком «минус». Правый слой, обозначенный буквой p, обладает дырочной проводимостью. Ток в этом слое связан с перемещением дырок, которые на рисунке обозначены кружками с «плюсом».


    Движение электронов и дырок в режиме прямой проводимости


    Движение электронов и дырок в режиме обратной проводимости.

    При соприкосновении полупроводников с различными типами проводимости электроны вследствие диффузии начнут переходить в p-область, а дырки — в n-область, в результате чего пограничный слой n-области заряжается положительно, а пограничный слой p-области — отрицательно. Между областями возникает электрическое поле, которое является как бы барьеров для основных носителей тока, благодаря чему в p-n переходе образуется область с пониженной концентрацией зарядов. Электрическое поле в p-n переходе называют потенциальным барьером, а p-n переход — запирающим слоем. Если направление внешнего электрического поля противоположно направлению поля p-n перехода («+» на p-области, «-» на n-области), то потенциальный барьер уменьшается, возрастает концентрация зарядов в p-n переходе, ширина и, следовательно, сопротивление перехода уменьшается. При изменении полярности источника внешнее электрическое поле совпадает с направлением поля p-n перехода, ширина и сопротивление перехода возрастает. Следовательно, p-n переход обладает вентильными свойствами.

    Полупроводниковый диод

    Диодом называется электро преобразовательный полупроводниковый прибор с одним или несколькими p-n переходами и двумя выводами. В зависимости от основного назначения и явления используемого в p-n переходе различают несколько основных функциональных типов полупроводниковых диодов: выпрямительные, высокочастотные, импульсные, туннельные, стабилитроны, варикапы.

    Основной характеристикой полупроводниковых диодов является вольт-амперная характеристика (ВАХ). Для каждого типа полупроводникового диода ВАХ имеет свой вид, но все они основываются на ВАХ плоскостного выпрямительного диода, которая имеет вид:


    Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода: 1 — прямая вольт-амперная характеристика; 2 — обратная вольт-амперная характеристика; 3 — область пробоя; 4 — прямолинейная аппроксимация прямой вольт-амперной характеристики; Uпор — пороговое напряжение; rдин — динамическое сопротивление; Uпроб — пробивное напряжение

    Масштаб по оси ординат для отрицательных значений токов выбран во много раз более крупным, чем для положительных.

    Вольт-амперные характеристики диодов проходят через нуль, но достаточно заметный ток появляется лишь при пороговом напряжении (Uпор), которое для германиевых диодов равно 0,1 — 0,2 В, а у кремниевых диодов равно 0,5 — 0,6 В. В области отрицательных значений напряжения на диоде, при уже сравнительно небольших напряжениях (Uобр.) возникает обратный токобр). Этот ток создается неосновными носителями: электронами р-области и дырками n-области, переходу которых из одной области в другую способствует потенциальный барьер вблизи границы раздела. С ростом обратного напряжения увеличение тока не происходит, так как количество неосновных носителей, оказывающихся в единицу времени на границе перехода, не зависит от приложенного извне напряжения, если оно не очень велико. Обратный ток для кремниевых диодов на несколько порядков меньше, чем для германиевых. Дальнейшее увеличение обратного напряжения до напряжения пробоя (Uпроб) приводит к тому что электроны из валентной зоны переходят в зону проводимости, возникает эффект Зенера. Обратный ток при этом резко увеличивается, что вызывает нагрев диода и дальнейшее увеличение тока приводит к тепловому пробою и разрушению p-n-перехода.

    Обозначение и определение основных электрических параметров диодов


    Обозначение полупроводникового диода

    Как указывалось ранее диод в одну сторону ток проводит (т. е. представляет собой в идеале просто проводник с малым сопротивлением), в другую – нет (т. е. превращается в проводник с очень большим сопротивлением), одним словом, обладает односторонней проводимостью. Соответственно выводов у него всего два. Они как повелось ещё со времён ламповой техники, называются анодом (положительным выводом) и катодом (отрицательным).

    Все полупроводниковые диоды можно разделить на две группы: выпрямительные и специальные. Выпрямительные диоды, как следует из самого названия, предназначены для выпрямления переменного тока. В зависимости от частоты и формы переменного напряжения они делятся на высокочастотные, низкочастотные и импульсные. Специальные типы полупроводниковых диодов используют различные свойства p-n-переходов; явление пробоя, барьерную емкость, наличие участков с отрицательным сопротивлением и др.

    Выпрямительные диоды

    Конструктивно выпрямительные диоды делятся на плоскостные и точечные, а по технологии изготовления на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные. Плоскостные диоды благодаря большой площади p-n-перехода используют для выпрямления больших токов. Точечные диоды имеют малую площадь перехода и, соответственно, предназначены для выпрямления малых токов. Для увеличения напряжения лавинного пробоя используют выпрямительные столбы, состоящие из ряда последовательно включенных диодов.

    Выпрямительные диоды большой мощности называют силовыми. Материалом для таких диодов обычно служит кремний или арсенид галлия. Кремниевые сплавные диоды используют для выпрямления переменного тока с частотой до 5 кГц. Кремниевые диффузионные диоды могут работать на повышенной частоте, до 100 кГц. Кремниевые эпитаксиальные диоды с металлической подложкой (с барьером Шотки) могут использоваться на частотах до 500 кГц. Арсенидгалиевые диоды способны работать в диапазоне частот до нескольких МГц.

    Силовые диоды обычно характеризуются набором статических и динамических параметров. К статическим параметрам диода относятся:

    • падение напряжения Uпр на диоде при некотором значении прямого тока;
    • обратный ток Iобр при некотором значении обратного напряжения;
    • среднее значение прямого тока Iпр.ср.;
    • импульсное обратное напряжение Uобр.и.;

    К динамическим параметрам диода относятся его временные и частотные характеристики. К таким параметрам относятся:

    • время восстановления tвос обратного напряжения;
    • время нарастания прямого тока Iнар.;
    • предельная частота без снижения режимов диода fmax.

    Статические параметры можно установить по вольт-амперной характеристике диода.

    Время обратного восстановления диода tвос является основным параметром выпрямительных диодов, характеризующим их инерционные свойства. Оно определяется при переключении диода с заданного прямого тока Iпр на заданное обратное напряжение Uобр. Во время переключения напряжение на диоде приобретает обратное значение. Из-за инерционности диффузионного процесса ток в диоде прекращается не мгновенно, а в течении времени tнар. По существу, происходит рассасывание зарядов на границе p-n-перехода (т. е. разряд эквивалентной емкости). Из этого следует, что мощность потерь в диоде резко повышается при его включении, особенно, при выключении. Следовательно, потери в диоде растут с повышением частоты выпрямляемого напряжения.

    При изменении температуры диода изменяются его параметры. Наиболее сильно от температуры зависят прямое напряжение на диоде и его обратный ток. Приблизительно можно считать, что ТКН (температурный коэффициент напряжения) Uпр = -2 мВ/К, а обратный ток диодаимеет положительный коэффициент. Так при увеличении температуры на каждые 10 °С обратный ток германиевых диодов увеличивается в 2 раза, а кремниевых – 2,5 раз.

