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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Прямое включение диода. Прямой ток.

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

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

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

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

Обратное включение диода. Обратный ток.

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

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

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

Прямое и обратное напряжение диода.

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

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

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

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

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Пробои p-n перехода.

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

Электрический пробой.

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

Туннельный пробой.

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

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

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

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

Лавинный пробой.

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

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

Тепловой пробой.

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

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

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

Источник:

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

Что такое прямое напряжение. Чем отличается прямой диод от обратного диода

Обратный ток диода / 0, если утечки малы, почти не зависит от напряжения на р — / г-переходе, но в сильной степени зависит от температуры. При достижении напряжения пробоя обратный ток резко возрастает за счет лавинного, или Зенеровского, пробоя. Если прибор не рассчитан специально для работы в области пробоя (как, например, стабилитрон и обращенный диод), то вслед за лавинным наступает и тепловой пробой, и диод гибнет. Заметим, что иногда тепловой пробой развивается раньше всех остальных.
 

Обратный ток диода растет с увеличением обратного напряжения. Главными причинами различия обратных ветвей характеристики реального и идеального диодов являются ток т е р м о — генерации в объеме и на поверхности перехода и ток утечки по поверхности перехода. В германиевых диодах при комнатной температуре ток термогенерации мал и обратный ток близок к току насыщения. В кремниевых диодах при комнатной температуре ток термогенерации является основной составляющей обратного тока.
 

Обратный ток диода зависит от температуры корпуса еще сильнее и имеет положительный коэффициент. Так, при увеличении температуры на каждые 10 С обратный ток германиевых диодов увеличивается в 2 раза, а кремниевых — 2 5 раза.
 

Обратный ток диода возрастает при освещении p — n — перехода. Этот эффект может использоваться для фотометрических измерений. С этой целью в корпусе фотодиода делается прозрачное окно. На рис. 10.5 показано схемное обозначение фотодиода, на рис. 10.6 приведена его схема замещения, а на рис. 10.7 представлено семейство характеристик. Для фотодиодов характерно наличие тока короткого замыкания, который пропорционален его освещенности, поэтому в отличие от фоторезисторов фотодиод может использоваться без дополнительного источника питания. Чувствительность фотодиодов обычно составляет около 0 1 мкА / лк. При подаче на фотодиод запирающего напряжения фототок практически не изменяется. Такой режим работы фотодиода предпочтителен, когда требуется получить большое быстродействие, так как с ростом запирающего напряжения уменьшается собственная емкость р-п-пе-рехода.
 

Обратный ток диода изме-ряется микроамперметром ИТ. Выходное сопротивление генератора постоянного напряжения должно быть достаточно малым, так как выходное напряжение ГН не должно меняться более чем на 1 % при изменении величины / обр от нуля до максимального (для испытываемого диода) значения. Вольтметр включают до измерителя тока и его блока защиты БЗ. Поэтому падение напряжения на измерителе тока и токонесущих элементах схемы защиты не должно превышать 2 % от устанавливаемой величины обратного напряжения. Если генератор напряжения питается от сети, то пульсации на его выходе не должны превышать 1 % от выходного напряжения.
 

А.Н. Морковин

Исследование вольт-амперной характеристики полупроводникового диода

Мариуполь, 2012 г.

Цель работы:
Изучить особенности, режимы и принципы функционирования полупроводникового диода.

Теоретическое введение

Полупроводниковые диоды — широкий класс твердотельных приборов, предназначенных для осуществления нелинейных преобразований электрических сигналов (выпрямление, детектирование, генерирование и т.д.), преобразования электрической энергии в излучение (светодиоды, лазеры) и, наоборот, преобразования излучения в электрическую энергию (фотопреобразователи, солнечные элементы).

Принцип работы диодов базируется на процессах, протекающих вследствие образования p-n-перехода.

Изучим терминологический аппарат.

Полупроводник — это материал

Если легировать 4-валентный полупроводник (например, кремний) 5-валентной примесью (например, фосфором) мы получим полупроводник n-типа
донорной
. Дополнительный пятый электрон донорной примеси проще переходит в свободное состояние и перенос заряда осуществляется свободными электронами.

