Как влияет температура на диод: Влияние температуры на ВАХ диода — Студопедия

Влияние температуры на ВАХ диода — Студопедия

температура окружающей среды оказывает существенное влияние на вольт-амперную характеристику диода. С изменением температуры несколько меняется ход как прямой, так и обратной ветви ВАХ.

При увеличении температуры возрастает концентрация неосновных носителей в кристалле полупроводника. Это приводит к росту обратного тока перехода (за счет увеличения тока двух его составляющих: I_о и I_тг), а также уменьшению обьемного сопротивления области базы. При увеличении температуры обратный ток насыщения увеличивается примерно в 2 раза у германиевых и в 2,5 раза у кремниевых диодов на каждые 10 °С. Зависимость обратного тока от температуры аппроксимируется выражением

I₀(Т)=I_(То)2^{(Т-То)/Т*},

где: I_(Т0)-ток измерен при температуре Т0; Т – текущая температура; Т* — температура удвоения обратного тока — (5-6)⁰С – для Ge и (9-10)⁰С – для Si.

Максимально допустимое увеличение обратного тока диода определяет максимально допустимую температуру диода, которая составляет 80— 100 °С для германиевых диодов и 150 — 200 °С для кремниевых..

Ток утечки слабо зависят от температуры, но может существенно изменяться во времени. Поэтому он, в основном, определяет временную нестабильность обратной ветви ВАХ.

Прямая ветвь ВАХ при увеличении температуры сдвигается влево и становится более крутой (рис.2.2). Это объясняется ростом I_обр (рис.2.2) и уменьшением r_б, Последнее, уменьшает падение напряжения на базе, а напряжение непосредственно на переходе растет при неизменном напряжении на внешних выводах.

Для оценки температурной нестабильности прямой ветви вводится температурный коэффициент напряжения (ТКН) a_т=DU/DT, показывающий, как изменится прямое напряжение на диоде с изменением температуры на 1⁰С при фиксированном прямом токе. В диапазоне температур от -60 до +60″С a_т @-2,3 мВ/°С.

Выпрямительные диоды

Выпрямительные диоды – предназначены для выпрямления низкочастотного переменного тока и обычно используются в источниках питания. Под выпрямлением понимают преобразование двухполярного тока в однополярный. Для выпрямления используется основное свойство диоды – их одностороняя проводимость.

В качествевыпрямительных диодов в источниках питания для выпрямления больших токов используют плоскостные диоды, которые имеют большую площадь контакта р и п областей. Такие диоды обладают большой барьерная емкостью, емкостное сопротивление Xc=1/(ωC) с ростом частоты становится мало и закорачивает (шунтирует) сопротивление перехода г_pn, в результате чего выпрямления не выполняется, но это не существенно, т.к. такие диоды используют в низкочастотных схемах. Кроме того такие диоды имеет большую величину обратного тока.

Основные параметры выпрямительных диодов даются применительно к их работе в однополупериодном выпрямителе с активной нагрузкой (без конденсатора, сглаживающего пульсации).

Среднее прямое напряжение U_пр.._ср — среднее за период прямое напряжение на диоде при протекании через него максимально допустимого выпрямленного тока.

Средний обратный ток I_{обр. ср} — средний за период обратный ток, измеряемый при максимальном обратном напряжении.

Максимально допустимое обратное напряжение U_{обр. mах} (U_{обр. и mах}) — наибольшее постоянное (или импульсное) обратное напряжение, при котором диод может длительно и надежно работать.

Максимально допустимый выпрямленный ток I_{вп. ср mаах}— средний за период ток через диод (постоянная составляющая), при котором обеспечивается его надежная длительная работа.

Максимальная частота f_мах — наибольшая частота подводимого напряжения, при которой выпрямитель на данном диоде работает достаточно эффективно, а нагрев диода не превышает допустимой величины.

Средняя рассеиваемая мощность диода Р_срД – средняя за период мощность рассеиваемая диодом при протекании тока в прямом и обратном направлении.

Превышение максимально допустимых величин ведет к резкому сокращению срока службы или пробою диода.

Улучшая условия охлаждения (вентиляцией, применением радиаторов), можно увеличить отводимую мощность и избежать теплового пробоя. Применение радиаторов позволяет также увеличить прямой ток.

Промышленностью выпускаются кремниевые выпрямительные диоды на токи до сотен ампер и обратные напряжения до тысяч вольт. Если необходимо работать при обратных напряжениях, превышающих допустимые Uобр для одного диода, то диоды соединяют последовательно. Для увеличения выпрямленного тока можно применяться параллельное включение диодов.

1)

Однополупериодный выпрямитель (рис.2.6). Трансформатор предназначен для понижения амплитуды переменного напряжения. Диод служит для выпрямления переменного тока. Временные диаграммы, поясняющие процесс работы однополупериодного выпрямителя представлены на рис.2.7. 

2) Двухполупериодный выпрямитель. Предыдущая схема имеет существенный недостаток. Он состоит в том, что не используется часть энергии первичного источника питания (отрицательный полупериод). Недостаток устраняется в схеме двухполупериодного выпрямителя.

В первый положительный (+) полупериод, ток протекает так : +, VD3, , VD2, — . Во второй – отрицательный (-) так: +, VD4, , VD1,- . В обоих случаях он через нагрузку протекает в одном направлении ↓- сверху вниз, т.е. происходит выпрямление тока.

2.5 Импульсные диоды

Импульсные диоды – это диоды, которые предназначены для работы в ключевом режиме в импульсных схемах. Диоды в таких схемах выполняют роль электрических ключей. Электрический ключ имеет два состояния:

1. Замкнутое, когда его сопротивление равно нулю R_vd =0.

2. Разомкнутое, когда его сопротивление бесконечно R_vd=∞.

Этим требованиям удовлетворяют диоды в зависимости от полярности приложенного напряжения. Они имеют малое сопротивление при смещениях в прямом направлении, и большое сопротивление при смещениях в обратном направлении

3. Важным параметром переключающих диодов является их быстродействие переключения. Факторами, ограничивающими скорость переключения диода, является:

а) ёмкость диода.

б) скорость диффузии и связанные с ней время накопления и рассасывания неосновных носителей заряда.

В импульсных диодах высокая скорость переключения достигается уменьшением площади p-n-перехода, что снижает величину ёмкости диода. Однако, это уменьшает величину максимального прямого тока диода (I_{прям.max.}). Импульсные диоды характеризуются теми же параметрами, что и выпрямительные, но имеют так же и специфические, связанные с быстродействием переключения. К ним относятся:

1) Время установления прямого напряжения на диоде (t_уст ):

t_уст. – время, за которое напряжение на диоде при включении прямого тока достигает своего стационарного значения с заданной точностью. Это время связанно со скоростью диффузии состоит в уменьшением сопротивления области базы за счёт накопления в ней неосновных носителей заряда инжектируемых эмиттером. Первоначально оно высоко, т.к. мала концентрация

носителей заряда. После подачи прямого напряжения концентрация неосновных носителей заряда в базе увеличивается, это снижает прямое сопротивление диода.

2) Время восстановления обратного сопротивления диода (t_восст.): определяется как время, в течение которого обратный ток диода после переключения полярности приложенного напряжения с прямого на обратное достигает своего стационарного значения с заданной точностью. Это время связано с рассасыванием из базы неосновных носителей заряда накопленных при протекании прямого тока.

t_восст. – время, за которое обратный ток через диод при его переключении достигает своего стационарного значения, с заданной точностью I₀, обычно 10% от максимального обратного тока.

t_восст.= t_1.+ t_2.

t_1. – время рассасывания, за которое концентрация неосновных носителей заряда на границе р-п-перехода обращается в ноль.

t_2. – время разряда диффузионной емкости, связанное рассасыванием неосновных зарядов в объме базы диода.

В целом время восстановление это время выключения диода, как ключа.

Диоды Шотки.

Электрический переход, возникающий на границе металл – полупроводник, при определенных условиях обладает выпрямительными свойствами. Он создаётся путём напыления металла на высокоомный полупроводник, например, n-типа. Прибор на основе такого перехода называется диодом Шотки. Главная особенность этого диода – это отсутствие неосновных носителей заряда в процессе его работы. Прямой ток обусловлен электронами, движущимися из кремния в металл. Следовательно, практически отсутствуют процессы их накопления и рассасывания, а потому диоды Шоттки имеют высокое быстродействие переключения.

Другой особенностью этих диодов является малое (по сравнению с обычными кремниевыми диодами) прямое напряжение, составляющее около 0,15В. Это связано с тем, что тепловой ток примерно на три порядка превышает ток р-n- перехода.

В импульсных схемах диоды Шоттки широко используются в комбинации с транзисторами. Такие транзисторы называются транзисторами Шотки – они имеют высокое быстродействие переключения.

3. Полупроводниковый диод. Температурная зависимость

  Зависимость параметров полупроводникового (ПП) диода довольно ощутима, поскольку материал из которого он сделан довольно охотно увеличивает количество свободных носителей заряда под действием светового потока, температуры, рентгеновского излучения и т. д. А это, в первую очередь, влияет на электрическую проводимость этого самого материала. Если взять два различных полупроводника, допустим германий (Ge) и кремний (Si), то при одинаковом повышении их температуры, проводимость германия будет увеличиваться существенно больше, чем у кремния. С чем это связано. Существует такой параметр, как ШИРИНА ЗАПРЕЩЕННОЙ ЗОНЫ, измеряется в электрон-вольтах (эВ). Он показывает, какое количество энергии нужно придать носителям заряда, чтобы они перешли из валентной зоны, в зону проводимости. В валентной зоне, носитель заряда не может участвовать в протекании эл. тока, поскольку он «связан» с ядром атома, но когда мы извне придаем ему энергию, допустим в виде тепла, он отрывается от атома и блуждает в кристаллической решетке материала. Так появляется свободный носитель заряда. У германия, ширина запрещенной зоны меньше, чем у кремния (0,7 эВ против 1,1 эВ), то есть носителям заряда в валентной зоне германия нужно придать меньше энергии для высвобождения. Вот почему при одинаковой высокой температуре, германий будет лучше проводить ток.

  Зависимость напряжения отпирания диода от температуры

  Что характерно для ПП диода, его напряжение отпирания практически линейно зависит от температуры в диапазоне от -55…+125ºC, убывая с ростом температуры приблизительно на 1,7 мВ на каждый градус (на практике). При этом, вольт-амперная характеристика имеет такой вид:

  При увеличении температуры, вольт-амперная характеристика смещается левее по графику, причем, форма кривой практически не изменяется. Давайте убедимся в вышесказанном, с помощью симулятора эл. цепей. Для этого, подключим к диоду источник тока, пропустив через него ток величиной 1 Ампер, подключив к нему вольтметр для мониторинга его напряжения отпирания при заданном токе и температуре диода, равного 27°С:

  Как видно из рисунка, для данного диода величина порога отпирания составляет 681 мВ при заданном токе и температуре. Давайте поднимем температуру до 127°С и посмотрим что получится:

  Напряжение отпирания снизилось до 508,4 мВ. То есть оно изменилось на 172,6 мВ (681-508,4). Поскольку, как было сказано выше, температурная зависимость практически линейна, можем узнать изменение напряжения на один градус: 172,6/100=1,726 (мВ). Выше было описано, что напряжение отпирания убывает с ростом температуры приблизительно на 1,7 мВ. Как видите, данные практически совпадают.

