ВАХ діода. Прямий та зворотний струм. Пряма і зворотна напруга. Напруга пробою. Визначення максимальної зворотної напруги діодів. Випрямлення струму. Як визначити зворотну напругу діода

Влаштування напівпровідникового діода.

Пряме та зворотне включення діода, охарактеризувати пряму та зворотну напругу, прямі та зворотні струми діода.

Графік прямого включення намальований у першому квадранті. Звідси видно, що чим більше напруга, Тим більше струм. Причому до якогось моменту напруга зростає швидше за струм. Але потім настає перелом, і напруга майже не змінюється, а струм починає зростати. Для більшості діодів цей перелом настає в діапазоні 0,5…1 В. Саме ця напруга, як то кажуть, «падає» на діод. Тобто, якщо ви підключите лампочку за першою схемою на рис. 3, а напруга батареї живлення у вас буде 9, то на лампочку потрапить вже не 9, а 8,5 або навіть 8 (залежить від типу діода). Ці 0,5…1 є падіння напруги на діоді. Повільне зростання струму до напруги 0,5…1В означає, що у цій ділянці струм через діод мало йде навіть у напрямі.

Графік зворотного включення намальовано у третьому квадранті. Звідси видно, що у значній ділянці струм майже змінюється, та був збільшується лавиноподібно. Що це означає? Якщо ви увімкнете лампочку за другою схемою на рис. 3, то світитися вона не буде, тому що діод у зворотному напрямку струм не пропускає (точніше, пропускає, як видно на графіку, але цей струм настільки малий, що лампа не світитиметься). Але діод не може стримувати напругу безкінечно. Якщо збільшити, напруга, наприклад, до кількох сотень вольт, то ця висока напруга «проб'є» діод (див. перегин на зворотній гілці графіка) і струм через діод буде текти. Ось тільки «пробою» - це процес необоротний (для діодів). Тобто такою «пробою» призведе до вигоряння діода і він або взагалі перестане пропускати струм у будь-якому напрямку, або навпаки – пропускатиме струм у всіх напрямках.

Рис.3. Пряме включення p-n-переходу

Нехай електрони 1, 2, 3 здійснюють дифузію в p-шар, який на мить втрачає електричну нейтральність, набуваючи надмірного негативного заряду. Між p-шаром та його виведенням виникає електричне поле, яке викидає у зовнішній ланцюг електрони 4, 5, 6 із найближчих орбіт парно-електронних зв'язків напівпровідника p-типу. Далі електрони 1, 2, 3 починають дифузійне переміщення дірками вправо до правого контакту.

Під час дифузії електронів 1, 2, 3 n-шар також втрачає електричну нейтральність, набуваючи надмірного позитивного заряду. Між n-шаром та його висновком виникає електричне поле, яке втягує із зовнішнього ланцюга електрони 7, 8, 9. В результаті у лівого та правого контакту, а також через структуру протікає прямий струм. Величина прямого струму визначається площею p-n-переходу і залежить від прикладеної прямої напруги та обмежуючого опору.

Рис.4. Зворотне ввімкнення p-n-переходу

Схема зворотного включення p-n-переходу наведено на рис.4. Під дією зворотної напруги відбувається відтік основних носіїв 1 та 2 від меж переходу, тому p-n-перехід розширюється. Для основних носіїв створюється сильне поле, що гальмує, тому дифузія носіїв неможлива. Поле, що діє на переході, прискорює для неосновних носіїв, тому відбувається дрейф носіїв. Струм дрейфу має три складові: струм термогенерації, тепловий струм, струм витоку.

Струм термогенерації створюється неосновними носіями 5 і 6, які генеровані в області переходу, і залежить від температури Iтг(Т) = Iтг(Т0)еТ де Т0 - початкове значення температури (250С); Т – поточне значення температури; Т – зміна температури; – температурний коефіцієнт. Струм термогенерації переважає у кремнієвих діодів, які мають більшу ширину p-n-переходу порівняно з германієвими діодами.