Для полупроводника n-типа проводимости электроны являются основными носителями заряда
. Дырки — неосновные носители заряда
.

При легировании 4-валентного полупроводника (например, кремния) 3-валентной примесью (например, бором) получим полупроводник p-типа
. В этом случае примесь называется акцепторной
. Поскольку 3-валентная примесь, для обеспечения нормальной ковалентной связи в кристаллической решетке, забирает один недостающий электрон кремния, в валентной зоне возникает дырка. Вследствие чего перенос заряда в полупроводнике p-типа имеет дырочную природу.

Для полупроводника p-типа дырки будут являться основными носителями заряда. Электроны — неосновные носители заряда.

Контакт полупроводников n-типа и p-типа, из-за разности концентраций основных носителей заряда, приводит к образованию неподвижного объемного заряда и, как следствие, к нелинейной зависимости тока от подаваемого на p-n-переход напряжения. Данное свойство легло в основу работы полупроводникового диода.

Поскольку простым соединением полупроводников разного типа невозможно добиться образования p-n-перехода, из-за высокой дефектности границы, контакта p- и n-областей добиваются путем легирования ограниченной области полупроводника одного типа примесью другого типа.

Равновесное состояние p-n-перехода

Пусть внутренняя граница раздела двух областей полупроводника с различным типом проводимости является плоскость ММ (см. рис. 2). Слева находится полупроводник p-типа, справа — n-типа.

Т.к. в полупроводнике n-типа концентрация свободных электронов значительно превышает их концентрацию в соседнем полупроводнике p-типа, возникает градиент концентрации, заставляющий основные носители заряда (в данном случае электроны) диффундировать в соседнюю область.

Таким образом, из полупроводника n-типа основные носители заряда (электроны) диффундируют в p-область. Им на встречу, увлекаемые все тем же градиентом концентрации, из p-области в n-область движутся дырки. Мы имеем диффузионные потоки
основных носителей заряда через p-n-переход.

При этом электроны, перешедшие из n-области в p-область, рекомбинируют вблизи границы раздела этих областей с дырками p-области; точно также дырки, перешедшие из p-области в n-облатсь, рекомбинируют здесь с электронами этой области. В результате этого в приконтактном слое n-области практически не остается свободных электронов и в нем формируется неподвижный объемный положительный заряд
ионизированных доноров.

В приконтактном слое p-области практически не остается дырок и в нем формируется неподвижный объемный отрицательный заряд ионизированных акцепторов.

Неподвижный объемный заряд создает в p-n-переходе контактное электрическое поле
с определенной разностью потенциалов, локализованное в области перехода и практически не выходящее за его приделы. Поэтому вне слоя, где поля нет, свободные носители заряда движутся по-прежнему хаотично и число носителей, ежесекундно наталкивающихся на слой объемного заряда, зависит только от их концентрации и скорости теплового движения.

Если в слой объемного заряда влетает неосновной носитель (электрон для p-области или дырка для n-области), то контактное поле подхватывает его и перебрасывает через этот слой. Получается, что каждый неосновной носитель заряда, налетающий на p-n-переход, проходит через него.

Прямое и обратное смещение p-n-перехода

Рассмотрим явления, происходящие в диоде, к которому приложена разность потенциалов от внешнего источника напряжения.

Смещение, при котором плюс источника подсоединен к n-области, а минус — к p-области называется обратным
(см. рис. 3).

Рис. 3. Обратное смещение на p-n-переходе.

Внешнее поле Е вн вызывает дрейф основных носителей заряда в направлениях, указанных стрелками на рис. 3. Таким образом, вся масса электронов n-области и дырок p-области отходит от p-n-перехода, обнажая при этом новые слои ионизированных доноров и акцепторов, т. е. расширяя область объемного заряда до размера d 0 + Δd.

При прямом
смещении (плюс источника напряжение подсоединяется к p-области, а минус — к n-области) возникающее в объеме n- и p-областей электрическое поле вызывает приток основных носителей к области объемного заряда p-n-перехода. Контактная разность потенциалов при этом уменьшается до значения V k – V.