  Зависимость  тока диода в обратном включении от температуры

  Поскольку количество свободных носителей заряда с ростом температуры в диоде увеличивается, естественно, ток в обратном включении также будет повышаться. Давайте сразу перейдем к эксперименту. Подключим этот же диод в обратном включении к источнику напряжения величиной 12 Вольт последовательно с амперметром, и зададим температуру диода 27°C:

  Ток относительно мал и составляет 0,156 микроампер. Теперь увеличим температуру на 100°C, что при этом изменилось:

 Величина тока значительно возросла и теперь составляет 154,4 микроампер (практически в 1000 раз!). Но все же, обратный ток такой величины довольно мал относительно прямых токов, где их величина составляет единицы и десятки ампер, так что это не особо повлияет на работоспособность электрических схем с участием диодов, кроме редких случаев.

Температура — диод — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Температура — диод

Cтраница 1

Температура диода в силу тепловой инерции может меняться только непрерывно.
 [1]

При увеличении температуры диода уменьшается высота потенциального барьера ( см. § 2.1) и изменяется распределение носителей заряда по энергиям — электроны, например, занимают более высокие энергетические уровни в зоне проводимости.
 [3]

На ВАХ влияет температура диода. С увеличением температурь существенно возрастает обратный ток, а прямой ток изменяется незначительно. При приложении к диоду переменного напряжения проявляется емкость р-п перехода. Различают барьерную и диффузионную емкости.
 [5]

Действительно, отклонение температуры диода от Граб в сторону снижения приводит к тому, что выделяемая в диоде мощность станет больше отводимой ( кривая Рвыд выше Ротв), следовательно, температура диода будет расти. Наоборот, не очень большое отклонение температуры вверх приводит к тому, что выделяемая мощность станет меньше отводимой и диод будет охлаждаться.
 [7]

Пробивное напряжение зависит от температуры диода. Характер этой зависимости определяется параметрами полупроводникового материала, из которого изготовлен диод, и его конструкцией. Однако для большинства диодов с увеличением температуры пробой наступает при меньших напряжениях. Причем для высоковольтных диодов эта зависимость проявляется сильнее.
 [9]

Спад яркости свечения возрастает с увеличением температуры диода, причем степень спада пропорциональна полному заряду, прошедшему через диод. Время полуспада экспоненциально зависит от температуры; энергия активации процесса старения, полученная из такой зависимости, заметно уменьшается в присутствии ионов меди.
 [11]

Недостатком полупроводниковых выпрямителей является зависимость выпрямленного тока и напряжения пробоя от температуры диодов.
 [13]

Необходимо иметь в виду, что время зависит от скорости спада тока di Jdt, температуры диода и в меньшей степени от уровня прямого тока диода ID. С ростом л / dt ( по абсолютной величине) оно падает, а при увеличении температуры — растет.
 [14]

Величина выпрямленного тока в значительной степени зависит от условий охлаждения диода и должна выбираться такой, чтобы температура диода не превышала указанных пределов.
 [15]

Страницы:  

   1

   2

   3

14.

Влияние температуры на вах диода

температура
окружающей среды
оказывает
существенное влияние
на вольт-амперную характеристику диода.
С
изменением температуры несколько
меняется ход как прямой, так и обратной
ветви ВАХ.

При
увеличении температуры возрастает
концентрация неосновных носителей в
кристалле полупроводника. Это приводит
к росту обратного тока перехода (за счет
увеличения тока двух его составляющих:
I_о
и I_тг),
а также уменьшению обьемного сопротивления
области базы. При
увеличении температуры обратный ток
насыщения увеличивается
примерно в 2 раза у германиевых и в 2,5
раза у
кремниевых диодов на каждые 10 °С.
Зависимость обратного тока от температуры
аппроксимируется выражением

I₀(Т)=I_(То)2^{(Т-То)/Т*},

где:
I_(Т0)-ток
измерен при температуре Т0; Т – текущая
температура; Т* — температура удвоения
обратного тока — (5-6)⁰С
– для Ge
и (9-10)⁰С
– для Si.

Максимально
допустимое увеличение обратного тока
диода определяет
максимально допустимую температуру
диода, которая
составляет 80— 100 °С для германиевых
диодов и
150 — 200 °С для кремниевых..

Ток
утечки слабо зависят от температуры,
но может существенно изменяться во
времени. Поэтому он, в основном, определяет
временную нестабильность обратной
ветви ВАХ.

Прямая
ветвь ВАХ при увеличении температуры
сдвигается влево и становится более
крутой (рис.2.2).
Это объясняется ростом I_обр
(рис.2.2)
и уменьшением r_б,
Последнее, уменьшает падение напряжения
на базе, а напряжение непосредственно
на переходе растет при неизменном
напряжении на внешних выводах.

Для
оценки температурной нестабильности
прямой ветви вводится температурный
коэффициент напряжения (ТКН) _т=U/T,
показывающий, как изменится прямое
напряжение на диоде с изменением
температуры на 1⁰С
при фиксированном прямом токе. В диапазоне
температур от
-60 до
+60″С _т
-2,3
мВ/°С.

15.Выпрямительные диоды

Выпрямительные диоды – предназначены
для выпрямления низкочастотного
переменного тока и обычно используются
в источниках питания. Для выпрямления
используется основное свойство диоды
– их одностороняя проводимость. В
качестве выпрямительных диодов
используют плоскостные диоды, которые
имеют большую площадь контакта р и
п областей.

Среднее
прямое напряжение U_пр.._ср
— среднее за период прямое
напряжение на диоде при протекании
через него максимально
допустимого выпрямленного тока.

Средний
обратный ток I_обр.
ср
— средний за период обратный ток,
измеряемый при максимальном обратном
напряжении.Макс
доп обратное напряжение
U_{обр.
mах}
(U_{обр.
и mах})
— наибольшее постоянное обратное
напряжение,
при котором диод может длительно и
надежно работать. Макс
доп выпрямленный ток
I_{вп.
ср mаах}—
средний
за период ток через диод. Максимальная
частота
f_мах
— наибольшая частота подводимого
напряжения, при которой выпрямитель на
данном диоде
работает достаточно эффективно.
Средняя
рассеиваемая мощность
диода Р_срД
– средняя за период мощность рассеиваемая
диодом при протекании тока в прямом и
обратном направлении.

Д
ля
увеличения выпрямленного тока можно
применяться параллельное включение
диодов. Однополупериодный
выпрямитель (рис.2.6).
Трансформатор
предназначен для понижения амплитуды
переменного напряжения. Временные
диаграммы, поясняющие процесс работы
однополупериодного выпрямителя
представлены на рис. 2.7.

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ПРОБИВНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ ДИОДА

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

температуры, абсолютная величина изменения обратного тока в

кремниевом диоде значительно меньше, чем в германиевом.

Рис. 8.2. Влияние температуры (а), ширины запрещенной зоны (б) и концентрации примесей (в) на прямую ветвь вольт-амперной

характеристики полупроводникового диода.

Факторы, влияющие на прямой ток диода (Рис. 8.2):

1. При увеличении температуры: а) уменьшается высота

потенциального барьера и б) изменяется распределение носителей заряда по энергиям – электроны занимают все более высокие уровни в зоне проводимости. Из-за этих двух причин прямой ток через диод

увеличивается с ростом температуры при неизменном приложенном напряжении (Рис. 8.2а).

2. У диода с большей шириной запрещённой зоны больше

высота потенциального барьера, поэтому прямой ток через диод из материала с большей шириной запрещенной зоны будет меньше при том же напряжении (рис. 8.2б).

3. С увеличением концентрации примесей в прилегающих к р-n-переходу областях будет увеличиваться высота потенциального

барьера, а значит, будет меньше прямой ток при неизменном напряжении (Рис. 8.2в).

При подаче на диод обратного напряжения свыше некоторого критического значения наблюдается резкий рост тока. Это явление называется пробоем диода. Величина напряжения, при

20

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

котором наступает пробой зависит от типа р-n-перехода и

составляет от нескольких вольт до нескольких киловольт. Электрический пробой обратим, то есть он не приводит к

повреждению диода, и при снижении обратного напряжения свойства диода сохраняются.

примеси в слаболегированной области. С повышением температуры

уменьшается длина свободного пробега носителей заряда, а значит, уменьшается и энергия, которую носитель заряда может приобрести на длине свободного пробега в электрическом поле. Следовательно, повышение температуры приводит к увеличению пробивного напряжения при лавинном пробое (рис. 8.3).

Туннельный пробой. Явление перехода электронов через энергетический барьер, высота которого больше энергии электрона называется туннельным пробоем. В его основе лежит туннельный эффект, т.е. прохождение электронов сквозь потенциальный барьер, высота которого больше, чем энергия носителей заряда. С повышением температуры ширина запрещенной зоны большинства полупроводников убывает. Следовательно, при этом уменьшается и толщина барьера при той же напряженности поля, что приводит к увеличению вероятности туннелирования сквозь потенциальный барьер, поэтому пробивное напряжение при туннельном пробое уменьшается с увеличением температуры (рис. 8.4).

21

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Тепловой пробой. Тепловой пробой возникает в результате перегрева р-n-перехода при протекании через него тока большого значения, и

наличие на вольтамперной характеристике перехода при больших обратных напряжениях участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

В мощных германиевых р-n-переходах протекает большой

обратный ток, поэтому даже при небольших обратных напряжениях (меньших напряжения электрического пробоя) выделяется большая мощность. Это приводит к увеличению температуры перехода и соседних с ним областей. В свою очередь, увеличение температуры приводит к повышению обратного тока перехода и, соответственно, рассеиваемой мощности. Таким образом, возникает своеобразная теплоэлектрическая обратная связь между величиной тока и температурой р-n-перехода, что приводит к резкому увеличению тока, т. е. к пробою р-n-перехода.

Тепловой пробой может возникнуть и при малых обратных токах и напряжениях. Напряжение теплового пробоя зависит от температуры окружающей среды и условий теплоотвода. У кремниевых диодов раньше наступает лавинный пробой, но затем, по мере разогрева он может перейти в тепловой пробой. Тепловой пробой является необратимым и приводит к выходу р-n-перехода из

22

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

строя. Максимальное допустимое увеличение обратного тока диода

определяется максимально допустимую температуру диода, которая составляет 80 – 1000С для германиевых и 150 – 2000С для

кремниевых диодов.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

обратном направлении.

Электрическая схема измерения вольт-амперных характеристик

23

Температура в жизни и работе светодиодов. Часть 1 — Компоненты и технологии

Все статьи цикла:

Температура в жизни и работе светодиодов. Часть 1

Температура в жизни и работе светодиодов. Часть 2

Природа различных температурных условий работы светодиодов и физические основы причин возникновения изменений их параметров с температурой

Не останавливающийся ни на минуту прогресс в области совершенствования полупроводниковых источников света необратимо завоевывает все новые области применения светодиодов и, соответственно, требует от них гораздо большего. Это обстоятельство подталкивает разработчиков на нетрадиционные решения проблем удовлетворения возросших требований. А для этого необходимо постоянно углублять знания в области физики работы светодиодов.