    Диоды с барьером Шотки

    Для выпрямления малых напряжений высокой частоты широко используются диоды с барьером Шотки. В этих диодах вместо p-n-перехода используется контакт металлической поверхности с полупроводником. В месте контакта возникают обеднённые носителями заряда слои полупроводника, которые называются запорными. Диоды с барьером Шотки отличаются от диодов с p-n-переходом по следующим параметрам:

    • более низкое прямое падение напряжения;
    • имеют более низкое обратное напряжение;
    • более высокий ток утечки;
    • почти полностью отсутствует заряд обратного восстановления.

    Две основные характеристики делают эти диоды незаменимыми: малое прямое падение напряжения и малое время восстановления обратного напряжения. Кроме того, отсутствие неосновных носителей, требующих время на обратное восстановление, означает физическое отсутствие потерь на переключение самого диода.

    Максимальное напряжение современных диодов Шотки составляет около 1200 В. При этом напряжении прямое напряжение диода Шотки меньше прямого напряжения диодов с p-n-переходом на 0,2…0,3 В.

    Преимущества диода Шотки становятся особенно заметны при выпрямлении малых напряжений. Например, 45-вольтный диод Шотки имеет прямое напряжение 0,4…0,6 В, а при том же токе диод с p-n-переходом имеет падение напряжения 0,5…1,0 В. При понижении обратного напряжения до 15 В прямое напряжение уменьшается до 0,3…0,4 В. В среднем применение диодов Шотки в выпрямителе позволяет уменьшить потери примерно на 10…15 %. Максимальная рабочая частота диодов Шотки превышает 200 кГц.

    Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

    Устройство и принцип работы диода при прямом и обратном включении

    Диоды – самые простые полупроводники с двумя электродами, проводящие ток в одном направлении.

    Они способны стабилизировать, выпрямлять, модулировать, ограничивать, преобразовать ток, поэтому установлены почти во всех бытовых электроприборах.

    Основные характеристики диода: постоянный прямой и обратный электроток, прямое и обратное напряжение, прямое и обратное сопротивление, их максимально допустимые значения.

    При монтаже в любом устройстве учитываются максимально допустимые значения параметров.

    Устройство

    В корпус, изготовленный в виде вакуумного баллона из керамики, стекла или металла, устанавливается:

    • кристалл;
    • анод;
    • катод;
    • подогреватель.

    Кристаллы производятся из кремния или германия. Анод (плюс) и катод (минус) цилиндрической формы, помещаются внутри баллона. Подогреватель – нить внутри катода, которая раскаляется при подаче электротока, нагревая его. После достижения определенного уровня температуры активный слой на катоде генерирует нужные для работы электроны.

    Сферы применения и назначение

    По выполняемой работе диоды разделяются на универсальные, СВЧ, импульсные, выпрямительные, переключающие, стабилитроны, варикапы.

    Они устанавливаются в электрооборудование:

    • преобразователи частоты, детекторы, логарифматоры;
    • выпрямители тока;
    • стабилизаторы;
    • ограничители колебаний вольтажа;
    • переключатели;
    • цепи, проводящие ток в единственном направлении;
    • лампочки индикации;
    • приборы, требующие отображения информации на дисплеях;
    • LED телевизоры.

    Справка! Светодиоды монтируется в осветительные матрицы (ленты, лампы).

    Работа диода и его вольт амперная характеристика

    По конструкции диод является кристаллом с двумя областями, обладающими различной проводимостью (p и n). Область с p-проводимостью анод (+), с n-проводимостью – катод (-). В аноде заряд в дырках, в катоде – в электронах. Кристалл покрыт металлом с выводами.

    Строение определяет 2 положения:

    • открытое;
    • закрытое.

    В открытом положении проводимость электротока хорошая, в закрытом – очень плохая.

    Вольт-амперной характеристикой называется график. На вертикальной оси отражается основной и противоположный ток, на горизонтальной – основной и противоположный вольтаж.

    Прямой электроток повышается быстро параллельно увеличению вольтажа. Противоположный ток увеличивается медленнее.

    При слишком большом прямом электротоке молекулы кристалла нагреваются. Если нет системы охлаждения, существует вероятность разрушения кристаллической решетки. В схемах прямой поток ограничивается резистором, подключенным последовательно.

    Справка! От электротока прямое напряжение не зависит. Для кремневых полупроводников оно не превышает 1,5 В, для изделий из германия – 1 В.

    Прямое включение диода

    Диод открывается после подключения напряжения, параметры основного тока зависят от характеристик кристалла и вольтажа. Из n-области в p-область устремляются электроны, из p-области в n-область — дырки. Частицы встречаются на границе (p-n переходе), запускается процесс поглощения (рекомбинации), сопротивление и вольтаж снижаются.

    Вокруг p-n образуется поле, которое направляется в противоположную сторону. Электроны перемещаются и возвращаются, появляется дрейфующий ток с неизменными параметрами, зависящими только от количества заряженных частиц. Одновременно растет обратное напряжение, переходя в стадию насыщения.

    Основной ток увеличивается стремительнее при повышении температуры во время работы прибора.

    Обратное включение диода

    Если плюс блока питания присоединяется к минусу полупроводника, а минус – к плюсу, работа диода прекращается (он закрывается). Заряженные частицы начинают отдаляться от области p-n, она расширяется, повышается сопротивление

    При увеличении обратного напряжения до 100 В растет электроток в противоположном направлении. Рост резко увеличивается, если вольтаж превышает максимально допустимый для границы p-n. Обратный ток нагревает кристалл в диоде, переход пробивается, нормальная работа прибора прекращается. После выключения напряжения рядом с полюсами образуется диффузия.

    Внимание! Во время нормальной работы противоположный электроток небольшой, поэтому им пренебрегают, считая полупроводниковый диод элементом с односторонней проводимостью.

    Прямое и обратное напряжение

    Во время работы (в открытом состоянии) в диоде основное напряжение, от его величины зависит сопротивление и величина электротока. В процессе закрывания через полупроводник проходит ток в противоположном направлении, создается напряжение, способствующее росту сопротивления до нескольких тысяч кОм.

    Если работа полупроводника проходит на переменном напряжении, он открывается на плюсовой полуволне и закрывается на минусовой. Это свойство позволяет использовать полупроводники в выпрямителях.

    Основные неисправности диодов

    Внимание! Если диодные полупроводники перестали работать, сначала необходимо выяснить, не закончился ли срок их эксплуатации.

    Если это не так, неисправность вызвала другая причина:

    • нарушение герметичности;
    • разрыв перехода, превративший прибор в изолятор:
    • тепловой пробой;
    • электрический пробой:
    • туннельный;
    • лавинный.

    При нарушении герметичности возникает протечка, мешающая нормальному функционированию.

    Пробой p-n перехода

    Пробоем называют увеличение электротока в противоположном направлении после достижении во время работы показателя обратного напряжения, являющегося максимально допустимым для прибора. Если он превышается, противоположный поток электротока резко увеличивается при незначительном изменении вольтажа. После обрыва перехода направление потока всего одно, полупроводник превращается в проводник.

    Определить эту неисправность можно при помощи мультиметра, определяющего сопротивление и подающего сигнал при прохождении электротока.

    Электрический пробой

    Электрический туннельный или лавинный пробой можно устранить, если вовремя принять необходимые меры.

    Причина электрического пробоя – сильный электроток в переходе или перегрев при отсутствии отвода тепла.

    Туннельный пробой образуется, если во время работы на диод подается слишком высокое напряжение. Растет значение противоположного электротока, вольтаж снижается, электроны проходят через барьер, если его высота меньше их энергии.