Прямой и обратный токи p-n-перехода

При обратном смещении на p-n-переходе ток основных носителей заряда, сдерживаемый возросшим потенциальным барьером, уменьшается. Увеличение обратного смещения приведет к дальнейшему росту потенциального барьера и, в конце концов, ток основных носителей заряда через p-n-переход станет равным нулю.

В этом случае на вольт-амперной характеристике будет наблюдаться лишь обратный ток неосновных носителей, попавших в область объемного заряда за счет дрейфа.

Прямое смещение понижает потенциальный барьер для основных носителей заряда, что приводит к росту прямого диффузионного тока. Основные носители заряда, гонимые градиентом концентрации, устремляются через понизившийся потенциальный барьер и прямой диффузионный ток через p-n-переход, в этом случае, значительно превысит обратный ток дрейфа неосновных носителей заряда.

Таким образом, подача внешнего смещения на p-n-переход выводит его из состояния динамического равновесия.
Рис. 6. Схема изучения ВАХ диода.

Ход работы:

1. Изменяя напряжение U вх необходимо снять зависимость обратного тока (амперметр А) от обратного смещения на p-n-переходе (вольтметр V). Количество точек и шаг изменения U вх выбрать таким, чтобы на итоговой ВАХ диода было видно увеличение обратного тока вблизи нулевого смещения, дальнейший выход на плато и пробой. Запрещается выходить в режим глубокого пробоя, чтобы не допустить перегрева диода и выхода из строя прибора.
2. Переключить напряжение на прямое смещение и снять зависимость тока (амперметр А) от напряжения на p-n-переходе (вольтметр V) в прямом смещении.
3. В процессе получения точек для построения ВАХ записывать напряжение, подаваемые на вход схемы (U вх).
4. Данные эксперимента занести в таблицу 1.
5. Из таблицы 1, учитывая пределы измерения и показания измерительных приборов, преобразовать экспериментальные данные и занести их в таблицу 2.
6. На основе таблицы 2 построить вольт-амперную характеристику диода (аналогично рис. 5).
7. Повторить инструкции пунктов 1 — 7 для второго стабилитрона лабораторного стенда.

Для заполнения данными таблиц 1 и 2, а также для построения вольт-амперной характеристики можно воспользоваться компьютерными программами (Excel, Open Office Calc, Google документы). Таблицы и графики должны быть распечатаны, вырезаны и вклеены в лабораторную тетрадь.

Примечание:

Максимально допустимый ток стабилизации I ст.макс. — это наибольший ток через стабилитрон, при котором температура его р-n-перехода не превышает допустимой. Превышение тока I ст.макс. ведет к тепловому пробою р-n-перехода и, естественно, к выходу прибора из строя.

Для стабилитронов лабораторного стенда I ст.макс. = 29 мА (данные взяты из таблицы характеристик данной марки стабилитрона).

Основываясь на максимальном значении тока стабилизации и максимально возможном напряжении лабораторного источника (30 В) необходимо рассчитать номинал сопротивления R исходя из следующих соображений: при максимальном напряжении U вх ток через стабилитрон не должен превысить I стаб.
Напряжение на входе (U вх), В

Напряжение на диоде (V), В
Показания амперметра (А)
Придел шкалы амперметра (А), мА
0,10,2…0,10,2…0,10,2…0,10,2…

Таблица 2.
Напряжение на диоде, В

Ток в схеме, мА
Диод №1. Полярность на входе (а).0,10,2…Диод №1. Полярность на входе (б).0,10,2…Диод №2. Полярность на входе (а).0,10,2…Диод №2. Полярность на входе (б).0,10,2…

Контрольные вопросы:

1. Поясните принцип образования объемного неподвижного заряда на границе p-n-перехода.
2. Почему обратный ток p-n-перехода не меняется при увеличении обратного смещения до наступления пробоя?
3. Чем обусловлено увеличение тока при подаче прямого напряжения на p-n-переход?
4. Какой пробой наблюдается в стабилитроне? Какова его физическая природа?
5. Что показывает амперметр А в схеме на рис. 6?
6. Зачем в экспериментальной схеме, изображенной на рис. 6, применяется сопротивление R?
7. Что показывает вольтметр V в схеме на рис. 6?
8. На диод подается смещение U вх, при появлении тока в схеме напряжение V, падающее на диоде, уменьшается. Где падает разность напряжений U вх – V? Почему при отсутствии тока в схеме U вх = V?
9. Меняется ли напряжение на диоде в режиме пробоя c увеличением обратного смещения U вх? Какие выводы из этого следуют?