Возвращаясь к проблеме продолжительности работы и стабильности параметров светодиодов, стоит обсудить еще одну очень важную сторону этой темы — влияние температуры на характеристики излучения. В большинстве случаев, когда светодиоды участвуют в формировании ответственных сигналов, определенных стандартами, или являются исполнительной частью системы передачи изображения, температурным зависимостям всегда есть место при расчетах и проектировании систем, а также при поиске методов компенсации уходов параметров. Важно отметить, что под влиянием температуры изменяются практически все фундаментальные характеристики светодиодов, указываемые в спецификациях производителем только при комнатных температурах и составляющие основу для указанного проектирования, в то время как устройства на этих светодиодах, как правило, работают в широком диапазоне температур. Знание характера изменения характеристик в зависимости от тепловых условий позволит учесть и скорректировать выходные данные указанных устройств на их основе.

Причины возникновения проблемы влияния температуры на параметры излучения светодиодов в несколько неравных пропорциях разделяются на две части — внешние и внутренние факторы изменения тепловых условий функционирования излучающего кристалла. Работа светодиода связана с протеканием электрического тока через p-n-переход кристалла и рекомбинацией носителей зарядов. Неоднократно упоминавшееся в публикациях значение КПД светодиода [1], каким бы оно ни было, не может обеспечить работу гетероструктуры без выделения тепла. Причем, в среднестатистическом светодиоде подавляющее большинство потребленной энергии идет именно на нагрев (КПД составляет 12–16%). Поэтому всегда, какой бы ни была температура окружающей среды, существует влияние собственного нагрева кристалла, кристаллодержателя и других частей конструкции на весь комплекс параметров светодиода. Оно, безусловно, непрерывно накладывается на внешние факторы изменения температуры и прямо пропорционально зависит от динамики потребления электрической мощности светодиодом. В итоге получается очень сложная температурная характеристика работающего светодиода, учитывающая и сочетающая все перечисленные факторы. Ввиду сложности учета всех компонентов этой характеристики проще сопоставить итоги экспериментов по определению уходов параметров с физическими основами работы полупроводникового излучателя, результатом чего могут стать зависимости параметров вполне реальных светодиодов от температуры.

Поскольку основой светодиода является излучающий кристалл, стоит упомянуть о некоторых температурных особенностях его работы.

Не углубляясь в тонкости процессов, происходящих в области пространственного заряда излучающей гетероструктуры, состоящей из твердых растворов материалов группы A^IIIB^V, можно сказать, что основным элементом сформированного p-n-перехода является запрещенная зона, где происходит рекомбинация носителей зарядов. Представляя из себя энергетический барьер для зарядов, который они должны преодолеть для того, чтобы рекомбинировать с носителем противоположного знака, запрещенная зона с ее характеристиками определяет параметры этой рекомбинации, таким образом формируя характеристики результатов актов рекомбинации — оптического и теплового излучений. Поэтому температурные зависимости ширины запрещенной зоны будут вносить подавляющий по значимости вклад в изменения колориметрических (спектральный состав), энергетических и других параметров производимого структурой излучения и электрических (прямое напряжение U_ƒ) характеристик светодиода. Формула (1) показывает пропорциональность функции I(hν) (спектрального состава воспроизводимого структурой излучения) ширине запрещенной зоны Eg и плотности состояния заполнения в зоне проводимости и свободных состояний в валентной зоне в соответствии с законом распределения Ферми — Дирака для электронов и дырок; hν — энергия фотона.

Изменение ширины запрещенной зоны при изменении температуры связано с двумя эффектами: термическим расширением кристаллической решетки кристалла и рекомбинацией с участием кванта теплового излучения — фонона. Влияние термического расширения решетки обеспечивает примерно 25% наблюдаемой температурной зависимости. Теоретический расчет вклада, даваемого этим эффектом, показывает, что ширина запрещенной зоны при высоких температурах меняется линейно с температурой. У большинства полупроводников значение Eg уменьшается с ростом температуры (рис. 1).

Рис. 1. Тенденция изменения ширины запрещенной зоны большинства полупроводников группы A^IIIB^V в зависимости от температуры

Большой вклад в квантовую (энергетическую) эффективность излучения будет вносить и носящая конкурирующий характер, безизлучательная рекомбинация, зависящая от температуры приблизительно так, как показано на рис. 2. Квантовая эффективность определяется как отношение числа возбужденных носителей, дающих вклад в излучение, к полному числу носителей, участвующих в рекомбинации, и может быть выражена формулой:

где Rr и R — скорости излучательной и полной рекомбинации.

Рис. 2. Приблизительная общая зависимость квантовой эффективности излучения гетероструктур материалов группы A_IIIB_V

Другими словами, внутренний квантовый выход излучения η_q — число излучаемых фотонов на одну электронно-дырочную пару. В гетероструктурах величина η_q теоретически может быть близка к 100%. Для практики, однако, важнее внешний квантовый выход излучения η_e — отношение числа излучаемых во внешнюю среду квантов света к числу электронно-дырочных пар, пересекающих p-n-переход. Он характеризует преобразование электрической энергии в световую и, помимо внутреннего квантового выхода (η_q ), учитывает коэффициент инжекции пар в активную область (γ) и коэффициент вывода света во внешнюю среду η_o (формула 3).

Данные зависимости выведены для идеализированных структур. Безусловно, на практике влияние внешних факторов гораздо больше и носит более выраженный характер из-за наличия дефектов, неизбежно возникающих при эпитаксии (выращивании кристаллов) в виде неравномерности распределения легирующих примесей и при монтаже кристаллов (контактные явления). Как правило, подобные эффекты накладываются друг на друга и лишь усугубляют результат изменения температуры.

Температурные зависимости параметров светодиодов

Электрические характеристики

Столь обширное влияние температуры на подавляющее число характеристик светодиодов, которые взаимосвязаны, стоит разделить на группы по природе возникновения и результату воздействия — приблизительно так, как формируются спецификации на светодиоды.

Первой группой параметров являются электрические: зависимости прямого напряжения U_ƒ светодиода от температуры T_a при неизменном токе I_ƒ . Здесь же рассмотрим и изменение потребляемой энергии P_dis , которая также является функцией температуры.

Эти параметры будут зависеть в основном от характера изменения ширины запрещенной зоны p-n-перехода. Здесь и далее целесообразно рассматривать диапазон температур окружающей среды, внутри которого сохраняется работоспособность светодиода и верны приведенные значения величин. Как правило, этот диапазон не бывает менее –60 и более +60 °С. Подобные температуры характерны и для рабочего диапазона, установленного для различных узлов электронной аппаратуры, выполняющих функцию управления режимом светодиодов.

Представляя прямое напряжение U_ƒ светодиода как функцию от температуры U_ƒ (T_a ) (рис. 4–8), необходимо иметь один фиксированный параметр, относительно которого изменяется напряжение, поэтому здесь речь пойдет о некотором семействе зависимостей U_ƒ (T_a ) при различных прямых токах I_ƒ. Отличие в поведении кривых этого семейства будет состоять в основном в различных степенях теплового действия этого тока и различной степени охлаждающей способности кристаллодержателя (конструкции светодиода), которая нелинейна по отношению к изменениям температуры и I_ƒ. Однако на низких температурах это сказывается мало: более влиятельным фактором оказывается внешняя низкая температура, а перегрев кристалла относительно нее (T_a ) становится менее заметным и не приводит к существенной разнице в поведении кривой U_ƒ (T_a ), несмотря на увеличивающуюся потребляемую электрическую мощность (график на рис. 10). Это можно объяснить значительным увеличением внешнего квантового выхода (рис. 2) при этих температурах, что приводит к уменьшению выделения тепла при рекомбинации. В то же время, на высоких температурах увеличение температуры T_a приводит к цепной реакции: снижается η_q (рис. 2), уменьшение U_ƒ не приводит к пропорциональному уменьшению P_dis , охлаждающая способность кристаллодержателя (конструкции светодиода) значительно снижается из-за малой разницы внешней и внутренней температур, исчерпывая в пределе лимит теплоемкости, в результате с дальнейшим ростом температуры градиент напряжения уменьшается, стремясь к минимуму и являясь следствием уравновешенности динамики внутреннего и внешнего нагрева.

Рис. 4. Относительная зависимость U_ƒ (T_a ) светодиодов на основе Al_0,35Ga_0,65As с Eg = 1,98 эВ и λdom = 642 нм (отн. T_a = 20 °C) и распределение градиента напряжения Y по температуре при разных значениях I_ƒ

Рис. 5. Относительная зависимость U_ƒ (T_a ) светодиодов на основе Al_0,30Ga_0,21In_0,49P с Eg = 2,02 эВ и λdom = 625 нм (отн. T_a = 20 °C) и распределение градиента напряжения Y по температуре при разных значениях I_ƒ

Рис. 6. Относительная зависимость U_ƒ (T_a ) светодиодов на основе Al_0,35Ga_0,16In_0,49P с Eg = 2,21 эВ и Λdom = 592 нм (отн. T_a = 20 °C) и распределение градиента напряжения Y по температуре при разных значениях I_ƒ

Рис. 7. Относительная зависимость U_ƒ (T_a) светодиодов на основе InGaN/AlGaN/GaN с λdom = 522 нм (отн. T_a = 20 °C) и распределение градиента напряжения Y по температуре при разных значениях I_ƒ

Рис. 8. Относительная зависимость U_ƒ (T_a ) светодиодов на основе InGaN/AlGaN/GaN с λdom = 468 нм (отн. T_a = 20 °C) и распределение градиента напряжения Y по температуре при разных значениях I_ƒ

Ввиду существенной разницы во многих показателях у кристаллов с различными размерами запрещенных зон, материалами состава структуры и подложки для каждой группы светодиодов будут не только свои зависимости U_ƒ (T_a ), но и функции других величин, поэтому удобно условно разделить это многообразие на четыре группы по цвету излучения и составу структуры: InGaN/AlGaN/GaN — синие и зеленые, AlInGaP/GaP — красные и желтые; отдельную группу составят светодиоды на основе GaAs с доминирующей длиной волны 642 нм. Для обсуждения зависимостей последующих величин будет принято такое же деление.

Приведенные на рис. 4–8 графики показывают, как изменяется прямое напряжение U_ƒ при различных прямых токах I_ƒ у упомянутых структур. Градиент напряжения также зависит от температуры, и его зависимость показана на нижней части рисунков, а абсолютные значения отсчитываются по вспомогательной (правой) оси Y. Все зависимости выведены для реальных светодиодов на основе экспериментальных данных и с учетом расчетов возможности теплопередачи примененных кристаллодержателей. При измерениях обозначенных характеристик на больших плотностях тока применялся светодиод на основе кристаллодержателя, разработанного для применения в приборах с рабочим током до 80 мA (плотность тока ? = 100 A/см²) через кристалл стандартного размера 250×300×250 мкм, при токах до 30 мA (плотность тока до ? = 40 A/см₂) измерения проводились как для такой конструкции кристаллодержателя, так и для стандартной, применяемой в подавляющем большинстве светодиодов с эпоксидной оптикой диаметром 5 мм. В обоих типах светодиодов были применены соответствующие излучающие кристаллы одинаковых конструкций для обеспечения чистоты эксперимента в части различных тепловых свойств разных конструкций: AlInGaP/GaP для красных и желтых фирмы Lumileds на подложке GaP, InGaN/AlGaN/GaN для синих и зеленых фирмы CREE MBright на подложке SiC.