    Эту неисправность может вызвать:

    • слишком маленькая толщина области p-n (меньше длины пробега электрона);
    • обратный ток насыщения более 108 В/м;
    • наличие свободных мест в области дырок, в которую переходят электроны.

    Лавинный пробой – увеличение во время работы противоположного электротока при небольшом увеличении вольтажа. Причина образования – повышение ионизации в p-n области, вызывающее увеличение количества частиц, носящих заряд. Электроны теряют свои обычные характеристики.

    Важно! Пробои туннельного и лавинного типа обратимы, так как не повреждают полупроводник (при своевременном уменьшении вольтажа свойства сохраняются).

    Тепловой пробой

    Эту неисправность чаще всего вызывает недостаточный отвод тепла, способствующего перегреву перехода во время работы.

    • в кристалле растет амплитуда колебаний атомов;
    • электроны взаимодействуют с проводимой областью;
    • быстро повышается температура;
    • запускается процесс изменения структуры кристалла.

    Полупроводник разрушается, причем процесс необратимый.

    Основные выводы

    Полупроводниковые диоды – радиоэлементы с единственным p-n переходом, присутствующие практически во всех бытовых электроприборах. Чтобы работа полупроводников длилась дольше, необходимо обладать знаниями о принципе работы диодов, причинах неисправностей и способах их предотвращения.

    Чаще всего работа полупроводников нарушается при изменениях температуры в окружающей среде или переходе. Если температура слишком высокая, увеличивается количество энергоносителей в переходе, снижается сопротивление, растет объем противоположного тока. После достижения максимально допустимого уровня запускается процесс разрушения кристалла.

    Чтобы предотвратить сокращение сроков работы, необходимо следить за температурой среды и чистотой приборов. При необходимости следует организовать дополнительную систему отвода тепла. Повышение температуры в переходе предотвращается соблюдением требований к уровню вольтажа и тока, определенному для конкретного прибора. Даже при малейшем превышении существует вероятность разрушения кристалла.

    Полупроводниковые диоды: виды и характеристики

    Для контроля направления электрического тока необходимо применять разные радио и электро детали. В частности, современная электроника использует с такой целью полупроводниковый диод, его применение обеспечивает ровный ток.

    Устройство

    Полупроводниковый электрический диод или диодный вентиль – это устройство, которое выполнено из полупроводниковых материалов (как правило, из кремния) и работает только с односторонним потоком заряженных частиц. Основным компонентом является кристаллическая часть, с p-n переходом, которая подключена к двум электрическими контактами. Трубки вакуумного диода имеют два электрода: пластину (анод) и нагретый катод.

    Фото — полупроводниковый диод

    Для создания полупроводниковых диодов используются германий и селен, как и более 100 лет назад. Их структура позволяет использовать детали для улучшения электронных схем, преобразования переменного и постоянного тока в однонаправленный пульсирующий и для совершенствования разных устройств. На схеме он выглядит так:

    Фото — обозначение диода

    Существуют разные виды полупроводниковых диодов, их классификация зависит от материала, принципа работы и области использования: стабилитроны, импульсные, сплавные, точечные, варикапы, лазер и прочие типы. Довольно часто используются аналоги мостов – это плоскостной и поликристаллический выпрямители. Их сообщение также производится при помощи двух контактов.

    Основные преимущества полупроводникового диода:

    1. Полная взаимозаменяемость;
    2. Отличные пропускные параметры;
    3. Доступность. Их можно купить в любом магазине электро-товаров или снять бесплатно со старых схем. Цена начинается от 50 рублей. В наших магазинах представлены как отечественные марки (КД102, КД103, и т. д.), так и зарубежные.

    Маркировка

    Маркировка полупроводникового диода представляет собой аббревиатуру от основных параметров устройства. Например, КД196В – кремниевый диод с напряжением пробоя до 0,3 В, напряжением 9,6, модель третьей разработки.

    Исходя из этого:

    1. Первая буква определяет материал, из которого изготовлен прибор;
    2. Наименование устройства;
    3. Цифра, определяющая назначение;
    4. Напряжение прибора;
    5. Число, которое определяет прочие параметры (зависит от типа детали).

    Видео: применение диодов

    Принцип работы

    Полупроводниковые или выпрямительные диоды имеют довольно простой принцип работы. Как мы уже говорили, диод изготовлен из кремния таким образом, что один его конец p-типа, а другой конец типа n. Это означает, что оба контакта имеют различные характеристики. На одном наблюдается избыток электронов, в то время как другой имеет избыток отверстий. Естественно, в устройстве есть участок, в котором все электроны заполняют определенные пробелы. Это означает, что внешние заряды отсутствуют. В связи с тем, что эта область обедняется носителями заряда и известна как объединяющий участок.

    Фото — принцип работы

    Несмотря на то, что объединяющий участок очень мал, (часто его размер составляет несколько тысячных долей миллиметра), ток не может протекать в нем в обычном режиме. Если напряжение подается так, что площадь типа p становится положительной, а тип n, соответственно, отрицательной, отверстия переходят к отрицательному полюсу и помогают электронам перейти через объединяющий участок. Точно так же электроны движутся к положительному контакту и как бы обходят объединительный. Несмотря на то, что все частицы движутся с разным зарядом в разном направлении, в итоге они образуют однонаправленный ток, что помогает выпрямить сигнал и предупредить скачки напряжения на контактах диода.

    Если напряжение прикладывается к полупроводниковому диоду в противоположном направлении, ток не будет проходить по нему. Причина заключается в том, что отверстия привлекаются отрицательным потенциалом, который находится в области р-типа. Аналогично электроны притягиваются к положительному потенциалу, который применяется к области n-типа. Это заставляет объединяющий участок увеличиваться в размере, из-за чего поток направленных частиц становится невозможным.

    Фото — характеристики полупроводников

    ВАХ-характеристики

    Вольт амперная характеристика полупроводникового диода зависит от материала, из которого он изготовлен и некоторых параметров. Например, идеальный полупроводниковый выпрямитель или диод имеет следующие параметры:

    1. Сопротивление при прямом подключении – 0 Ом;
    2. Тепловой потенциал – VG = +-0,1 В.;
    3. На прямом участке RD > rD, т. е. прямое сопротивление больше, чем дифференциальное.

    Если все параметры соответствуют, то получается такой график:

    Фото — ВАХ идеального диода

    Такой диод использует цифровая электротехника, лазерная индустрия, также его применяют при разработке медицинского оборудования. Он необходим при высоких требованиях к логическим функциям. Примеры – лазерный диод, фотодиод.

    На практике, эти параметры очень отличаются от реальных. Многие приборы просто не способны работать с такой высокой точностью, либо такие требования не нужны. Эквивалентная схема характеристики реального полупроводника демонстрирует, что у него есть серьезные недостатки:

    Фото — ВАХ в реальном полупроводниковом диоде

    Данная ВАХ полупроводникового диода говорит о том, что во время прямого включения, контакты должны достигнуть максимального напряжения. Тогда полупроводник откроется для пропуска электронных заряженных частиц. Эти свойства также демонстрируют, что ток будет протекать нормально и без перебоев. Но до момента достижения соответствия всех параметров, диод не проводит ток. При этом у кремниевого выпрямителя вольтаж варьируется в пределах 0,7, а у германиевого – 0,3 Вольт.