Существует три вида диодов:

Газонаполненные;

Электровакуумные;

Полупроводниковые диоды, про которые и будет идти речь дальше.

В чистом полупроводнике отсутствуют свободные электроны, поэтому его электропроводность, как и у диэлектрика крайне мала. Если добавить в полупроводник примесь, то проводимость увеличится. Для того чтоб заметить изменение электропроводимости, достаточно в чистый полупроводник добавить очень малое количество примеси – 1 атом примеси на 10 6 атомов полупроводника. Электрическая проводимость любого вещества зависит от наличия в атоме свободных, слабо связанных электронов на внешней орбите.

Если электрон освободился от соседнего атома, то на месте оборванного электрона появилась новая дырка. Электроны двигаются от отрицательного к положительному потенциалу, а дырки можно рассматривать как такие, что двигаются в обратном направлении. Также дырки можно рассматривать как элемент положительного заряда. Примеси, которые образовывают свободные электроны в полупроводнике, называются донорными, а которые делают дырки – акцепторными. Процесс заполнения неполных валентных связей называется рекомбинация.

Рисунок 1 – Проводимость полупроводникового диода

p
—
n
переход
– это переходной слой, полученный на границе полупроводников разной проводимости.

Различают два типа перехода:

Плоскостной;

Точечный.

Принцип работы полупроводникового диода
основан на особенности
p
—
n
перехода — ярко выраженная проводимость, которая зависит от полярности приложенного напряжения (рисунок 1).

На основании представленных характеристик материалов создан полупроводниковый прибор – диод.

Рисунок 2 – Обозначение диода

в
электрических схемах –
VD
.

Основные электрические параметры диода:

1.
І ном – максимальное значение действующего тока через диод, которое его
не перегревает.

2.
Максимальный импульсный ток –
І і.
max
.

3.
Обратное максимальное напряжение
U
обр.

Все полупроводниковые приборы очень чувствительны к примесям в воздухе, поэтому их размещают в герметичном корпусе из стекла или керамики.

Работа диода при прямом приложенном напряжении имеет следующий вид (ток — черная кривая, напряжение — красная):

Рисунок 3 – Ток и напряжение на диоде

С рисунка видно, что при положительном напряжении диод
VD
открывается и напряжение имеет малое значение, при отрицательном напряжении диод закрывает мгновенно, переставая пропускать через себя ток.

Широко применяются при необходимости преобразования переменного напряжения в постоянное. Выпрямленное напряжение будет иметь пульсирующий вид, как изображено на рисунке 3 – однополупериодное выпрямление, если же применять диодный мост , то будет осуществлено двухполупериодное выпрямление. В полученном пульсирующем напряжении для электрических приборов будет важно действующее значение напряжения . Для трехфазных сетей применяют выпрямитель Ларионова.

Специальные диоды

– разновидность диода, которому характерна вертикально спадающая ВАХ, на которой стабилитрон предназначен продолжительно работать.

Рисунок 4 – Вольт-амперная характеристика (ВАХ) стабилитрона

Предназначается для работы в источниках питания для стабилизации напряжения.

Основные характеристики:
U
стабилизации
,
І
min
,
I max
– граничные значения тока через стабилитрон.

Туннельный диод – это диод, которому характерно наличие в прямой ветке вольт-амперной характеристики участок с обратным сопротивлением. При увеличении прямого напряжения монотонно увеличивается выходное значение тока. Напряжение пробоя такого полупроводника практически равно нулю.

Рисунок 5 – ВАХ туннельного диода

Используются в схемах переключения и генераторах электрических колебаний.

Динистор – специальный диод, который сохраняет высокое сопротивление до определенного значения прямого напряжения, после чего сопротивление резко спадает и равно величине сопротивления открытого диода.

Рисунок 6 – Вольт-амперная характеристика динистора

Используют в схемах автоматики и генераторах переменно-линейного напряжения.