Результаты экспериментов показали хорошее совпадение температурных зависимостей прямого напряжения U_ƒ светодиодов различных конструкций при указанных плотностях прямого тока ?, поэтому на приведенных графиках типы светодиодов не дифференцированы. Вольт-амперные характеристики измерялись при нахождении образцов в термокамере (рис. 3), внутри которой была достигнута заданная температура окружающей среды (T_a) двумя методами: импульсным действием тока, исключающим разогрев активной области кристалла, и при статическом постоянном токе I_ƒ, вносящем свой вклад в нагрев. В данной статье обсуждаются результаты второго способа измерения, как наиболее интересного для пользователей с практической точки зрения.

Рис. 3. Блок-схема экспериментальной установки для изучения температурных зависимостей светодиодов

Расположенный внутри термокамеры светодиод подключен к источнику питания с возможностью программно изменять ток в диапазоне 0–100 мA с минимальным шагом 0,1 мA и необходимым временем задержки между включением дискретов (возможность импульсного режима), источник питания позволяет также формировать обратное напряжение на излучателе до 30 В для измерения обратного тока I_r. Фиксированным параметром, относительно которого строятся все зависимости, является ток через кристалл I_ƒ, поэтому он жестко стабилизирован и его величина известна с высокой точностью во время каждого измерения остальных характеристик. Вольт-амперная характеристика измерена с шагом изменения тока при каждой температуре 0,1 мA (1000 значений для 100 мA).

Порядок измерений был следующим. Температура внутри камеры повышалась до верхнего исследуемого предела (+55 °С) и выдерживалась таковой в течение получаса для устранения переходных процессов. После этого вступала в действие установленная программа, обеспечивающая следующую последовательность. Измерялась вольт-амперная характеристика в импульсном режиме. Далее на светодиод подавалось напряжение питания с током первого дискрета измерения статических характеристик — 1 мА. По истечении 30 с (время стабилизации параметров) происходило измерение спектра излучения с максимальным временем накопления несколько секунд (для обеспечения наибольшей точности показаний), одновременно спектрофотометр получал информацию об относительной интенсивности излучения, а внутренний вольтметр источника питания присваивал значение прямого напряжения установленному току. Абсолютные значения силы света и ее пространственное распределение фиксировал двухкоординатный гониофотометр, поворачивающийся на известный угол относительно оси светодиода в камере с шагом 0,1°. При необходимости снималось несколько плоскостей диаграмм излучения светодиода для наиболее точного расчета светового потока и угловых характеристик. Далее измерялась вольт-амперная характеристика в режиме постоянного прямого тока с учетом разогрева.

Результаты измерения записывались в виде файла, содержащего информацию о температуре, при которой было сделано измерение. Основные типы светодиодов по этой программе для всех перечисленных параметров также были измерены с применением импульсного режима питания с неразогревающим действием прямого тока независимо от его значения [3].

Далее процесс повторялся, но со следующим значением тока. В диапазоне 0–10 мА дискреты были выбраны через 1 мА, в диапазоне 10–100 мА измерения проводились через каждые 10 мА. После измерения последних значений (на токе 100 мА) в камере начинала устанавливаться следующая температура и вся программа повторялась. Таким образом, каждый светодиод каждого цвета имел не менее 20 значений всех параметров на каждой температуре в диапазоне от –60 до +60 °С с шагом в 20 °С (7 дискретов).

Как видно из графиков, градиент напряжения достаточно сильно зависит от температуры у всех светодиодов и имеет устойчивую тенденцию к росту при понижении температуры. Некоторое замедление роста градиента при температурах до –50 °С, скорее всего, связано с тепловым действием тока и уменьшением этого эффекта с понижением температуры, что особенно проявляется при небольших плотностях тока через кристалл, где саморазогрев минимален у светодиодов на основе InGaN/AlGaN/GaN. Однако у светодиодов на основе AlGaInP наблюдается доминирование процесса разогрева (кривые при больших плотностях тока имеют гораздо меньшую крутизну), с одной стороны, и изменение характера увеличения ширины запрещенной зоны Eg и квантовой эффективности при понижении температуры — с другой. Эти обстоятельства следует учитывать тогда, когда речь идет о расчетах электрических режимов работы светодиодов в каком-либо устройстве, которое будет работать при различных температурах окружающей среды. Как правило, достаточно ему находиться на улице, и все перечисленные зависимости будут сказываться обязательно. Стоит также обратить внимание еще и на режимы оконечных каскадов или ключей, нагрузкой которых являются светодиоды при динамическом управлении (табло, вывески, экраны, бегущие строки). Их динамический диапазон и уровень напряжения питания не должны повлиять на излучательные параметры светодиодов при изменении температуры из-за нарушения электрического режима. И без этого характеристики оптического излучения светодиодов существенно изменятся с температурой. Это отражено в графиках на рис. 9–10.

Рис. 9. Вольт-амперные характеристики светодиодов на основе InGaN/AlGaN/GaN при различных температурах окружающей среды. На вставке — участки характеристики до 10 мA. Хорошо заметно существенное изменение экспоненциального участка ВАХ с температурой, связанное с изменением плотности состояний и скорости рекомбинации

Рис. 10. Зависимости потребляемой электрической мощности P_dis и динамическое сопротивление R_dyn светодиодов на основе InGaN/AlGaN/GaN при различных температурах окружающей среды

Кроме того, более детальное рассмотрение представленных здесь зависимостей позволит, с одной стороны, правильно оценивать охлаждающую способность кристаллодержателя при разных температурах, которая вырисовывается из поведения градиента Y при различных токах (его уменьшение при увеличении тока I_ƒ при одной и той же температуре свидетельствует об исчерпании охлаждающих свойств из-за несоответствия площади, материала кристаллодержателя и теплового сопротивления «среда — кристалл» тепловому действию тока I_ƒ ), а с другой стороны, правильно определить токовый режим работы (рабочий ток) светодиода, исключающий его перегрев.

На рис. 9 представлен более привычный вид электрической характеристики — вольт-амперной. Так выглядит семейство кривых при разных температурах. Здесь также видно, что изменяется не только само значение прямого напряжения, но и его градиент. Рис. 10 иллюстрирует изменение потребляемой мощности P_dis и динамического сопротивления R_dyn светодиодов на основе InGaN/AlGaN/GaN. Графики удобны для использования при расчетах режимов оконечных каскадов — ключей, управляющих работой светодиода, характеристик теплоотводов и потребляемой электрической мощности.

Энергетические характеристики излучения

Энергетические характеристики светодиодов также существенно зависят от температуры. Самый распространенный и наиболее известный среди пользователей параметр, хотя и достаточно косвенно отображающий энергетику излучения — осевая сила света I_V. Поведение I_V при изменении температуры носит характер, идентичный изменению других важных энергетических параметров — светового потока F и оптической мощности P, поэтому зачастую использованием этой характеристики в самых простых случаях и ограничиваются. Однако как при очень низких (–20…–60 °С), так и при высоких (до +80 °С) температурах данную зависимость (I_V(T_a)) нельзя считать корректной при оценке энергетики оптического излучения светодиода. Не зависящая ни от одного из остальных параметров излучения, осевая сила света дает лишь относительную характеристику в отличии от интегрального светового потока F, который зависит не только от изменения интенсивности излучения с температурой, но и от перераспределения его плотности по поверхности кристалла и, как следствие, от изменения вида диаграммы направленности излучения светодиода. Оптическая мощность P имеет еще более сложную зависимость из-за одновременного учета изменения светового потока и спектрального состава излучения, который также очень значительно изменяется с температурой и будет описан в следующей части статьи. Поэтому ограничимся рассмотрением и сравнением зависимостей осевой силы света и светового потока от температуры.

Как и при обсуждении электрических характеристик, в измерениях зависимостей F(I_ƒ) также был применен режим стабилизации прямого тока I_ƒ через светодиод при изменяющемся от температуры напряжении U_ƒ .

Как видно из графиков на рис. 11–14, люмен-амперные характеристики мало зависят от температуры окружающей среды. Их отличие обусловлено лишь тепловым действием прямого тока. И там, где его действие более эффективно, например, из-за снижения эффективности охлаждения кристалла, различия более заметны. Для наглядного примера стоит привести люмен-амперную характеристику светодиодов на основе InGaN/AlGaN/GaN, измеренную в импульсном режиме, который исключает разогрев кристалла прямым током (рис. 15). Хорошо видно, что эти зависимости практически совпадают.

Рис. 11. Относительные люмен,амперные (F(I_ƒ)) зависимости светодиодов на основе Al_0,30Ga_0,21In_0,49P с λdom = 625 нм (отн. I_ƒ = 20 мA) при различных температурах окружающей среды от –60 до +50 °C

Рис. 12. Относительные люмен,амперные (F(I_ƒ)) зависимости светодиодов на основе Al_0,35Ga_0,16In_0,49P с λdom = 592 нм (отн. I_ƒ = 20 мA) при различных температурах окружающей среды от –60 до +50 °C

Рис. 13. Относительные люмен,амперные (F(I_ƒ)) зависимости светодиодов на основе InGaN/AlGaN/GaN с λdom = 522 нм (отн. I_ƒ = 20 мA) при различных температурах окружающей среды от –60 до +50 °C

Рис. 14. Относительные люмен,амперные (F(I_ƒ)) зависимости светодиодов на основе InGaN/AlGaN/GaN с λdom = 469 нм (отн. I_ƒ = 20 мA) при различных температурах окружающей среды от –60 до +50 °C

Рис. 15. Относительные люмен,амперные (F(I_ƒ)) зависимости светодиодов на основе InGaN/AlGaN/GaN при крайних температурах окружающей среды от –60 до +50 °C, измеренные импульсным методом, без разогрева излучающего кристалла током I_ƒ

Диаграммы на рис. 16 показывают изменение осевой силы света светодиода с температурой при условии стабилизации одного параметра из двух: I_ƒ или U_ƒ. При значениях прямых токов с плотностью, выходящей за пределы указанного на диаграмме диапазона, наклон кривых может меняться в зависимости от типа кристаллодержателя. Однако следует также иметь в виду и тот факт, что, будучи значительно связанной с параметрами и материалом оптической системы светодиода, осевая сила света I_V непременно будет изменяться по другому закону, если диаграмма пространственного излучения светодиода будет менее 15° и более 90° по уровню 0,5, или в случае применения диспергатора в составе линзы. Помимо изменения геометрических размеров оптической системы и оптических свойств ее материала с температурой, это вызвано также перераспределением областей излучательной рекомбинации по объему кристалла, который является источником излучения и на который настроена эта оптика.

Рис. 16. Относительные зависимости осевой силы света светодиодов при различных температурах окружающей среды от –60 до +55 °C. Диаграммы справедливы для плотностей тока через кристалл 1,5–60 A/см² и даны относительно t_a = +20 °C: а) на основе GaAs, б) на основе AlGaInP, в) на основе InGaN/AlGaN/GaN с λdom = 525 нм, г) на основе InGaN/AlGaN/GaN с λdom = 468 нм

Изменение конфигурации источника приводит к рассогласованию всей оптической системы светодиода, могущей состоять из трех или более элементов (в простом случае: кристалл — лунка — линза, в более сложных: кристалл — лунка — кремнийорганический наполнитель — люминофор — линза Френеля). В указанном диапазоне углов излучения (15–90°) оптическая система оказывает оптимальное влияние на ход лучей и обладает максимальным коэффициентом концентрации светового потока внутри диаграммы направленности с наименьшими потерями, поэтому изменения характеристик источника сказываются минимально. Однако когда система формирует малый (меньше 10° по уровню 0,5) угол излучения, ее КПД (коэффициент сбора потока) уменьшается, а любая несогласованность составляющих ее элементов становится очень заметной, в то время как угол излучения светодиода стремится к значениям более 100°, близким к характерным для кристалла без оптики (линза не обладает достаточной оптической силой), объемное перераспределение излучения кристалла может изменить диаграмму направленности светодиода, являясь доминирующим при ее формировании относительно оптики. Именно поэтому можно заметить, что динамика изменения светового потока, показанная на рис. 11–14, отличается от динамики осевой силы света. Все сказанное объясняет применение зависимостей, показанных на рис. 16, лишь с указанной оговоркой.