    Работа прибора очень зависит от уровня максимального прямого тока, который может пройти через диод. На схеме он определяется ID_MAX. Прибора так устроен, что во время включения прямым путем, он может выдержать только электрический ток ограниченной силы. В противном случае, выпрямитель перегреется и перегорит, как самый обычный светодиод. Для контроля температуры используются разные виды устройств. Естественно, некоторые из них влияют на проводимость, но зато продлевают работоспособность диода.

    Еще одним недостатком является то, что при пропуске переменного тока, диод не является идеальным изолирующим устройством. Он работает только в одном направлении, но всегда нужно учитывать ток утечки. Его формула зависит от остальных параметров используемого диода. Чаще всего схемы его обозначают, как IOP. Исследование независимых экспертов установило, что германиевые пропускают до 200 µА, а кремниевые до 30 µА. При этом многие импортные модели ограничиваются утечкой в 0.5 µА.

    Фото — отечественные диоды

    Все разновидности диодов поддаются напряжению пробой. Это свойство сети, которое характеризуется ограниченным напряжением. Любой стабилизирующий прибор должен его выдерживать (стабилитрон, транзистор, тиристор, диодный мост и конденсатор). Когда внешняя разница потенциалов контактов выпрямительного полупроводникового диода значительно выше ограниченного напряжения, то диод становится проводником, в одну секунду снижая сопротивление до минимума. Назначение устройства не позволяет ему делать такие резкие скачки, иначе это исказить ВАХ.

    PN-переход в полупроводниках. Диод

    Часть полупроводника n-типа или p-типа похожа на резистор, который не так полезен. Но когда производитель легирует монокристаллический кремний с помощью материала p-типа с одной стороны и n-типа с другой, возникает нечто новое — PN-переход.

    PN-переходы — это элементарные строительные блоки полупроводниковых устройств, таких как диоды, транзисторы, солнечные элементы, светодиоды и интегральные схемы. Понимание этого позволяет понять работу всех этих устройств.

    PN-переход

    Поскольку мы знаем, что полупроводник p-типа имеет трехвалентные атомы, и каждый из них создает одну дырку, мы можем визуализировать это, как показано на рисунке ниже. Каждый обведенный кружком знак минус — это трехвалентный атом, а каждый знак плюс — это дыра в его валентной орбите.

    Мы также знаем, что полупроводник n-типа имеет пятивалентные атомы, и каждый из них производит один свободный электрон, мы можем визуализировать это, как показано на следующем рисунке. Каждый обведенный кружком знак плюс — это пятивалентный атом, а каждый знак минус — это свободный электрон, который он вносит.

    Производитель может изготовить один кристалл кремния с материалом p-типа на одной стороне и n-типом на другой стороне, как показано на рисунке. Граница между p-типом и n-типом называется PN-переходом.

    Кристалл PN обычно известен как соединительный диод. Слово диод представляет собой сокращение двух электродов, где ди означает два.

    Существует три возможных условия смещения для PN-соединения:

    1. Равновесие или нулевое смещение — внешнее напряжение не подается на PN-переход.
    2. Обратное смещение — положительная клемма источника подключена к n-типу, а отрицательная клемма источника подключена к p-типу.
    3. Прямое смещение — отрицательная клемма источника подключена к n-типу, а положительная клемма источника подключена к p-типу.

    Давайте посмотрим на них один за другим.

    Равновесие (нулевое смещение)

    В PN-переходе без внешнего приложенного напряжения достигается условие равновесия. Посмотрим как.

    Область истощения

    Полупроводник n-типа имеет большее количество свободных электронов, чем полупроводник p-типа. Из-за этой высокой концентрации электронов на n-стороне они отталкиваются друг от друга.

    Из-за отталкивания свободные электроны распространяются (рассеиваются) во всех направлениях. Некоторые из них пересекают границу между n и p. Когда свободный электрон входит в р-область, он притягивается к положительной дыре и рекомбинирует с ней. Когда это происходит, дыра исчезает, и свободный электрон становится валентным электроном.

    Когда свободный электрон падает в дырку на p-стороне, атом p-стороны получает дополнительный электрон. Атом, который получает дополнительный электрон, имеет больше электронов, чем протонов, благодаря чему он становится отрицательным ионом.

    Точно так же каждый свободный электрон, который покидает атом n-стороны, создает дыру в атоме n-стороны. Атом, который теряет электрон, имеет больше протонов, чем электронов, благодаря чему он становится положительным ионом.

    Таким образом, каждый раз, когда электрон пересекает соединение и рекомбинирует с дыркой, он создает пару ионов. На следующем рисунке показаны эти ионы на каждой стороне соединения.

    Каждая пара положительных и отрицательных ионов на стыке называется диполем. Создание диполя означает, что один свободный электрон с n-стороны и одна дырка с p-стороны выведены из оборота. По мере увеличения числа диполей область вблизи перехода истощается основными носителями заряда. Поэтому мы называем этот незаряженный регион областью истощения.

    Барьерный потенциал

    Каждый диполь имеет электрическое поле между положительными и отрицательными ионами. Всякий раз, когда свободный электрон пытается войти в область истощения, это электрическое поле выталкивает его обратно в область n.

    Напряженность электрического поля увеличивается с каждой электронно-дырочной рекомбинацией внутри области обеднения. Поэтому электрическое поле в конечном итоге останавливает диффузию электронов через соединение, и достигается равновесие.

    Электрическое поле между ионами эквивалентно разности потенциалов, называемых барьерным потенциалом. При комнатной температуре барьерный потенциал составляет примерно 0,3 В для германиевых диодов и 0,7 В для кремниевых диодов.

    Прямое смещение

    При прямом смещении p-тип соединен с положительной клеммой источника, а n-тип соединен с отрицательной клеммой источника. На следующем рисунке показан диод прямого смещения.

    Если батарея подключена таким образом, дырки в p-области и свободные электроны в n-области выталкиваются в направлении перехода. Если напряжение батареи меньше барьерного потенциала (0,7 В), у свободных электронов недостаточно энергии, чтобы пройти через область истощения. Когда они попадают в область истощения, ионы выталкивают их обратно в n-область. Из-за этого ток не течет через диод.

    Когда напряжение батареи превышает барьерный потенциал (0,7 В), свободные электроны имеют достаточно энергии, чтобы пройти через область истощения и рекомбинировать с дырками. Таким образом они начинают нейтрализовать область истощения, уменьшая ее ширину.

    Когда свободный электрон рекомбинируется с дыркой, он становится валентным электроном. Как валентный электрон, он продолжает двигаться влево, переходя от одной дырки к другой, пока не достигнет левого конца диода.

    Когда он покидает левый конец диода, появляется новая дырка и процесс начинается снова. Поскольку одновременно движутся миллиарды электронов, мы получаем непрерывный ток через диод.

    Обратное смещение

    Подключение p-типа к отрицательной клемме батареи и n-типа к положительной клемме соответствует обратному смещению. На следующем рисунке показан диод с обратным смещением.

    Отрицательная клемма батареи притягивает дырки, а положительная клемма батареи притягивает свободные электроны. Из-за этого дырки и свободные электроны вытекают из соединения, оставляя положительные и отрицательные ионы позади. Следовательно, область истощения становится шире.