Варикап – диод, у которого изменяется емкость в зависимости от значения приложенного обратного напряжения.

Рисунок 7 – ВАХ варикапа

Применяются в электрических схемах, где необходима настройка частоты контура колебания, деление или умножение частоты.

Характерные для варикапа параметры:

Общая емкость – измеренная емкость при определенном обратном напряжении;

Коэффициент перекрытия по емкости – при двух некоторых значениях напряжения отношения емкостей варикапа.

Температурный коэффициент емкости – относительное изменение емкости, вызванное сменой температуры.

Предельная частота – та, на которой реактивная составляющая варикапа становится равна активной.

– спец диод, обратная проводимость которого изменяется от величины светового потока Ф.

Рисунок 8 – ВАХ фотодиода

Используются в измерителях светового потока и приборах автоматики.

Светодиод излучает свет при прохождении через него в прямом направлении электрического тока, цвет свечения определяется химическим составом кристалла.

Отличительной особенностью светодиода является экономичность – очень малое потребление тока (2-5мА).

Есть другой способ снижения напряжения на нагрузке, но только для цепей постоянного тока. Про смотри здесь.

Вместо дополнительного резистора используют цепочку из последовательно включенных, в прямом направлении, диодов.

Весь смысл состоит в том, что при протекании тока через диод на нем падает «прямое напряжение» равное, в зависимости от типа диода, мощности и тока протекающего через него — от 0,5 до 1,2 Волта.

На германиевом диоде падает напряжение 0,5 — 0,7 В, на кремниевом от 0,6 до 1,2 Вольта. Исходя из того, на сколько вольт нужно понизить напряжение на нагрузке, включают соответствующее количество диодов.

Чтобы понизить напряжение на 6 В необходимо приблизительно включить: 6 В: 1,0 = 6 штук кремниевых диодов, 6 В: 0,6 = 10 штук германиевых диодов. Наиболее популярны и доступны кремниевые диоды.

Выше приведенная схема с диодами, более громоздка в исполнении, чем с простым резистором. Но, выходное напряжение, в схеме с диодами, более стабильно и слабо зависит от нагрузки. В чем разница между этими двумя способами снижения выходного напряжения?

На Рис 1 — добавочное сопротивление — резистор (проволочное сопротивление), Рис 2 — добавочное сопротивление — диод.

У резистора (проволочного сопротивления) линейная зависимость между током, проходящем через него и падением напряжения на нем. Во сколько раз увеличится ток, во столько же раз увеличится и падение напряжения на резисторе.

Из примера 1: если мы к лампочке подключим параллельно еще одну, то ток в цепи увеличится, с учетом общего сопротивления двух лампочек до 0,66 А. Падение напряжения на добавочном резисторе будет: 12 Ом *0,66 А = 7,92 В. На лампочках останется: 12 В — 7,92 В = 4,08 В. Они будут гореть в пол накала.

Совсем другая картина будет если вместо резистора будет цепочка диодов.

Зависимость между током протекающем через диод и падающем на нем напряжении нелинейная. Ток может увеличиться в несколько раз, падение напряжения на диоде увеличится всего на несколько десятых вольта.

Т.е. чем больше ток диода, тем (сравнительно с резистором) меньше увеличивается его сопротивление. Падение напряжения на диодах мало зависит от тока в цепи.

Диоды в такой цепи выполняют роль стабилизатора напряжения. Диоды необходимо подбирать по максимальному току в цепи. Максимально допустимый ток диодов должен быть больше, чем ток в рассчитываемой цепи.

Падения напряжения на некоторых диодах при токе 0,5 А даны в таблице.

В цепях переменного тока, в качестве добавочного сопротивления можно использовать конденсатор, индуктивность, динистор или тиристор (с добавлением схемы управления).

П
олупроводниками являются вещества, занимающие промежуточное положение
между проводниками и изоляторами, по своим электропроводящим свойствам.
В полупроводниках, как и в металлах ток представляет из себя упорядоченное
движение заряженных частиц.
Однако, вместе с перемещением отрицательных зарядов(электронов) в полупроводниках
имеет место упорядоченное перемещение положительных зарядов, т. н. — дырок
.