Во второй части статьи будут обсуждаться колориметрические характеристики в зависимости от температуры и особенности восприятия глазом человека излучения светодиодов в свете этих зависимостей.

Автор выражает особую благодарность за организацию и поддержку экспериментов: Абрамову Владимиру Семеновичу, к. т. н., Аникину Петру Павловичу, к. ф-м. н., Сушкову Валерию Петровичу, д. т. н.

Продолжение следует.

Литература

1. Мосс Т. Полупроводниковая оптоэлектроника. М.: Мир. 1976.
2. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. Том 1-2. М.: Мир. 1984.
3. Абрамов В. С., Никифоров С. Г., Соболь П. А., Сушков В. П. Свойства зеленых и синих InGaN-светодиодов // Светодиоды и лазеры. 2002. № 1–2.
4. Агафонов Д. Р., Мурашова М. А., Никифоров С. Г., Пинчук О. П., Столяревская Р. И. Исследования визуального восприятия красных железнодорожных светофоров на основе СИД // Светотехника. 2003. № 6.
5. Иваницкий Г. Вернисаж инфракрасных портретов // Наука и жизнь. 2005. № 8.
6. Цвета световых сигналов. Официальные рекомендации Международной комиссии по освещению (МКО). Публикация МКО № 2.2 (ТС-1.6). 1975.

Исследование характеристик стабилитрона – В помощь студентам БНТУ – курсовые, рефераты, лабораторные !

Цель работы: Исследование характеристик стабилитрона, определение параметров и изучить влияние температуры окружающей среды на его свойства.

1. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Стабилитрон – это полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации напряжения. Для этого используются диоды, у которых на ВАХ имеется участок со слабой зависимостью напряжения от проходящего тока. Такой участок наблюдается на обратной ветви ВАХ диода в режиме электрического пробоя. Поэтому рассмотрим вначале пробой р-п перехода.

1.1. Пробой р-п переходов

В реальном р-п переходе, когда обратное напряжение достигает некоторого критического значения, ток через переход резко возрастает, начинается пробой перехода. Величина напряжения, при котором наступает пробой Uпроб. зависит от типа  р-п перехода и составляет от нескольких вольт до нескольких киловольт.

Различают следующие виды пробоя: электрический и тепловой, а электрический в свою очередь разделяют на туннельный и лавинный.

Туннельный пробой – в основе лежит туннельный эффект, т.е. просачивание электронов сквозь потенциальный барьер, высота которого больше, чем энергия носителей заряда. Это становится возможным при значительном электрическом поле, т.е. при высоких уровнях легирования (ширина р-п перехода мала). Вероятность туннельного перехода зависит от ширины запрещенной зоны полупроводников. При увеличении температуры ширина запрещенной зоны уменьшается, ширина перехода уменьшается, напряжение пробоя снижается.

Лавинный пробой вызывается ударной ионизацией: неосновные носители, образующие I0, ускоряются приложенным напряжением настолько, что при их соударении  с атомами кристаллической решетки происходит  ионизация атомов. В результате генерируется пара свободных носителей заряда: электрон и дырка. Вновь появившиеся носители заряда также ускоряются электрическим полем и в свою очередь могут вызвать ионизацию других атомов. Процесс приобретает лавинообразный характер. Это приводит к резкому увеличению обратного тока, который может быть ограничен только внешним сопротивлением. Лавинный пробой возникает в высокоомных р-п переходах, имеющих большую ширину р-п перехода. Uпроб.  в данном случае растет с увеличением температуры полупроводника, т.к. при увеличении температуры происходит уменьшение длины свободного пробега носителей.

Тепловой пробой возникает в результате разогрева р-п перехода, когда количество теплоты, выделяемой при протекании тока, больше отводимой. При этом происходит интенсивная тепловая генерация свободных носителей заряда. Это приводит к увеличению тока, что в свою очередь приводит к дальнейшему повышению температуры, т.е. возникает обратная положительная связь. Происходит тепловой пробой и прибор выходит из строя.

Следует отметить, что при электрическом пробое практически в той или иной степени могут иметь место одновременно и туннельный  и лавинный механизм пробоя.

Необходимо подчеркнуть различие явлений теплового и электрического пробоя. Если при электрическом пробое процессы развиваются в области объемного заряда, то тепловой пробой является следствием нарушения теплового баланса полупроводникового прибора из-за наличия положительной обратной связи между выделением тепла и током.

1.2. Стабилитроны

Действие полупроводниковых стабилитронов основано на электрическом (лавинном или туннельном) пробое р-п перехода, при котором происходит резкое увеличение обратного тока, а обратное напряжение изменяется очень мало. Это свойство использовано для стабилизации напряжения в элек­трических цепях. В связи с тем, что лавинный пробой характерен для диодов, изготовленных на основе полупроводника с большой шириной запрещенной зоны, исходным материалом для стабилитронов служит кремний. Кроме этого, кремний обладает малым тепловым током Iо и устойчивыми характеристиками в широком диапазоне температур.

Для работы в стабилитронах используют пологий участок ВАХ обратного тока диода (см. рис.1.) в пределах которого резкие изменения обратного тока от Iст.мин. до Iст.макс сопровождаются весь­ма малыми изменениями обратного напряжения (см. рис.1). Т.е. для стабилитрона пробой является нормальным режимом работы. Другими словами стабилитрон – это диод работающий в режиме электрического пробоя.

Пробивное напряжение диода является напряжением стабилизации, которая зависит от толщины р-п перехода или от удельного сопротивления базы диода. Поэтому разные типы стабилитронов имеют различные напряжения стабилизации Uст (от 3 до 400 В).

Низковольтные стабилитроны (с напряжением Uст.<6 В) выполняют на основе сильнолегированного кремния с малым удельным сопротивлением. В них возникает узкий р-п переход с высокой напряженностью поля, при которой получается туннельный пробой.

Высоковольтные стабилитроны изготовляют на основе слаболегированного кремния с высоким удельным сопротивлением. В них ширина перехода больше, напряженность поля меньше, чем в низковольтных, а характер пробоя меняется на лавинный.

На рис. 1.а изображена вольтамперная характеристика диода,  на рис.1.б вольтамперная характеристика стабилитрона, а на рис.2 – схема стабилизации постоянного напряжения на нагрузке с использованием стабилитрона. При увеличении, например, входного напряжения возрастут ток Iвх в общей цепи и ток через стабилитрон Iст.. Увеличится падение напряжения на балластном резисторе Rб а напряжения на стабилитроне Uст и нагрузке Rн останутся практически неизменными.

Для стабилизации напряжения разной полярности выпускаются симметричные стабилитроны, имеющие симметричную ВАХ. Для получения симметричной ВАХ с двух сторон пластинки кремния одновременно формируют два р-п перехода. При подаче напряжения на крайние области структуры эти переходы оказываются включенными встречно.

Помимо стабилизации напряжения источников, стабилитроны нашли применение в качестве ограничителей, фиксаторов уровня, развязывающих элементов переключающих устройств.

1.3. Стабисторы

Диоды, у которых для стабилизации напряжения используется прямая ветвь ВАХ, называются стабисторами. Для изготовления стабисторов используют кремний с относительно большой концентрацией примесей. Это необходимо для получения малого сопротивления базы диода, а следовательно, малого дифференциального сопротивления при прямом включении.

В отличие от стабилитронов стабисторы имеют малое напряжение стабилизации (у кремниевых – около 0.7 В, у германиевых – 0.4 В). Оно определяется прямым падением напряжения на диоде. Для расширения диапазона стабилизации напряжения используют последовательное соединение в одном корпусе  нескольких стабисторов.

Параметры стабисторов аналогичны параметрам стабилитронов, а их максимальные ток, мощность и тепловые параметры те же, что у выпрямительных диодов. Стабисторы имеют отрицательный ТКН стабилизации. 

1.4. Параметры стабилитронов

Параметрами стабилитронов являются:

напряжение стабилизации Uст – напряжение на стабилитроне при заданном токе,

минимально допустимый ток стабилизации Iст.мин – ток, при котором пробой становится устойчивым и обеспечивается заданная надежность работы.

максимально допустимый  ток стабилизации Iст.макс – ток, при котором достигается максимально допустимая рассеиваемая мощность Рмах,

Качество стабилитрона, т. е. его способность стабилизировать напряжение при изменении проходящего через него тока, характеризуется:

дифференциальным сопротивлением гст.диф. Оно определяется отношением приращения напряжения на стабилитроне к вызвавшему его малому приращению тока:

rст.диф .= ΔUст./ΔIст.

Так как для лучшей стабилизации максимальным изменениям тока должны соответствовать минимальные изменения напряжения, то качество стабилитрона тем выше, чем меньше его дифференциальное сопротивление.

Важным параметром стабилитрона является:

температурный коэффициент напряжения стабилизации (ТКН стабилизации), равный отношению относительного измерения напряжения стабилизации к абсолютному изменению температуры окружающей среды (%, 10С):

αТКН = ∆Uст./ (Uст ∆ Т)

Для низковольтных диодов с туннельным пробоем ТКН отрицателен, так как вероятность туннельного пробоя возрастает с повышением температуры. При Uст>6 В пробой принимает лавинный характер, а повышение температуры вызывает увеличение напряжения стабилизации, т.е. ТКН положителен. Это объясняется обратной зависимостью пробивного напряжения от подвижности носителей, поскольку ρ ~ 1/μ.

Для уменьшения ТКН стабилизации выпускаются термокомпенсированные стабилитроны, в которых соединены последовательно стабилитрон и р-n переход, включенный в прямом направлении. С повышением температуры падение напряжения на p-n-переходе (включенном в прямом направлении) уменьшается, а на обратносмещенном р-n-переходе (при лавинном пробое) растет. Таким способом у термокомпенсированных стабилитронов, например КС211, удается получить малый ТКН.

Так как ширина запрещенной зоны Eq в Si, Ge и AsGa уменьшается с ростом температуры, то напряжение туннельного пробоя в этих полупроводниках имеет отрицательный температурный коэффициент, т.е. напряжение уменьшается с ростом температуры. Это происходит потому, что при более высоких температурах для достижения данной величины тока пробоя I требуются меньшие обратные напряжения. Температурная зависимость напряжения пробоя часто используется для того, чтобы отличить туннельный механизм от лавинного, т.к. последний имеет положительный температурный коэффициент, т.е. напряжение пробоя растет с ростом температуры.

2. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО МАКЕТА

Лабораторный макет состоит из унифицированного корпуса и ячейки стабилитронов. На передней панели корпуса расположены кнопки переключателей S1-S3. На панели сменного блока приведена блок-схема лабораторной работы (рис.3) и вмонтированы гнезда для подключения источника напряжения и измерительных приборов. Переключение кнопки S1 приводит к изменению полярности напряжения, что позволяет исследовать прямую и обратную ветви ВАХ стабилитрона. При нажатой кнопке S2 производится измерение тока, протекающего через стабилитрон. Переключение кнопки S3 подключает вольтметр к одному из двух стабилитронов. Установка тока стабилитронов производится регулировкой напряжения источника питания ТЕС-88.

Ячейка стабилитронов представляет собой пластиковый корпус, в котором собраны нагреватель и два стабилитрона КС133, Д814. Нагреватель включается в сеть 220 В. После 15-20 мин. прогрева температура на радиаторе стабилитронов составляет 90 °C. Гнездо Т, °С предназначено для присоединения зонда, измеряющего температуру.

Внимание: нагрев осуществлять при выключенном источнике питания.

Рис. 3. Схема для измерения ВАХ стабилитронов.

Напряжение

— Почему температура изменяет характеристики диода?

Хорошо, здесь много вещей. Позвольте мне быстро определить для вас несколько вещей. Я предполагаю некоторые базовые знания, поскольку вы упомянули уравнение Шокли.

Диод формируется путем соединения части полупроводника n-типа и p-типа. Это приводит к диффузии электронов и дырок, что создает ток. В результате образуется область пространственного заряда (ОПЗ). Область пространственного заряда создает электрическое поле, которое создает дрейфовый ток, который компенсирует диффузионный ток.Следовательно, при тепловом равновесии ток отсутствует.

Стабилитрон зависит от квантового туннелирования. Это означает, что напряжение пробоя достигается, когда край валентной зоны p-области поднимается над краем зоны проводимости n-области. Это позволяет электронам в валентной зоне p-типа туннелировать в зону проводимости области n-типа. Это создает ток.

Лавинный диод (это не обычный диод, это лавинный диод) зависит от лавинного эффекта. Когда поле СКЛ превышает определенную величину (известную как критическое поле), электроны ускоряются до очень высоких скоростей и начинают выбивать другие электроны в зону проводимости. Это создает огромное течение. Обратите внимание на разницу в принципе работы стабилитрона и лавинного диода.

Хорошо, теперь займемся вопросами.

Этот анализ упрощен, но его должно хватить. В обычном диоде при повышении температуры сильно возрастают концентрации носителей. Это влияет на диффузионный ток лишь минимально, так как рост примерно одинаков с обеих сторон, поэтому мы можем приблизить диффузионный ток как постоянный для небольшого увеличения температуры.Однако дрейфовый ток увеличивается пропорционально концентрации носителей, поэтому дрейфовый ток сильно увеличивается. Это означает, что в SCR требуется меньшее электрическое поле для компенсации диффузионного тока. Из-за этого меньшего электрического поля напряжение включения диода уменьшается.

В стабилитроне при повышении температуры увеличивается энергия электронов. Следовательно, увеличивается вероятность туннелирования и падает напряжение обратного пробоя. (не совсем уверен в этом, но кажется правдоподобным)

В лавинном диоде, когда температура выше, встроенное поле падает согласно предыдущему объяснению. Следовательно, для достижения критического поля требуется большее приложенное напряжение, и поэтому напряжение пробоя увеличивается.

влияние температуры на диоды с объяснением

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ДИОД

На следующем графике показано влияние температуры на характеристики диода

.

Кривая A-B : Эта кривая показывает характеристики диода для различных температур при прямом смещении.Как видно из приведенного выше рисунка, эта кривая смещается влево по мере увеличения температуры. Мы знаем, что с повышением температуры проводимость полупроводников увеличивается. Собственная концентрация (ni) полупроводников зависит от температуры по формуле:

.

Eg — энергетическая щель

K — постоянная напряжения человека

A — постоянная, не зависящая от температуры

При высокой температуре электроны внешней оболочки забирают тепловую энергию и становятся свободными. Таким образом, проводимость увеличивается с температурой. Следовательно, с повышением температуры кривая A-B будет сдвигаться влево, т.е. кривая будет резко подниматься, а напряжение пробоя также будет уменьшаться с повышением температуры.

Кривая переменного тока : Эта кривая показывает характеристики диода в области обратного смещения до напряжения пробоя для различных температур. Мы знаем, что концентрация n _i будет увеличиваться с повышением температуры и, следовательно, неосновные заряды будут увеличиваться с повышением температуры.Неосновные носители заряда также известны как термически генерируемые носители, и обратный ток зависит только от неосновных носителей. Следовательно, по мере увеличения количества неосновных носителей заряда обратный ток также будет увеличиваться с температурой, как показано на рисунке, приведенном на предыдущей странице.

Обратный ток насыщения удваивается при повышении температуры на каждые 10 ° C.

C-D кривая : Эта кривая показывает характеристики диода в области обратного смещения, начиная с точки напряжения пробоя и далее. Как и при повышении температуры, слабо связанные электроны уже становятся свободными, и для освобождения других электронов потребуется большее напряжение, чем раньше. Следовательно, напряжение пробоя увеличивается с увеличением температуры, как показано на рисунке, показанном на рисунке, приведенном на предыдущей странице.

График зависимости напряжения от температуры при постоянном токе диода.

Контекст 1

… Фактор идеальности, n. Точность измерения напряжения, тока и температуры составляла 1 мВ, 1 мкА и 1 К соответственно. Наибольшая погрешность α (градиента) была определена графически по данным на фиг.3 и составила ± 0,02, так что n = 1. 90 ± 0. 01. Это значение согласуется с литературным значением [6] для диода 1N4148. Графики градиента (α в логамперах) и пересечения (β в вольтах) уравнения (2) в зависимости от абсолютной температуры показаны на рисунках 5 и 6 соответственно. Анализ этих графиков показывает, что и градиент, и точка пересечения, по-видимому, линейно зависят от абсолютной температуры во всем диапазоне эксперимента. Это может быть …

Контекст 2

… R делается переменной из 2. 2 кОм до 47 кОм, то выходной ток можно регулировать от 95 мкА до 1955 мкА для V CC = +5. 0V. На рисунке 1 R представляет собой последовательную комбинацию постоянного 2 кОм и переменного 47 кОм. Выполнялась следующая процедура. (1) Настройте эксперимент, как показано на рисунке 2.Перед тем, как вставить ИУ в ванну с ледяной водой, убедитесь, что оно должным образом изолировано от воды. (2) Подключите источник тока к ИУ и установите его рядом с термометром в ванне. (3) Установите постоянный ток на 100 мкА. Баня с ледяной водой имеет температуру примерно 3 ◦ C. Запишите температуру и напряжение на диоде. (4) Постепенно нагрейте баню с ледяной водой, часто помешивая, чтобы обеспечить равномерную температуру. Регистрируйте напряжение и температуру диода через подходящие промежутки времени, следя за тем, чтобы заданный ток не изменился. Повторяйте этот шаг, пока вода не достигнет точки кипения (около 95 ◦ C, но зависит от высоты). (5) Повторите эксперимент с постоянными токами 400 мкА, 800 мкА и 1500 мкА. (6) Сведите результаты в соответствующую таблицу. Эксперимент проводился для четырех диодных токов, выбранных по двум причинам. Во-первых, чтобы обеспечить хороший разброс результатов при сохранении границ эффектов саморазогрева; во-вторых, для работы ИУ в экспоненциальной части диодного отклика, где справедливо уравнение (1).Для 1N4148 выше 10 мА рост более линейный, чем экспоненциальный, и уравнение (1) больше не выполняется. В паспорте указано тепловое сопротивление диода 300 ◦ C W — 1. Даже при токе наихудшего случая 1,5 мА при 0,8 В ожидаемый самонагрев меньше 0. 4 ◦ C. 3.2.1. V – T отклик, постоянная I. На рис. 3 показан график зависимости напряжения от температуры диода 1N4148 при различных постоянных токах. 3.2.2. Отклик V – T, постоянная T. Постоянное температурное поведение диода можно оценить, построив новую таблицу из таблицы результатов, сняв напряжения в точках с одинаковой температурой для разных токов. Используемые температуры: 3 ◦ C, 30 ◦ C, 60 ◦ C и 95 ◦ C. На рисунке 4 показан полученный линейно подобранный график зависимости V от ln I …

(PDF) Моделирование зависимости мощности диода от температуры и Radiation

IJPEDS ISSN: 2088-8694 

Моделирование зависимости мощности диода от температуры и излучения (С.М. Эль-Ганам)

224

[2] М. Лузазни и др., «Моделирование и моделирование источник солнечной энергии для чистой энергии без загрязнения окружающей среды », Int.J.

электротехники и вычислительной техники, Vol. 3, No. 4, pp. 568-576, 2013.

[3] Х. Асаи и др., «Одноэтапное выгорание силовых диодов из SiC, вызванное земными нейтронами», Nuclear Science, IEEE

Trans. на Nuc. Sci., Vol. 59, No. 4, pp. 880-885, Aug. 2012.

[4] Клэй Мэйберри, «Исследование радиационных эффектов и оценка устройств», Исследовательская лаборатория ВВС. Киртланд AFB NM

Space Vehicles, ADA559901: апрель 2012 г.

[5] Лю Чаомин и др. , «Эквивалентность повреждения смещением в кремниевых транзисторах с биполярным переходом», Nuclear

Инструменты и методы в физических исследованиях Секция A, Vol. 677, № 11, стр. 61-66, июнь 2012 г.

[6] Лю Шияо и др., «Эффект суммарной ионизирующей дозы на полевые транзисторы с тремя затворами», Твердотельные и интегральные схемы

Technology (ICSICT ), IEEE 11th Intr. Conf., Стр. 1-5, 29 октября — 1 ноября 2012 г.

[7] C.R. Drag и др., «Оптимизация полупроводниковых устройств при наличии тепловых эффектов», J.прикладной

Математика и механика, Vol. 93, No. 9, pp. 700-705, Sep. 2013.

[8] M. Amairi, et al., «Температурная зависимость силовых устройств из кремния и карбида кремния: экспериментальный анализ

», Электротехническая конференция ( MELECON), 16thIEEE Mediterranean, pp. 97-101, 25-28 марта 2012 г.

[9] Нассир Х. Сабах, «Электроника: базовая, аналоговая и цифровая с PSpice», Technology & Engineering, CRC Press,

США, 21 декабря 2009 г.

[10] A.П. Годзе, У.А. Бакш, «Электронные устройства и схемы», Технические публикации, 1 января 2009 г.

[11] И. Пашаев, «Исследование электрических свойств диодов Шоттки при различных обработках», Междунар. J. on Tech. и физ.

Проблемы англ. (IJTPE), т. 13, No. 4, pp. 1-4, 2012.

[12] Г. Визекелети, “Исследование радиационных повреждений Si PN диодов, вызванных ионным пучком”, Nuclear Instr. и методы

в физических исследованиях, разд. B, Vol. 306, стр. 176-180, 2013.

[13] Д. Маковски, «Воздействие излучения на электронные устройства с особым учетом нейтронного и гамма-контроля.

радиационный контроль», докторская диссертация на кафедре микроэлектроники и вычислительной техники, техн. Univ. of Lodz, 2006.

[14] J.R. Carter and R.G. Даунинг, «Влияние протонов низкой энергии и электронов высокой энергии на кремний», Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства

, Vol. 404, 1966.