    Ширина области истощения пропорциональна обратному напряжению. По мере увеличения обратного напряжения область истощения становится шире. Область истощения перестает расти, когда ее разность потенциалов равна приложенному обратному напряжению. Когда это происходит, электроны и дыры перестают двигаться от соединения.

    Обратный ток

    Обратный ток в диоде состоит из тока неосновной несущей и тока утечки на поверхность. Этот обратный ток настолько мал, что вы даже не можете его заметить, и он считается почти нулевым.

    Обратный ток насыщения

    Как известно, тепловая энергия непрерывно создает пары свободных электронов и дырок. Предположим, что тепловая энергия создала свободный электрон и дырку внутри области истощения.

    Область истощения выталкивает вновь созданный свободный электрон в область n, заставляя его покинуть правый конец диода. Когда он достигает правого конца диода, он входит во внешний провод и течет к положительной клемме батареи.

    С другой стороны, вновь созданная дырка помещается в область p. Эта дополнительная дырка на стороне p позволяет одному электрону с отрицательной клеммы батареи войти в левый конец диода и упасть в дырку.

    Поскольку тепловая энергия непрерывно создает пары электрон-дырка внутри области истощения, во внешней цепи протекает небольшой непрерывный ток. Такой обратный ток, вызываемый термически создаваемыми неосновными носителями, называется током насыщения. Название насыщения означает, что увеличение обратного напряжения не приведет к увеличению количества термически производимых неосновных носителей.

    Поверхностный ток утечки

    В обратном смещенном диоде существует другой ток. Небольшой ток течет по поверхности кристалла, известной как ток поверхностной утечки.

    Атомы на верхней и нижней поверхности кристалла не имеют соседей. У них всего шесть электронов на валентной орбите. Это означает, что у каждого поверхностного атома есть две дырки. Следующее изображение показывает эти дырки вдоль поверхности кристалла.

    Из-за этого электроны проходят через поверхностные дырки от отрицательной клеммы батареи к положительной клемме батареи. Таким образом, небольшой обратный ток протекает вдоль поверхности.

    Пробой

    Существует предел того, сколько обратного напряжения выдержит диод перед пробоем. Если вы продолжите увеличивать обратное напряжение, диод в конечном итоге достигнет напряжения пробоя.

    Как только напряжение пробоя достигнуто, большое количество неосновных носителей генерируется в области истощения за счет эффекта лавины, и диод начинает сильно проводить в обратном направлении.

    Лавинный эффект

    Как мы знаем, в диоде с обратным смещением присутствует небольшой ток несущей. Когда обратное напряжение увеличивается, оно заставляет неосновных носителей двигаться быстрее.

    Эти неосновные носители, движущиеся с высокой скоростью, сталкиваются с атомами кристалла и выбивают валентные электроны, производя больше свободных электронов. Эти новые миноритарные носители присоединяются к существующим миноритарным носителям и сталкиваются с другими атомами, которые выбивают больше электронов.

    Один свободный электрон смещает один валентный электрон, в результате чего образуются два свободных электрона. Эти два свободных электрона затем выбивают еще два электрона, в результате чего образуются четыре свободных электрона. Таким образом, число электронов увеличивается в геометрической прогрессии : 1, 2, 4, 8…

    Это постоянное столкновение с атомами генерирует большое количество неосновных носителей, которые производят значительное количество обратного тока в диоде. И этот процесс продолжается до тех пор, пока обратный ток не станет достаточно большим, чтобы разрушить диод.

    Диод — обозначение

    На следующем рисунке показан схематический символ диода. Символ выглядит как стрелка, которая указывает со стороны p в сторону n. Сторона p называется анодом, а сторона n — катодом.

    Диод I-V характеристики

    На следующем рисунке показана базовая диодная схема, в которой диод смещен в прямом направлении. Резистор R S обычно используется, чтобы ограничить прямой ток I F.

    После подключения этой схемы, если вы измерите напряжение и ток диода для прямого и обратного смещения и построите график, то вы получите график, который выглядит следующим образом:

    Этот график называется вольт-амперная характеристика (IV). Это самая важная характеристика диода, потому что она определяет, сколько тока протекает через диод для данного напряжения.

    Резистор является линейным устройством, потому что его кривая IV является прямой линией. Однако, диод отличается. Это нелинейное устройство, поскольку его кривая IV не является прямой линией. Это связано с барьерным потенциалом.

    В зависимости от приложенного к нему напряжения диод будет работать в одной из трех областей: прямое смещение, обратное смещение и пробой.

    Область прямого смещения

    Когда напряжение диода меньше барьерного потенциала, через диод течет небольшой ток. Когда напряжение на диоде превышает барьерный потенциал, ток, протекающий через диод, быстро увеличивается.

    Напряжение, при котором ток начинает быстро увеличиваться, называется прямым напряжением (VF) диода. Это также называется напряжением включения или напряжением колена. Как правило, кремниевый диод имеет VF около 0,7 В, а диод на основе германия имеет около 0,3 В.

    Область обратного смещения

    Область обратного смещения существует между нулевым током и пробоем.

    В этой области небольшой обратный ток протекает через диод. Этот обратный ток вызван термически произведенными неосновными носителями. Этот обратный ток настолько мал, что вы даже не можете его заметить, и он считается почти нулевым.

    Область пробоя

    Если вы продолжите увеличивать обратное напряжение, вы в конечном итоге достигнете так называемого пробивного напряжения диода.

    В этот момент в обедненном полупроводниковом слое происходит процесс, называемый лавинным пробоем, и диод начинает сильно проводить в обратном направлении, разрушаясь.

    Из графика видно, что у пробоя очень острое колено с последующим почти вертикальным увеличением тока.

    1.5. Пробой p-n — перехода

    1.5. Пробой p — n — перехода

    С увеличением обратного напряжения на p — n — пере­ходе при достижении некоторого значения напряжения v проб (напряжение пробоя) начинается резкое увеличе­ние тока через диод при незначительном увеличении напряжения . Это явление называется электрическим пробоем p — n — перехода . Подобное увеличение тока обусловлено различными физическими меха­низмами, которые рассматрива­ются ниже.

    При данном приложенном напряжении к p — n — переходу напряженность элек­трического поля в области зависит от толщины p — n – перехода или от степени легирования p — и n – областей полупроводника. для p + — n — перехода она имеет вид:

    Т ак как пробой начинается при достижении определенного (для каждых конкретных условий) значения напряженности электрического поля E проб , то чем больше d (меньше n d ), тем при большем напряже­нии v проб начинается пробой. очевидно, наибольшее v проб имеет р— i — n -диод, так как n d в его базе наи­меньшая, а ширина области объемного заряда d наибольшая .

    Различают ся следующие виды электрического пробоя p — n — перехода: лавинный пробой, туннельный пробой, тепловой пробой и поверхностный пробой . О типе пробоя можно судить по картине обратной ветви вольт-амперной характеристики. На рис.5 приведены картинки обратных ветвей вольтамперных характеристик для различных видов пробоев.

    Р и с.1.5. вольт-амперная характеристика p — n — перехода при обратном смещении: а — лавинный пробой; б — туннельный пробой, в — теп­ловой пробой, г — влияние поверхностного канала при лавинном пробое.