Дырки
получаются при участии ионов
вещества полупроводника — атомов с сбежавшими электронами.
В реальности, ионизированные атомы не покидают своего места, в кристаллической решетке.
На самом деле, имеет место поэтапное изменение состояния
атомов вещества, когда электроны перескакивают с одного атома,
на другой. Возникает процесс, внешне выглядящий, как упорядоченное движение
неких условных положительно заряженных частиц — дырок
.

В обычном, чистом полупроводнике соотношение дырок
и свободных электродов 50%:50%.
Но стоит добавить в полупроводник небольшое количество вещества — примеси, как это
соотношение претерпевает значительные изменения. В зависимости от особенностей
добавленного вещества полупроводник приобретает либо ярко выраженную электронную
проводимость(n-тип), либо его основными носителями становятся дырки(p-тип).

Полупроводниковый переход(p-n)
формируется на стыке
двух фрагментов полупроводникового материала, имеющих разную проводимость.
Он представляет из себя крайне тонкую область, обедненную носителями обоих типов.
p-n переход имеет незначительное сопротивление, когда направление тока — прямое, и
очень большое, когда направление тока — обратное.

Обычный полупроводниковый диод состоит из одного полупроводникового перехода,
снабженного двумя выводами — анодом
(положительным электродом) и катодом
— отрицательным электродом. Соответственно, диод обладает свойством
односторонней проводимости
— он хорошо проводит ток в прямом направлении и плохо в обратном.

Что это означает на практике?
Представим себе электрическую цепь, состоящую из батарейки и лампочки накаливания, подключенной последовательно через полупроводниковый диод.
Лампочка будет гореть только в том случае, если анод
(положительный электрод) подключен к плюсу
источника питания (батарейки) а катод
(отрицательный электрод) к минусу — через накальную нить лампочки.

Это и является прямым включением полупроводникового диода.
Если поменять полярность источника питания, включение диода окажется обратным — лампочка гореть не будет. Обратите внимание как выглядит обозначение
полупроводникового диода на схеме — треугольная стрелочка, указывающая прямое включение, совпадает
с общепринятым в электротехнике направлением тока — от плюса источника питания, к минусу. Вертикальная
черточка примыкающая к ней символизирует преграду для движения тока в обратном направлении.

Существует одно обязательное условие для нормальной работы любого полупроводникового
диода.
Напряжение источника питания должно превышать некоторый порог (величину потенциала внутреннего смещения p-n перехода).
Для выпрямительных диодов он как правило — меньше 1 вольта, для германиевых высокочастотных диодов порядка 0,1 вольта, для светодиодов может превышать 3 вольта.
Это свойство полупроводниковых диодов можно использовать при создании низковольтных стабилизированных источников питания.

Если диод подключить обратно и постепенно повышать напряжение источника питания,
в некоторый момент обязательно наступит обратный электрический пробой p-n перехода.
Диод начнет пропускать ток и в обратном направлении, а переход окажется испорченным.
Величина максимального допустимого обратного напряжения (Uобр.и.) широко разнится у различных
типов полупроводниковых диодов и является очень важным параметром.

Вторым, не менее важным параметром можно назвать предельное значение прямого тока-Uпр.
Этот параметр напрямую зависит от величины падения напряжения на переходе
полупроводникового диода, материала полупроводника и теплообменных характеристик корпуса.

Использование каких — либо материалов этой страницы,
допускается при наличии ссылки на сайт

Принцип работы диодов для чайников

Диод является одной из разновидностей приборов, сконструированных на полупроводниковой основе. Обладает одним p-n переходом, а также анодным и катодным выводом. В большинстве случаев он предназначен для модуляции, выпрямления, преобразования и иных действий с поступающими электрическими сигналами.