[15] С. Вайринен, “Облучение кремниевых детекторов частиц МэВ-протонами”, Tech.Отчет: HU-P-D173, Отдел

Физика материалов, Отдел Физики, Фак. наук, Univ. Хельсинки, Финляндия, 2010.

[16] M.S.I. Рагех и др., «Влияние нейтронного облучения на характеристики некоторых полупроводниковых устройств», Isotopen-

praxis, Akademie Verlag, Берлин, Германия, Vol. 27, No. 9, pp. 349-352, 1988.

[17] Ф. Мота и Р. Вила, «Расчет первичного смещения повреждений, вызванных нейтронами и ионами, с использованием методов аппроксимации двойных столкновений

», 1st Tech.Встреча на Первичной Рад. Damage, МАГАТЭ, Вена, 1–4 октября 2012 г.

[18] J.R. Srour, et al., «Обзор эффектов повреждения смещения в кремниевых устройствах», IEEE Trans. Nucl. Sci., Vol. 50, No.

3, pp. 653-670, июнь 2003 г.

[19] F.A.S. Солиман, “Некоторые анализы радиационного воздействия на устройства PNP”, Isotopepraxis, Academe-Verlag, Berlin,

Germany, Vol. 26, No. 15, pp. 225-229, 1990.

[20] M.S.I. Рагех, А.З. Эль-Бехай, F.A.S. Солиман, “Применение коммерческих кремниевых диодов для измерения мощности дозы —

ед.”, International Symp.по дозиметрии высоких доз, МАГАТЭ, Вена, 8–12 октября 1984 г.

[21] Донг Цзян и др., «Температурные характеристики устройств SiC: оценка производительности и расчет потерь

», IEEE Transactions on Power Electronics, Vol.27, No. 2, pp. 1013-1024, 2012.

[22] X. Kang и др., «Извлечение параметров для модели имитатора цепи силового диода, включая температуру

зависимых эффектов», 7-я ежегодная конференция и выставка IEEE Applied Power Electronics, 2002.АТЭС 20, Том.

1, стр. 452–458, 10–14 марта 2002 г.

[23] Concepts Electronics: Online Electronics Guide, «Влияние температуры на характеристики диодов»,

conceptselectronics.com/diodes/effect-temperature-diode -характеристики. 28 февраля 2015 г.

[24] R.O. Карлсон, Ю. Сан и Х. Assalit, «Контроль срока службы кремниевых силовых устройств с помощью электронного или гамма-излучения —

iation», IEEE Trans. на электронных устройствах, Vol. 24, No. 8, pp. 1103-1108, 2005.

[25] S.L. Шенг, «Диоды с P-N переходом», P1: OTE / SPH P2: OTE, гл. 11, 2005.

[26] J.R. Srour, «Обзор эффектов повреждения смещением в кремниевых устройствах», IEEE Trans. по ядерным наукам, Vol. 59,

No. 3, pp. 653-670, 2003.

Снижение номинальных характеристик диодов Шоттки

Снижение номинальных характеристик диодов Шоттки

Герд Фишер

В диодах Шоттки

используется переход металл-полупроводник в отличие от переходов полупроводник-полупроводник, используемых в стандартных диодах.Такая конфигурация позволяет снизить падение напряжения прямого смещения (0,15–0,45 В против 0,5–0,7 В) и сократить время переключения, что делает их идеальными для операций переключения источников питания. К недостаткам диодов Шоттки относятся гораздо более высокие значения тока утечки обратного смещения. Поскольку p-n-рекомбинация не влияет на время задержки переключения, только емкость влияет на время обратного переключения.

Эти диоды обычно используются для выпрямления напряжений на выходе источника питания. Их быстрое время отклика и низкое потребление напряжения делают их идеальными для этой цели, и предполагается, что они выполняют эту функцию.Таким образом, мы в первую очередь рассмотрим влияние температуры на падение напряжения прямого смещения, емкость и утечку обратного тока.

Для демонстрации снижения характеристик диодов Шоттки в качестве примеров были выбраны три части.

• 40L15CT Международный выпрямитель
• MBR4015CTL ON Semiconductor
• STPS40L15CT ST Microelectronics

Температура против прямого смещения

Повышенная температура снижает прямое падение напряжения на выпрямителях Шоттки при токах ниже примерно 50 А.Выше этой точки повышенные температуры увеличивают количество напряжения, используемого устройством.

Поскольку номинальный максимальный рабочий ток составляет 40 А для всех выбранных выпрямителей, повышение температуры будет рассматриваться только как уменьшение прямого падения напряжения во всем рабочем диапазоне выпрямителей. Использование выпрямителей Шоттки более низкого напряжения обычно желательно и поэтому не вызывает беспокойства при работе при повышенных температурах. Снижение номинальных значений прямого тока не требуется до тех пор, пока температура корпуса не достигнет 85 ° C, что не соответствует требованиям к окружающей среде.

Температура против обратного смещения

Повышение температуры при сохранении обратного смещения выпрямительных диодов приводит к увеличению обратного тока через диод. На каждые 25 ° C повышения температуры перехода происходит соответствующее увеличение обратного тока на порядок. Диоды Шоттки обычно устанавливаются на радиаторах, чтобы уменьшить эти эффекты. Однако рассеяние тепла может стать важным фактором при повышении температуры окружающей среды, что приведет к еще большему обратному току и большему тепловыделению.

Рассеивание тепла будет критичным и будет зависеть от окружающих условий вокруг диодов, на которые в основном влияют общие условия окружающей среды и близость устройства к другим устройствам, генерирующим тепло.

Функциональные параметры (не указаны в спецификации)

Емкость перехода указана только для температуры окружающей среды 25 ° C и не показана, поскольку она зависит от температуры. Однако емкость перехода может увеличиваться при повышении температуры. Это может увеличить время переключения выпрямителей, хотя и не критично, так как рекомбинация p-n практически отсутствует, чтобы еще больше замедлить время.Таким образом, по мере того как время восстановления увеличивается из-за увеличения электрической емкости, оно все равно будет достаточно коротким, чтобы исключить условие теплового разгона.3 Если схема построена с небольшим допуском в отношении времени переключения, это может стать проблемой. , позволяя протекать обратному току при обратном смещении диодов, что приводит к повреждению чувствительных устройств ниже по потоку.

Электрическое перенапряжение (надежность)

Выход из строя диодов Шоттки в условиях перенапряжения обычно является результатом электростатического разряда (ESD). Накопление всего лишь 1000–1500 В и последующий разряд достаточно, чтобы повредить эти детали. Обратное смещение является наиболее распространенным условием возникновения электростатического разряда. Результатом этого является сдвиг кривой I-E, который изменяется по степени от небольшого до полного короткого замыкания. Поскольку не ожидается увеличения емкости более чем на 5% при 85 ° C, повышенный риск накопления заряда и электростатического разряда считается незначительным.

Износ

Диод Шоттки выходит из строя редко из-за механизмов износа.Это особенно характерно для диодов Шоттки, используемых на выходе источников питания, где отказ обычно происходит из-за единственного эффекта обратного тока. Были опубликованы исследования надежности SiC Шоттки, которые показывают срок службы> 50 лет4. Из-за большинства отказов из-за электрического перенапряжения механизмы долговременных отказов диодов Шоттки, как известно, не имели исторического значения.

Заключение

Отказ диода Шоттки в результате повышения температуры почти полностью зависит от надлежащего отвода тепла диода через его радиатор и может быть смягчен путем размещения диодов вдали от других устройств, генерирующих тепло. Отказ сборки из-за измененных рабочих характеристик диода (т.е. большего обратного тока) более вероятен, чем прямой отказ самих диодов.

Приложение

Международный выпрямитель, 40L15CT

Перечисленное устройство рассчитано на работу в диапазоне температур перехода от -55 ° C до + 125 ° C. Следствие: Некоторые параметрические характеристики определяются температурой корпуса (макс. 100ºC)

Проблемы с производительностью: Диоды имеют несколько проблемных параметров, в том числе обратный ток, прямой ток, импульсный ток, поведение при падении напряжения, емкость перехода и потери мощности.Основное внимание уделяется максимально допустимому прямому току и току утечки в обратном направлении смещения. Прямой ток не является проблемой, поскольку снижение номинальных характеристик не требуется, пока температура корпуса не достигнет 85 ° C, что соответствует требованиям к окружающей среде. Обратный ток действительно увеличивается на порядки с повышением температуры, и его необходимо учитывать.

Проблемы надежности: Ожидается, что долгосрочная деградация на уровне кристалла не будет проблемой.Повышенная температура в сочетании с повторяющимися циклами включения и выключения питания может вызвать утомление на штампе.

на полу, MBR4015CTL

Перечисленное устройство рассчитано на работу в диапазоне температур перехода от -65 ° C до + 125 ° C. Следствие: Некоторые параметрические характеристики определяются температурой корпуса (макс. 125ºC)

Проблемы с производительностью: Диоды имеют несколько проблемных параметров, в том числе обратный ток, прямой ток, импульсный ток, поведение при падении напряжения, емкость перехода и потери мощности.Основное внимание уделяется максимально допустимому прямому току и току утечки в обратном направлении смещения. Прямой ток не является проблемой, поскольку снижение номинальных характеристик не требуется до тех пор, пока температура корпуса не достигнет 90 ° C, что соответствует требованиям к окружающей среде. Обратный ток действительно увеличивается на порядки с повышением температуры, и его необходимо учитывать.

Проблемы надежности: Ожидается, что долгосрочная деградация на уровне кристалла не будет проблемой.Повышенная температура в сочетании с повторяющимися циклами включения и выключения питания может вызвать утомление на штампе.

ST Micro, STP40L15CT

Перечисленное устройство не обеспечивает диапазон температур. Перечислено несколько максимальных температур Максимальная температура перехода + 125 ° C на первой странице спецификации Максимальная температура перехода + 150 ° C на некоторых параметрических диаграммах Максимальная температура окружающей среды + 150 ° C для прямого тока

Проблемы с производительностью: Диоды имеют несколько проблемных параметров, в том числе обратный ток, прямой ток, импульсный ток, поведение при падении напряжения, емкость перехода и потери мощности.Основное внимание уделяется максимально допустимому прямому току и току утечки в обратном направлении смещения. Прямой ток может быть проблемой, поскольку может потребоваться снижение номинальных характеристик при температуре окружающей среды до 50 ° C. Обратный ток действительно увеличивается на порядки с повышением температуры, и его необходимо учитывать.

Проблемы надежности: Ожидается, что долгосрочная деградация на уровне кристалла не будет проблемой. Повышенная температура в сочетании с повторяющимися циклами включения и выключения питания может вызвать утомление на штампе.

ОТКАЗ ОТ ОТВЕТСТВЕННОСТИ

DfR означает, что были предприняты разумные усилия для обеспечения точности и надежности информации в этом отчете. Тем не менее, DfR Solutions не дает никаких гарантий, явных или подразумеваемых, в отношении содержания этого отчета, включая, помимо прочего, наличие каких-либо скрытых или патентных дефектов, товарной пригодности и / или пригодности для конкретного использования. DfR не несет ответственности за потерю использования, выручку, прибыль или любые особые, случайные или косвенные убытки, возникшие в результате, связанные с информацией, представленной в этом отчете, или возникшие в результате ее использования.