    а) Л авинный пробой . Е сли ширина области объемного заряда p — n — перехода d ? l (длины свободного пробега носителей заряда), то неосновные носители заряда в электрическом поле обратносмещенного p — n — перехода могут набрать до­статочную скорость для ионизации решетки с образо­ванием пары электрон — дырка . Образовавшиеся носи­тели заряда сами принимают участие в дальнейшей ио­низации. Процесс нарастания тока носит лавинный ха­рактер. Скорость нарастания тока зависит от коэффи­циентов ударной ионизации электронов и дырок, т. е. от числа электронно-дырочных пар, образуемых носителем заряда на 1 см пути при данной напряженности электрического поля.

    Р ассмотрим, например, несимметричный p — n — пере­ход, в котором n n >> p p . в этом случае обратный ток со­стоит в основном из электронов, переносимых из р- в n -область . При одном акте ионизации электрон образует еще один электрон и дыр ку, которые также будут уча­ствовать в дальнейшем про­цессе ионизации . К артина, соответствующая этому случаю приведена на рис . 1.6.

    Р и с.1.6. умножение носителей заряда в обратносмещённом p — n -переходе

    Следует отметить, что при лавинном пробое с увели­чением тока сопротивление p — n — перехода резко умень­шается , однако напряжение на p — n — переходе не может стать ниже значения напряжения пробоя, так как на­пряженность электрического поля при этом станет мень­ше, чем необходимо для ударной ионизации . поэтому возрастание тока при лавинном пробое происходит при незначительном увеличении напряжения на p — n — пере­ходе (рис.1.5, а ).

    б)Туннельный пробой. В p — n — переходах, ширина которых меньше длины свободного пробега носителей ( d l ), но­сители не успевают за время пролета через область объемного заряда набрать энергию, достаточную для ионизации . В таких переходах имеет место туннельный пробой. Сущно сть туннельного эффекта заключается в том, что частица, имеющая кинетическую энергию, мень­шую высоты потенциального барьера, может, при опреде­ленных условиях, преодолеть его без потери энергии, если с обеих сторон барьера имеют­ся одинаковые энергетические уровни. К ак

    известно из квантовой механики, вероятность туннельного проса

    рис. 1. 7.туннельный пробой

    чивания носителей через барьер тем больше, чем уже барьер и меньше его высота.

    Протекание тока при тун­нельном механизме показано на рис .1.7.

    Электроны из валентной зоны p — области туннелируют через потен­циальный барьер p — n — перехода на незанятые уровни в зоне проводимости n -области .

    Н а риС.1.7, а показан случай, когда напряжение таково, что дно зоны проводимости n -области опусти­лось немного ниже валентной зоны p -области . В более общем случае (рис.1.7, б ) ширину потенциального барьера, который необходимо преодолеть электрону из валентной зоны, можно записать (При V >> ) как а= d ( E g / qv ) = ( E g / qe ) , где E = V / d — напряженность электрического поля в p — n — переходе . Так как ширина об­ласти объемного заряда p — n -перехода уменьшается с ростом концентрации примесей, а Е увеличи­вается (при постоянном V ), то туннельный пробой на­блюдается в p — n -переходах с сильно легированными р- и n -областями . картина туннельного Пробоя Приведена на риС.1.5,б.

    в)Тепловой пробой. Я вление теплового пробоя связано с тем, что при прохождении обратного тока в p — n -пе­реходе выделяется определенное количество тепла . Е сли не обеспечен отвод этого тепла, область p — n — перехода нагревается до такой степени, что возникает определённое количество электронно-дырочных пар под действием тепловой энергии решётки . Возникновение дополнительных свободных носителей приводит к росту обратного тока. С ростом тока температура p — n -перехода повы­шается, что приведет к увеличению концентрации носи­телей заряда и росту обратного тока . Это еще больше увеличит количество выделяемого тепла, а сле­довательно, концентрация увеличится еще больше и т. д. Такой процесс может привести к тепловому про­бою. Е сли последова­тельно с диодом нет ограничивающего ток сопротивле­ния, то результатом теплового пробоя может быть раз­рушение p — n -перехода. У словие устойчивой работы диода даётся следующим выражением : I 0 =Aехр (-E g /kT) 2 /VE g R T , где :

    A – некоторая постоянная

    V – приложенное напряжение

    R T – тепловое сопротивление диода

    Это условие хорошо выполняется для полупроводников с большим значением Е g (малое I нас ), например, в крем­нии. В германиевых p — n — переходах ток насыщения значительно больше и при высоких температурах знак неравенства может измениться, т. е. произойдет тепловой пробой . В следствие положительной обратной связи между увеличением температуры и обратного тока вольт-ам­перная характеристика при тепловом пробое имеет участок отрицательного дифференциального сопротив­ления (рис.1.5, в ), т. е. с ростом тока напряжение на p — n -переходе уменьшается . Так как обратные токи p — n -переходов достаточно малы, то тепловой пробой обычно не наблюдается. В большинстве случаев он является следствием лавин­ного или туннельного пробоев, которые приводят к рез­кому увеличению обратного тока, а, следовательно, к по­вышению температуры p — n –перехода.

    г)Влияние состояния поверхности на обратный ток и пробой p — n -перехода . Вследствие различных дефектов на поверхности полупроводника там всегда имеются энерге­тические уровни, на которые захватываются носители заря­да. П оэтому на поверхности всегда существует некоторый заряд. Наличие этого заряда приводит к уменьшению сопротивления движению неосновных носителей в поверхностной области p — n – перехода, т.е. в поверхностной области течёт больше тока по сравнению с объёмом. Это Приводит к нагреву этой области и, соответственно к термогенерации дополнительных носителей, в результате ещё больше увеличивает ток в поверхностной области. это в свою очередь может привести к тепловому пробою. В зависимости от типа поверхностного заряда, поверхностный пробой может быть и лавинным или туннельным. Признаком наличия утечки тока по поверхности p — n – перехода является линейный рост обратного тока с ростом обратного напряжения (рис.1.5, г ), в то время как у идеального p — n – перехода этот ток не зависит от напряжения.

    Electronov.net | Библиотека

    Диод (англ. diode, от др.-греч. δις — два и ὁδός — путь) – устройство на основе полупроводника, обладающее различной проводимостью в зависимости от направления электрического поля.

    Принцип работы:

    Принцип работы основан на использовании явления p-n перехода, проводимость которого зависит от полярности приложенного напряжения. Подробнее об этом явлении можно прочитать здесь.

    Функции (в зависимости от конструкции и назначения):

    • Избирательное пропускание тока, в зависимости от его направления.
    • Стабилизация напряжения.
    • Прием световых сигналов.
    • Излучение света.

    Назначение:

    • Преобразования переменного тока в однонаправленный пульсирующий (выпрямление тока).
    • Выделение средневыпрямленного и среднеквадратичного значения тока (диодные детекторы).
    • Защита устройств от неправильной полярности включения, защита входов схем от перегрузки, ключей от пробоя ЭДС самоиндукции, возникающей при выключении индуктивной нагрузки и т.п.
    • Коммутация высокочастотных сигналов.
    • Ограничение или стабилизация уровня напряжения.
    • Детектирование наличия и уровня освещенности.
    • Излучение света.

    Классификация диодов:

    По способу монтажа:

    • для поверхностного монтажа (SMD/SMT);
    • для навесного монтажа (TH);
    • интегральные (тонкопленочные).