Принцип работы:

1. Электрический ток воздействует на катод, подогреватель начинает накаливаться, а электрод испускать электроны.
2. Между двумя электродами происходит образование электрического поля.
3. Если анод обладает положительным потенциалом, то он начинает притягивать электроны к себе, а возникшее поле является катализатором данного процесса. При этом, происходит образование эмиссионного тока.
4. Между электродами происходит образование пространственного отрицательного заряда, способного помешать движению электронов. Это происходит, если потенциал анода оказывается слишком слабым. В таком случае, частям электронов не удается преодолеть воздействие отрицательного заряда, и они начинают двигаться в обратном направлении, снова возвращаясь к катоду.
5. Все электроны, которые достигли анода и не вернулись к катоду, определяют параметры катодного тока. Поэтому данный показатель напрямую зависит от положительного анодного потенциала.
6. Поток всех электронов, которые смогли попасть на анод, имеет название анодный ток, показатели которого в диоде всегда соответствуют параметрам катодного тока. Иногда оба показателя могут быть нулевыми, это происходит в ситуациях, когда анод обладает отрицательным зарядом. В таком случае, возникшее между электродами поле не ускоряет частицы, а, наоборот, тормозит их и возвращает на катод. Диод в таком случае остается в запертом состоянии, что приводит к размыканию цепи.

Устройство

Ниже приводится подробное описание устройства диода, изучение этих сведений необходимо для дальнейшего понимания принципов действия этих элементов:

1. Корпус представляет собой вакуумный баллон, который может быть изготовлен из стекла, металла или прочных керамических разновидностей материала.
2. Внутри баллона имеется 2 электрода. Первый является накаленным катодом, который предназначен для обеспечения процесса эмиссии электронов. Самый простейший по конструкции катод представляет собой нить с небольшим диаметром, которая накаливается в процессе функционирования, но на сегодняшний день более распространены электроды косвенного накала. Они представляют собой цилиндры, изготовленные из металла, и обладающие особым активным слоем, способным испускать электроны.
3. Внутри катода косвенного накала имеется специфический элемент – проволока, которая накаливается под воздействием электрического тока, она называется подогреватель.
4. Второй электрод является анодом, он необходим для приема электронов, которые были выпущены катодом. Для этого он должен обладать положительным относительно второго электрода потенциалом. В большинстве случаев анод также имеет цилиндрическую форму.
5. Оба электрода вакуумных приборов полностью идентичны эмиттеру и базе полупроводниковой разновидности элементов.
6. Для изготовления диодного кристалла чаще всего используется кремний или германий. Одна из его частей является электропроводимой по p-типу и имеет недостаток электронов, который образован искусственным методом. Противоположная сторона кристалла также имеет проводимость, но n-типа и обладает избытком электронов. Между двумя областями имеется граница, которая и называется p-n переходом.

Такие особенности внутреннего устройства наделяют диоды их главным свойством – возможностью проведения электрического тока только в одном направлении.

Назначение

Ниже приводятся основные области применения диодов, на примере которых становится понятно их основное назначение:

1. Диодные мосты представляют собой 4, 6 или 12 диодов, соединенных между собой, их количество зависит от типа схемы, которая может быть однофазной, трехфазной полумостовой или трехфазной полномостовой. Они выполняют функции выпрямителей, такой вариант чаще всего используется в автомобильных генераторах, поскольку внедрение подобных мостов, а также использование вместе с ними щеточно-коллекторных узлов, позволило в значительной степени сократить размеры данного устройства и увеличить степень его надежности. Если соединение выполнено последовательно и в одну сторону, то это повышает минимальные показатели напряжения, которое потребуется для отпирания всего диодного моста.
2. Диодные детекторы получаются при комбинированном использовании данных приборов с конденсаторами. Это необходимо для того, чтобы было можно выделить модуляцию с низкими частотами из различных модулированных сигналов, в том числе амплитудно-модулированной разновидности радиосигнала. Такие детекторы являются частью конструкции многих бытовых потребителей, например, телевизоров или радиоприемников.
3. Обеспечение защиты потребителей от неверной полярности при включении схемных входов от возникающих перегрузок или ключей от пробоя электродвижущей силой, возникающей при самоиндукции, которая происходит при отключении индуктивной нагрузки. Для обеспечения безопасности схем от возникающих перегрузок, применяется цепочка, состоящая из нескольких диодов, имеющих подключение к питающим шинам в обратном направлении. При этом, вход, которому обеспечивается защита, должен подключаться к середине этой цепочки. Во время обычного функционирования схемы, все диоды находятся в закрытом состоянии, но если ими было зафиксировано, что потенциал входа ушел за допустимые пределы напряжения, происходит активация одного из защитных элементов. Благодаря этому, данный допустимый потенциал получает ограничение в рамках допустимого питающего напряжения в сумме с прямым падением показателей напряжение на защитном приборе.
4. Переключатели, созданные на основе диодов, используются для осуществления коммутации сигналов с высокими частотами. Управление такой системой осуществляется при помощи постоянного электрического тока, разделения высоких частот и подачи управляющего сигнала, которое происходит благодаря индуктивности и конденсаторам.
5. Создание диодной искрозащиты. Используются шунт-диодные барьеры, которые обеспечивают безопасность путем ограничения напряжения в соответствующей электрической цепи. В совокупности с ними применяются токоограничительные резисторы, которые необходимы для ограничения показателей электрического тока, проходящего через сеть, и увеличения степени защиты.