Тепловий струм створюється неосновними носіями 3 і 4, які генеровані шарах напівпровідника, прилеглих до переходу. Тепловий струм переважає у германієвих p-n-переходів. Він залежить від температури Iт(Т) = Iт(Т0)еТ. Існує емпіричне правило для оцінки струмів, що залежать від температури: при зростанні температури на 100С зворотний струм зростає вдвічі.

Струм витоку створюється неосновними носіями, які генеруються на поверхні шарів. Цей струм залежить від температури, т.к. визначається станом поверхні кристала напівпровідника. Основною особливістю струму витоку є нестабільність у часі, що називається повзучістю.

Сумарне значення струму неосновних носіїв при температурі до 400С набагато менше струму дифузії: Iпр/Iобр = 104 - 105. З цього співвідношення випливає, що несиметричний ступінчастий p-n-перехід має вентильні властивості.

Діодом називають напівпровідниковий прилад з одним p-n перехідом, який має два виходи (катод та анод), він призначений для стабілізації, випрямлення, модуляції, детектування, перетворення та обмеження електричних сигналів зворотного струму.

У своєму функціональному призначенні діоди поділяють на імпульсні, випрямні, універсальні, стабілітрони, НВЧ-діоди, тунельні, варикапи, що перемикають діоди і т.п.

Теоретично нам відомо, що діод пропускає струм лише одну торону. Проте, не всім відомо і зрозуміло яким саме чином це робить. Схематично діод можна собі уявити як кристала що з 2-х областей (напівпровідників). Одна з цих областей кристала має провідність n-типу, а інша - провідність p-типу.

На малюнку знаходяться дірки, що переважають в області n-типу, зображені синіми колами, а електрони, що переважають в області p-типу - червоними. Дві ці області є електродами діода катодом та анодом:

Катод – це негативний електрод діода, основними носіями заряду якого є електрони.

Анод – це позитивний електрод діода, основними носіями заряду якого є дірки.

На зовнішніх поверхнях областей нанесені контактні металеві шари, до яких припаяні дротяні виводи електродів діода. Прилад такого роду може бути виключно в одному з двох станів:

1. Закрите – це коли він погано проводить струм;

2. Відкрите – це коли він добре проводить струм.

Діод опиниться у закритому стані, якщо застосувати полярність джерела постійної напруги.

У такому разі електрони з області n-типу почнуть переміщення до позитивного полюса джерела живлення, віддаляючись від p-n переходу, і дірки в області p-типу теж будуть віддалятися від p-n переходу, переміщаючись до негативного полюса. Зрештою межа областей розшириться, чому утворюється зона об'єднана електронами і дірками, яка чинитиме величезний опір струму.

Однак, у кожній з областей діода присутні неосновні носії заряду, і невеликий обмін електронами та дірками між областями все ж таки відбуватиметься. Тому через діод протікатиме в багато разів менший струм, ніж прямий, і цей струм називають зворотним струмом діода. На практиці, як правило, зворотним струмом p-nпереходу нехтують, і звідси виходить, що p-n перехід має лише односторонню провідність.

Основні параметри діодів- це прямий струм діода (I пр) та максимальна зворотна напруга діода (U обр). Саме їх треба знати, якщо постає завдання розробити новий випрямляч для джерела живлення.

Прямий струм діода

Прямий струм діодаможна легко обчислити, якщо відомий загальний струм, який споживатиме навантаження нового блока живлення. Потім, для забезпечення надійності, необхідно трохи збільшити це значення і вийде струм, який треба підібрати діод для випрямляча. Наприклад, блок живлення повинен витримувати струм 800 мА. Тому ми вибираємо діод, у якого прямий струм діода дорівнює 1А.

Зворотне напруження діода

максимальне зворотна напруга діода- це параметр, який залежить від значення змінної напруги на вході, а й від типу випрямляча. Для пояснення цього твердження розглянемо такі малюнки. Там показані всі основні схеми випрямлячів.