    По назначению:

    • Выпрямительные;
    • Импульсные;

    Имеют малую длительность переходных процессов, предназначены для применения в импульсных режимах работы.

    • Детекторные;
    • Смесительные;

    Предназначены для преобразования высокочастотных сигналов в сигналы разностной частоты, определяемой частотой задающего генератора.

    • Переключательные;

    Применяются в устройствах управления уровнем сверхвысокочастотной мощности.

    • Ограничительные;
    • Защитные;

    Защита аппаратуры от повышения сетевого напряжения.

    Используются для генерации ВЧ и СВЧ колебаний.

    • Приемные;
    • Излучательные.

    По конструкции:

    • Диод Шоттки;
    • СВЧ-диод;
    • Стабилитрон (диод Зенера);
    • Варикап;
    • Светодиод;
    • Фотодиод;
    • Pin диод;
    • Лавинный диод;
    • Лавинно-пролетный диод;
    • Диод Ганна;
    • Туннельный диод;
    • Обращенный диод.

    По размеру pn перехода:

    • плоскостные;
    • точечные.

    По частотному диапазону:

    • Низкочастотные;
    • Высокочастотные;
    • СВЧ.

    ВАХ диода:

    Для начала рассмотрим ВАХ идеального диода.

    Рисунок 1 — ВАХ идеального диода.

    Как видно из графика, диод проводит ток только при прямом напряжении на его выводах (т.е. плюс на аноде, минус на катоде). Ток I – это ток насыщения, т.е. максимальный обратный ток, вызванный тепловым дрейфом носителей тока в области p-n перехода, он на несколько порядков меньше прямого тока.

    Для любителей формул, можно отметить, что ВАХ идеального диода описывается следующим выражением:

    I – ток насыщения.

    — тепловой потенциал (е – элементарный заряд электрона, k – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура).

    Однако, в жизни, как известно, не все так просто и приходится постоянно напрягать свой мозг. ВАХ реального диода несколько отличается.

    Рисунок 2 — ВАХ реального диода.

    Первое отличие – разное напряжение открывания диода (U), в зависимости от используемого материала полупроводника. Для кремния (Si) оно составляет примерно 0.7 В; для германия (Ge) – 0.3 В.

    Второе отличие – другой вид обратной ветви, наличие пробоя p-n перехода.

    Обычно выделяют участки электрического (А-Б) и теплового (Б-В) пробоя. Электрический пробой по своей сути нарушает лишь электрическую изоляцию областей p-n перехода, поэтому он является обратимым. Тепловой пробой напротив, нарушает физическую целостность p-n перехода, по сути, он просто выгорает, очевидно, что тепловой пробой является необратимым и приводит в негодность элемент.

    Если Вам интересны причины пробоя, то следующий абзац для Вас.

    Электрический пробой:

    Электрический пробой возникает из-за резкого возрастания обратного тока вследствие резкого уменьшения сопротивления запирающего слоя. Внимательный читатель тут же возразит: «как же так? Ведь увеличение обратного напряжения для p-n перехода вызывает увеличение геометрических размеров запирающего слоя, а, следовательно, и его сопротивления!». А объясняется это дело достаточно просто. Реальность всегда придумывает Нам какие-либо сложности, поэтому в полупроводниках присутствуют два явления – лавинное размножение заряда и туннельный эффект, по названиям, которых и разделяют электрический пробой на лавинный и туннельный. И если для понимания первого эффекта достаточно прочитать про его суть, то туннельный эффект является квантовым эффектом, и для его понимания просто необходимо напрячь свой мозг.

    Лавинное размножение заряда происходит за счет явления ударной ионизации, суть которого состоит в том, что электроны, ускоряясь электрическим полем, приобретают энергию, достаточную для выбивания электронов из атомов кристаллической решетки полупроводника, которые в свою очередь, также ускоряются данным полем, и происходит так называемый «лавинный» процесс отрыва электронов от атомов электрическим полем. Результатом этих процессов является резкое увеличение проводимости, а, следовательно, уменьшение сопротивления запирающего слоя практически без изменения его геометрических размеров.

    Туннельный эффект (в англоязычной литературе также известен как эффект Зенера) наиболее вероятен в p-n переходах малой толщины. Суть его в том, что электроны, имеющие полную энергию меньше, чем высота энергетического барьера, таки проникают через этот энергетический барьер, в нашем случае — барьер p-n перехода, без изменения энергии, при таких напряжениях, когда зона проводимости в n-области имеет равные энергетические уровни с валентной зоной р-области. Этот эффект является полностью квантовым и противоречит классической механике. В качестве упрощенного объяснения можно сказать следующее. Из решения уравнения Шредингера для задачи потенциального барьера, следует ненулевой коэффициент прозрачности барьера для частиц с энергией равной или менее высоты этого барьера. Ну а чтобы устранить возможные логические трудности, можно вспомнить о соотношении неопределенностей (соотношение Гейзенберга), которое говорит о том, что если мы уменьшаем неопределенность в координате частицы, то увеличиваем неопределенность в импульсе, и наоборот. Следовательно, Мы не можем сказать достоверно, что частица, прошедшая барьер, действительно имела в момент прохождения определенную энергию.

    Также нужно отметить, что туннельный эффект носит вероятностный характер, поэтому наибольшая вероятность его возникновения в p-n переходах с большой концентрацией примесей.

    Тепловой пробой:

    Тепловой пробой возникает, когда выделяемое на p-n переходе количество теплоты, создаваемое обратным током, превышает отводимое. Сопротивление полупроводника уменьшается с ростом температуры, следовательно, из-за снижения сопротивления p-n перехода, через него еще более возрастает протекающий ток и происходит тепловое разрушение p-n перехода.

    Паразитные свойства диода:

    Влияние температуры:

    Так как дрейфовые процессы в полупроводнике играют не последнюю роль, то и температура может существенно изменить ВАХ p-n перехода и соответственно параметры диода.

    Рисунок 3 — Влияние температуры на ВАХ диода.

    — нормальная температура окружающей среды ();

    — температура эксплуатации диода.

    Емкость:

    Так как p-n переход является границей раздела областей с различными типами проводимости, т.е. разно полярными зарядами, то вполне очевидно, что он имеет определенную величину электрической емкости. При обратном напряжении на переходе, запирающий слой, имеющий высокое сопротивление, играет роль диэлектрика.

    В общем случае емкость диода состоит из барьерной и диффузионной.

    Диффузионная емкость вызвана наличием разно полярных зарядов внутри полупроводника. Проявляется эта емкость при протекании значительного прямого тока.

    – протекающий прямой ток через диод;

    — эффективное время жизни неосновных носителей заряда;

    — тепловой потенциал.

    Барьерная емкость возникает из-за наличия неосновных носителей заряда, т.е. из-за того, что ток в полупроводнике может возникать не только при движении электронов, но и при движении дырок.

    — емкость p-n перехода при Т = 20 °С и Uобр. = 0 В;

    — обратное напряжение на диоде;

    — контактная разность потенциала p-n перехода (для Si – 0.9-1.2 В; для Ge – 0.6-0.7 В);

    — коэффициент распределения примесей в полупроводнике (0.5 для ступенчатого распределения; 0.3 для линейного).

    Обозначения диодов и принцип работы, ВАХ

    Выпрямительные диоды — это полупроводниковые приборы, которые имеют один p-n переход и два металлических вывода. Вся система заключена в пластмассовом, металлическом, стеклянном или металлокерамическом корпусе. Предназначены для преобразования переменного тока в постоянный.