Проволочное увядание: как гаснут светодиоды при повышении температуры

Абстрактные

Что вы любите делать в самый жаркий день года? Окунуть пальцы ног в ледяную реку? Тусоваться у бассейна? Отступление в прохладный подвал? Лежать неподвижно в тени? Вы, вероятно, не слишком стремитесь двигаться и тратить много энергии, например, стричь лужайку под полуденным солнцем. Что ж, ты не единственный. В этом проекте научной ярмарки электроники вы узнаете, что некоторые полупроводниковые устройства, такие как светодиоды (или светодиоды), действуют таким же образом.Когда их внутренняя температура повышается, их световой поток падает.

Цель

Чтобы определить, как мощность светодиодного фонарика изменяется с течением времени при повышении его температуры.

Поделитесь своей историей с друзьями по науке!

Да,

Я сделал этот проект!

Пожалуйста, войдите в систему (или создайте бесплатную учетную запись), чтобы сообщить нам, как все прошло.

Кредиты

Кристин Стронг, приятели по науке

Отредактировал Стивен Марановски, доктор философии, Philips Lumileds Lighting Company.

цитировать эту страницу

Здесь представлена ​​общая информация о цитировании. Обязательно проверьте форматирование, включая использование заглавных букв, для метода, который вы используете, и обновите цитату по мере необходимости.

MLA Стиль

Сотрудники Science Buddies.

«Проволочное увядание: как светодиоды гаснут при повышении температуры». Друзья науки ,
23 июня 2020,
https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/elec_p060/electricity-electronics/how-light-emitting-diodes-fade-as-temperature-increases.По состоянию на 28 февраля 2021 г.

Стиль APA

Сотрудники Science Buddies.

(2020, 23 июня).
Wire Wilt: Как светодиоды гаснут при повышении температуры.
Извлекаются из
https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/elec_p060/electricity-electronics/how-light-emitting-diodes-fade-as-temperature-increases

Дата последнего редактирования: 2020-06-23

Введение

Если вы когда-нибудь отправлялись в поход в глубину леса, вдали от любого города или города, вы хорошо знаете, какой комфорт и безопасность могут принести немного света. Люди научились управлять огнем, по некоторым сведениям, около 400000 лет назад, но первые портативные электрические фонари появились только после изобретения батареи и лампы накаливания , поэтому были недоступны до 1898 года. Эти ранние переносные фонари (показанные на рис. 1) впервые были опробованы полицейским управлением Нью-Йорка. Они работали на угольно-цинковых батареях , которые не обеспечивали хороший поток тока к неэффективным лампочкам, которые использовались в то время.Сочетание плохих батарей и неэффективных ламп означало, что переносные фонари можно было включать только на короткие периоды времени, а затем им приходилось «отдыхать», прежде чем их можно было снова использовать. По этой причине они были названы фонариками , , потому что вы могли использовать их только для «вспышки света», прежде чем снова их выключать. Технология фонарей значительно улучшилась за последние 100 лет, но название по-прежнему остается, по крайней мере, в Соединенных Штатах. В большей части остального мира их называют факелами.

Рис. 1. На этой фотографии показан один из первых фонарей, когда-либо построенных в 1899 году. (Wikipedia Commons, 2007.)

Традиционные фонарики работают, переводя выключатель фонарика в положение «включено», что «замыкает петлю» и позволяет току от батареи фонаря проходить через чрезвычайно тонкую вольфрамовую нить внутри фонарика. лампа накаливания. Когда свободных электронов проходят через нить накала, они наталкиваются на атомы вольфрамовой нити, вызывают их колебания и нагревают их.Тепло поднимает связанных электронов в колеблющихся атомах вольфрама до более высокого энергетического состояния (), и когда они возвращаются в свое нормальное состояние, они выделяют эту энергию в виде фотонов, основных единиц света. . Свет, исходящий от лампочки, распространяется во всех направлениях, но параболический отражатель собирает и фокусирует свет в узкий луч, чтобы вы могли найти дорогу к своей палатке в темноте.

Рисунок 2. На этом чертеже показана основная схема фонаря. Петля замыкается, когда переключатель замкнут (включен) и ток течет от батареи через лампочку накаливания. (По материалам Energy Quest, 2007 г.)

За последнее десятилетие традиционный фонарик был модифицирован для использования твердотельной электроники . Маленькая лампочка накаливания была заменена полупроводниковым устройством , которое называется светодиодом или светодиодом . Полупроводники называют «полупроводниками», потому что они могут проводить или переносить электричество, но не так хорошо или легко, как обычный проводник, такой как медный провод. У светодиода нет нити внутри, как у лампочки. Вместо этого у него есть диод , содержащий один полупроводниковый материал с дополнительными электронами (называемый n-тип ), связанный вместе с другим полупроводниковым материалом с дополнительными «дырками» или дефицитом электронов (называемый p-типом ). При таком расположении ток может течь только в в одном направлении через диод.

На этом чертеже показан светодиод, состоящий из материала P (слева) и N (справа), подключенного к батарее, при этом положительный вывод идет к материалу P-типа, а отрицательный вывод — к материалу N-типа. Отверстия показаны выходящими из материала P-типа в материал N-типа. Электроны движутся из материала N-типа в материал P-типа. Когда электроны попадают из зоны проводимости в валентную зону, испускается свет.

Рисунок 3. На этом рисунке показано, как светодиоды излучают свет. (Wikimedia Commons, 2006.)

Когда батарея с достаточным напряжением подключается через диод в правильном направлении — отрицательная клемма подключена к материалу n-типа, а положительная клемма — к материалу p-типа — свободные электроны в материале n-типа отталкиваются отрицательным зарядом и притягиваются к положительному электроду, в то время как отверстия выходят в другую сторону, и ток течет через диод. Свободные электроны находятся в более высоком энергетическом состоянии, чем дырки, и когда они «падают» в дырки, они выделяют энергию в виде фотонов, основных единиц света.Виден этот свет или нет, зависит от того, как далеко они падают. Светодиоды сконструированы таким образом, что при падении электронов светится в видимом спектре. Чем сильнее падение, тем больше выделяется энергии и тем выше будет частота света.

Схема видимого света в области электромагнитного спектра. Спектр разбит на три сегмента: инфракрасный (слева), видимый свет (средний) и ультрафиолет (крайний справа). Волны слева имеют более низкие частоты, чем волны справа.

Рис. 4. На этом чертеже показана видимая световая часть электромагнитного спектра, а также инфракрасная и ультрафиолетовая части ниже и выше видимого диапазона. Обратите внимание, что красный цвет имеет более низкую частоту (более медленные волны вверх и вниз), чем фиолетовый цвет. (НАСА, 2007 г.)

Красный цвет, например, имеет более низкую частоту, чем фиолетовый, поэтому «падение» электрона, необходимое для получения красного цвета, короче, чем падение, необходимое для получения фиолетового цвета.

Если вы перейдете на частоту даже на ниже , чем видимый красный цвет, вы войдете в диапазон инфракрасного излучения . Вы не можете видеть инфракрасное излучение, но вы можете почувствовать его в виде тепла, когда вы приблизитесь к огню, духовке или лампочке накаливания. Фактически, большая часть энергии, используемой при включении лампочки, идет на генерирование (нежелательного) инфракрасного излучения — только 5 процентов идет на производство видимого света. Напротив, светодиоды кажутся относительно прохладными, когда вы приближаетесь к ним, потому что в целом они излучают очень мало инфракрасного излучения.Они на эффективнее , чем лампы накаливания, а это означает, что их светоотдача на единицу потребляемой мощности (отношение) больше. Эффективность светодиода сильно различается и зависит от таких вещей, как цвет светодиода, способ его изготовления и величина тока, проходящего через него. Независимо от того, какова их эффективность, светодиоды излучают тепло в своей основе на многих других частотах, кроме инфракрасного, в результате чего некоторая часть входящей энергии идет на производство видимого света, а остальная часть расходуется на выработку тепла.

Оказывается, важно отводить это тепло с помощью методов управления температурой, таких как радиаторы , , особенно с мощными светодиодами, потому что с увеличением температуры эффективность и яркость светодиодов снижаются. В этом проекте научной ярмарки электроники вы собираетесь исследовать, как мощность светодиодного фонарика изменяется с течением времени, после того, как вы включите его, и он начнет нагреваться и приблизиться к установившейся температуре , точке, при которой его внутренняя температура больше не меняется, и светодиод достиг своего теплового равновесия ° C.

Термины и понятия

• Аккумулятор
• Лампа накаливания
• Угольно-цинковый аккумулятор
• Текущий
• Вольфрамовая нить
• Свободные электроны
• Связанные электроны
• Энергетическое состояние
• Фотон
• Параболический отражатель
• Электронный
• Полупроводник
• Светодиод (LED)
• Диод
• Тип N
• Тип П
• Инфракрасное излучение
• КПД
• Радиатор
• Устойчивое состояние
• Тепловое равновесие
• Освещенность
• Закон обратных квадратов

Вопросы

• Как создается свет в традиционном фонарике?
• Как делается диод?
• Может ли ток течь в диоде в обоих направлениях?
• Как создается свет в светодиодном фонарике?
• Почему светодиоды кажутся более прохладными, когда вы приближаетесь к ним, чем лампы накаливания?

Библиография

Эти источники описывают, как производятся светодиоды и как они работают:

Этот источник описывает тепло, выделяемое светодиодами:

Этот источник описывает электромагнитный спектр:

Лента новостей по этой теме

Примечание: Компьютеризированный алгоритм сопоставления предлагает указанные выше статьи. Это не так умно, как вы, и иногда может давать юмористические, нелепые или даже раздражающие результаты! Узнать больше о ленте новостей

Температурные эффекты и эффекты смещения | Часто задаваемые вопросы

1. Как чувствительность меняется в зависимости от температуры?
2. Как изменяется темновой ток (сопротивление шунта) с температурой?
3. А как насчет других характеристик фотодиодов?

1. Как чувствительность меняется в зависимости от температуры?
В кремнии коэффициент поглощения увеличивается с температурой.При повышении температуры глубина поглощения света уменьшается. Как следствие, чувствительность для коротких волн имеет отрицательный температурный коэффициент, поскольку значительное количество носителей может рекомбинировать и теряться в сильно легированном p + слое. Для более длинных волн чувствительность имеет положительный температурный коэффициент, так как больше носителей будет генерироваться в области обеднения pn-перехода или рядом с ней и участвовать в фототоке, увеличивая его.

2.Как темновой ток (сопротивление шунта) меняется с температурой?
Дрейфовый ток — это преобладающий ток (темновой ток) в режиме фотопроводимости (ПК), который напрямую зависит от температуры. В фотоэлектрическом (PV) режиме преобладающим током является диффузионный ток, который определяет сопротивление шунта. Он варьируется в квадрате от температуры. Таким образом, изменение температуры больше влияет на фотодетектор в фотоэлектрическом режиме, чем в фотопроводящем режиме работы.

Как правило, в режиме работы ПК темновой ток может примерно удваиваться на каждые 10 ° C повышения температуры.Однако в фотоэлектрическом режиме сопротивление шунта может примерно удваиваться на каждые 6 ° C понижения температуры. Точное изменение зависит от дополнительных параметров, таких как приложенное обратное напряжение, объемное удельное сопротивление, а также толщина объемной подложки.

3. А как насчет других характеристик фотодиодов?
Поскольку шумовые токи возникают в результате темнового тока (шунтирующее сопротивление), чем выше температура, тем выше шум в детекторе.