Рис. 1

Рис. 2

На малюнку 2 зображений двонапівперіодний випрямляч з виведенням середньої точки. У ньому також, як і в попередньому, діоди треба підбирати зі зворотною напругою в 3 рази, що перевищує діюче значення вхідного.

безкоштовній онлайн бібліотеці «КнигаГо.ру»

Http://knigago.ru

I. РОЗРАХУНОК ПАРАМЕТРІВ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ДІОДІВ

Випрямні діоди призначені для випрямлення змінного струмунизької частоти (зазвичай менше 50 кГц). Як випрямлячі використовують площинні діоди, що допускають завдяки значній площі контакту великий випрямлений струм. Вольт-амперна характеристика діода виражає залежність струму, що протікає через діод, від значення та полярності доданої до нього напруги (рис.1.1). Гілка, розташована в першому квадранті, відповідає прямому (пропускному) напрямку струму, а розташована в третьому квадранті зворотного напрямку струму.

Чим крутіша і ближче до вертикальної осі пряма гілка, і ближче до горизонтальної зворотна гілка, тим краще випрямні властивості діода. При досить великому зворотному напрузі у діода настає пробій, тобто. різко зростає зворотний струм. Нормальна роботадіода як елемент з односторонньою провідністю можлива лише в режимах, коли зворотна напруга не перевищує пробивного.

Струми діодів залежать від температури (див. рис.1.1). Якщо через діод протікає постійний струм, то за зміни температури падіння напруги на діоді змінюється приблизно 2 мВ/°С. При збільшенні температури зворотний струм збільшується вдвічі у германієвих та в 2,5 рази у кремнієвих діодів на кожні 10°С. Пробивна напруга у разі підвищення температури знижується.

Високочастотні діоди - прилади універсального призначення: для випрямлення струмів у широкому діапазоні частот (до кількох сотень МГц), для модуляції, детектування та інших нелінійних перетворень. Як високочастотні в основному використовуються точкові діоди. Високочастотні діоди мають ті ж властивості, що й випрямляючі, але діапазон їх робочих частот набагато ширший.

Основні параметри:

Unp- постійна пряма напруга при заданому постійному прямому струмі;

Uобр- постійна зворотна напруга, прикладена до діода у зворотному напрямку;

Iпр- постійний прямий струм, що протікає через діод у прямому напрямку;

Iобр- постійний зворотний струм, що протікає через діод у зворотному напрямку при заданому зворотному напрузі;

Unp.oбр- значення зворотної напруги, що викликає пробій переходу діода;

Inp.cp- Середній прямий струм, середнє за період значення прямого струму діода;

Iвп.ср-середній струм, що випрямляє, середнє за період значення випрямленого струму, що протікає через діод (з урахуванням зворотного струму);

Ioбр.cp- середній зворотний струм, середнє за період значення зворотного струму;

Рпр- пряма потужність, що розсіюється, значення потужності, що розсіюється діодом при протіканні прямого струму;

Pср- середня розсіювана потужність діода, середнє за період значення потужності, що розсіюється діодом при протіканні прямого та зворотного струму;

Rдіф- диференціальний опір діода, відношення малого збільшення напруги діода до малого збільшення струму на ньому при заданому режимі

(1.1)

Rnp.д. - Прямий опір діода по постійному струмузначення опору діода, отримане як приватне від розподілу постійної прямої напруги на діоді та відповідного прямого струму

Roбр.д- Зворотний опір діода; значення опору діода, отримане як приватне від розподілу постійної зворотної напруги на діоді та відповідного постійного зворотного струму

(1.3)

Максимально допустимі параметри визначають межі експлуатаційних режимів, у яких діод може працювати із заданою ймовірністю протягом встановленого терміну служби. До них відносяться: максимально допустима постійна зворотна напруга Uобр.max; максимально допустимий прямий струм Iпр.max, максимально допустимий середній прямий струм Iпр.ср.max, максимально допустимий середній випрямлений струм Iвп.пор.max, максимально допустима середня потужність діода, що розсіюється. Рср.max.