    Обозначение и расшифровка диодов

    Обозначение выпрямительного диода на схеме согласно “ГОСТ 2.730-73 ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Приборы полупроводниковые”. В приложении данного ГОСТа указаны размеры в модульной сетке. Выглядит это следующим образом:

    Существуют различные варианты обозначения диодов.

    Согласно ОСТ 11366.919-81 следующее буквенно-цифровое обозначение:

    • 1) первая буква или цифра указывает на материал:
      • 1 (Г) — германий Ge
      • 2 (К) — кремний Si
      • 3 (А) — галлий Ga
      • 4 (И) — индий In
    • 2) Вторая буква — это подкласс полупроводникового прибора. Для нашего случая — это буква Д.
    • 3) Третья цифра — функционал элемента в зависимости от класса (диоды, варикапы, стабилитроны и др.).

      Например, для выпрямительных диодов (Д):

      101. 199 — диоды малой мощности с постоянным или средним значением прямого тока менее 0,3А.

      201. 299 — диоды средней мощности с постоянным или средним значением прямого тока от 0,3 до 10А.

      Также существуют диоды большой мощности с током более 10А. Отвод тепла у диодов малой мощности осуществляется через корпус, у диодов средней и большой мощности через теплоотводящие радиаторы.

      До 1982 года была другая классификация:

      • первая Д — характеризовала весь класс диодов
      • далее шел цифровой код:
        • от 1 до 100 — для точечных германиевых диодов
        • от 101 до 200 — для точечных кремниевых диодов
        • от 201 до 300 — для плоскостных кремниевых диодов
        • от 301 до 400 — для плоскостных германиевых диодов
        • от 401 до 500 — для смесительных СВЧ детекторов
        • от 501 до 600 — для умножительных диодов
        • от 601 до 700 — для видеодетекторов
        • от 701 до 749 — для параметрических германиевых диодов
        • от 750 до 800 — для параметрических кремниевых диодов
        • от 801 до 900 — для стабилитронов
        • от 901 до 950 — для варикапов
        • от 951 до 1000 — для туннельных диодов
        • от 1001 до 1100 — для выпрямительных столбов
      • третья цифра — разновидность групп однотипных приборов

      Система JEDEC (США)

      • первая цифра — число p-n переходов (1 — диод; 2 — транзистор; 3 — тиристор)
      • далее N (типа номер) и серийный номер
      • после может идти пару цифр про номиналы и отдельные характеристики диода

      Система Pro Electron (Европа)

      По данной системе приборы делятся на промышленные и бытовые. Бытовые кодируются двумя буквами и тремя цифрами от 100 до 999. У промышленных приборов будет идти три буквы и две цифры от 10 до 99. Для диодов:

      • 1) первая буква:
        • A — германий Ge
        • B — кремний Si
        • C — галлий Ga
        • R — другие полупроводники
      • 2) Вторая буква — это буква A, указывающая на маломощные импульсные и универсальные диоды.
      • 3) Третья буква отвечает за принадлежность элемента к сфере специального применения (промышленность, военная). “Z”, “Y”, “X” или “W”.
      • 4) Четвертая — это 2х, 3х или 4х-значный серийный номер прибора.
      • 5) Дополнительный код — в нем для выпрямительных диодов указывается максимальная амплитуда обратного напряжения.

      Система JIS (Япония)

      Применяется в странах Азии и тихоокеанского региона.

      • первая цифра — число переходов (0 — фототранзистор, фотодиод; 1 — диод; 2 — транзистор; 3 — тиристор)
      • затем буква S (semiconductors) — полупроводниковые
      • затем буква, отвечающая за тип прибора:
        • A — ВЧ транзисторы p-n-p
        • B — НЧ транзисторы p-n-p
        • С — ВЧ транзисторы n-p-n
        • D — НЧ транзисторы n-p-n
        • E — диоды
        • F — тиристоры
        • G — диоды Ганна
        • H — однопереходные транзисторы
        • J — полевые транзисторы с p-каналом
        • K — полевые транзисторы с n-каналом
        • M — симметричные тиристоры
        • Q — светоизлучающие диоды
        • R — выпрямительные диоды
        • S — малосигнальные диоды
        • T — лавинные диоды
        • V — варикапы, p-i-n диоды, диоды с накоплением заряда
        • Z — стабилитроны, стабисторы, ограничители

        В нашем случае будет буква R.

      • Рег. номер прибора
      • Модификация прибора
      • Далее может идти индекс, описывающий специальные свойства

      Существуют и специальные обозначения от фирм-изготовителей, которые отличаются от приведенных выше.

      Принцип действия выпрямительного диода

      Полупроводники по своим электрическим свойствам являются чем-то средним между проводниками и диэлектриками.

      Как ведет себя диод при прямом и обратном включении

      Прямое направление — направление постоянного тока, в котором диод имеет наименьшее сопротивление.

      Обратное направление — направление постоянного тока, в котором диод имеет наибольшее сопротивление.

      Рассмотрим поведение тока в цепи при прямом и обратном включении на переменное и постоянное напряжение. Изначально мы будем иметь синусоиду, которая получается от источника переменного тока.

      При таких способах подключения отсекается половина синусоиды положительная или отрицательная. На выходе — пульсирующий переменный ток одного знака (считай, постоянный, только загвоздка в том, что им никто не пользуется).

      • анод (для прямого включения подключаем к плюсу), основание треугольника
      • катод (подключаем к минусу для прямого включения) палочка

      Ток течет от анода к катоду, некоторые прибегают к сравнению с воронкой. В широкое горлышко жидкость проходит быстрее, чем в узкое. Принцип работы заключается в пропускании тока при прямом включении и запирании диода при обратном включении (отсутствии тока). Всё дело в запирающем слое, который испаряется или расширяется в зависимости от способа подключения диода.

      Рассмотрим поведение диода в схеме постоянного тока. На левом изображении ток, напряжение проходит — лампочка горит (черная) — это прямое включение. На правом изображении диод не пропускает достаточно тока и напряжения для загорания лампочки — обратное включение.

      ВАХ выпрямительных диодов (Ge, Si)

      Вольт-амперные характеристики диодов представляют собой графики зависимостей прямых и обратных токов (Y) и напряжений (X) при различных температурах.

      При подаче обратного напряжения, превышающего пороговое значение, величина обратного тока возрастает и происходит пробой p-n слоя. Стоит обратить внимание и на порядки чисел по осям. Величины обратного тока на порядок меньше прямого. Значения прямого напряжения на порядок меньше обратного. По достижении порогового значения прямого напряжения прямой ток начинает увеличиваться лавинообразно.

      Разница между диодами в том, что обратный ток кремниевых диодов меньше, чем у германиевых. Поэтому, за счет большего тока, у Ge диодов пробой носит тепловой характер, у Si — преобладает электрический пробой. Мощность, рассеиваемая при одинаковых токах у германиевых диодов меньше.

      Сохраните в закладки или поделитесь с друзьями

      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.

      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.

      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.

      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.

      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.

      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:

      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.

      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.

      Читать еще:  Режим резания при токарной обработке: элементы и понятие резания
    Ссылка на основную публикацию
    ВсеИнструменты
    Adblock
    detector