Зазначені параметри наводяться у довідковій літературі. Крім того, їх можна визначити експериментально та за вольт-амперними характеристиками.

Диференціальний опір знаходимо як котангенс кута нахилу дотичної, проведеної до прямої гілки ВАХ у точці Iпр= 12 мА ( Rдіф ~ ctg Θ ~)

(1.4)

Прямий опір діода знаходимо як відношення постійної напруги на діоді Uпр=0,6В до відповідного постійного струму Iпр= 12мА на прямій гілки ВАХ.

(1.5)

Бачимо, що Rдіф < Rпр.д. Крім того, відзначимо, що значення параметрів залежать від заданого режиму. Наприклад, для цього ж діода при Iпр=4мА

(1.6) , (1.7)

Розрахувати Roбр.ддля діода ГД107 при Uобр= 20 і порівняти з розрахованою величиною Rпр.д. На зворотній гілці ВАХ ГД107 (див. рис. 1.2) знаходимо: Iобр= 75мкА при Uобр= 20В. Отже,

(1.8)

Бачимо, що Робр>>Rпр.дщо говорить про односторонню провідність діода. Висновок про односторонню провідність можна зробити і безпосередньо з аналізу ВАХ: прямий струм Iпр~мА при Uпр <1B, в то время как Iобp~ десятки мкА при Uобр~десяткивольт, тобто. прямий струм перевищує зворотний у сотні-тисячі разів

(1.9)

Стабілітрони і стабістори призначені для стабілізації рівня напруги при зміні струму, що протікає через діод. У стабілітронів робітником є ділянка електричного пробою вольт-амперної характеристики в галузі зворотної напруги (рис. 1.3).

На цій ділянці напруга на діоді залишається практично постійною при значній зміні струму, що протікає через діод. Подібною характеристикою мають сплавні діоди з базою, виготовленою з низькоомного (високолегованого) матеріалу. При цьому утворюється вузький p-n-перехід, що створює умови для виникнення електричного пробою при відносно низьких зворотних напругах (одиниці - десятки вольт). А саме така напруга потрібна для живлення багатьох транзисторних пристроїв. У германієвих діодах електричний пробій швидко переходить у тепловий, тому як стабілітрони застосовують кремнієві діоди, що мають більшу стійкість щодо теплового пробою. У стабісторів робітником служить пряма ділянка вольт-амперної характеристики (рис.1.4). У двосторонніх (двох-анодних) стабілітронів є два зустрічно включені p-n переходи, кожен з яких є основним для протилежної полярності.

Основні параметри:

Uст- напруга стабілізації, напруга на стабілітроні при протіканні номінального струму;

∆Uст.ном- розкид номінального значення напруги стабілізації, відхилення напруги на стабілітроні від номінального значення;

Rдіф.ст- диференціальний опір стабілітрона, відношення збільшення напруги стабілізації на стабілітроні до малого приросту струму, що викликало його, в заданому діапазоні частот;

α СТ – температурний коефіцієнт напруги стабілізації, відношення відносної зміни напруги стабілізації до абсолютної зміни температури навколишнього середовища при постійному струмі стабілізації.

Максимально допустимі параметри. До них відносяться: максимальний Іст.max, мінімальний Іст.minструми стабілізації, максимально допустимий прямий струм Imax, максимально допустима розсіювана потужність Pmax.

Принцип роботи найпростішого напівпровідникового стабілізатора напруги (рис.1.5) заснований на використанні нелінійності вольт-амперної характеристики стабілітронів (див. рис.1.3). Простий напівпровідниковий стабілізатор є дільником напруги, що складається з обмежувального резистора Рогрта кремнієвого стабілітрона VD. Навантаження Rн підключається до стабілітрона,