Использование диодов в электронике на сегодняшний день весьма широко, поскольку фактически ни одна современная разновидность электронного оборудования не обходится без этих элементов.

Прямое включение диода

На p-n-переход диода может оказывать воздействие напряжение, подаваемое с внешних источников. Такие показатели, как величина и полярность, будут сказываться на его поведении и проводимом через него электрическом токе.

Ниже подробно рассмотрен вариант, при котором происходит подключение плюса к области p-типа, а отрицательного полюса к области n-типа. В этом случае произойдет прямое включение:

1. Под воздействием напряжения от внешнего источника, в p-n-переходе сформируется электрическое поле, при этом его направление будет противоположным относительно внутреннего диффузионного поля.
2. Напряжение поля значительно снизится, что вызовет резкое сужение запирающего слоя.
3. Под воздействием этих процессов значительное количество электронов обретет возможность свободно переходить из p-области в n-область, а также в обратном направлении.
4. Показатели тока дрейфа во время этого процесса остаются прежними, поскольку они напрямую зависят только от числа неосновных заряженных носителей, находящихся в области p-n-перехода.
5. Электроны обладают повышенным уровнем диффузии, что приводит к инжекции неосновных носителей. Иными словами, в n-области произойдет повышение количества дырок, а в p-области будет зафиксирована повышенная концентрация электронов.
6. Отсутствие равновесия и повышенное число неосновных носителей заставляет их уходить вглубь полупроводника и смешиваться с его структурой, что в итоге приводит к разрушению его свойств электронейтральности.
7. Полупроводник при этом способен восстановить свое нейтральное состояние, это происходит благодаря получению зарядов от подключенного внешнего источника, что способствует появлению прямого тока во внешней электрической цепи.

Обратное включение диода

Теперь будет рассмотрен другой способ включения, во время которого изменяется полярность внешнего источника, от которого происходит передача напряжения:

1. Главное отличие от прямого включения заключается в том, что создаваемое электрическое поле будет обладать направлением, полностью совпадающим с направлением внутреннего диффузионного поля. Соответственно, запирающий слой будет уже не сужаться, а, наоборот, расширяться.
2. Поле, находящееся в p-n-переходе, будет оказывать ускоряющий эффект на целый ряд неосновных носителей заряда, по этой причине, показатели дрейфового тока останутся без изменений. Он будет определять параметры результирующего тока, который проходит через p-n-переход.
3. По мере роста обратного напряжения, электрический ток, протекающий через переход, будет стремиться достичь максимальных показателей. Он имеет специальное название – ток насыщения.
4. В соответствии с экспоненциальным законом, с постепенным увеличением температуры будут увеличиваться и показатели тока насыщения.

Прямое и обратное напряжение

Напряжение, которое оказывает воздействие на диод, разделяют по двум критериям:

1. Прямое напряжение – это то, при котором происходит открытие диода и начинается прохождение через него прямого тока, при этом показатели сопротивления прибора являются крайне низкими.
2. Обратное напряжение – это то, которое обладает обратной полярностью и обеспечивает закрытие диода с прохождением через него обратного тока. Показатели сопротивления прибора при этом начинают резко и значительно расти.

Сопротивление p-n-перехода является постоянно меняющимся показателем, в первую очередь на него оказывает влияние прямое напряжение, подающееся непосредственно на диод. Если напряжение увеличивается, то показатели сопротивления перехода будут пропорционально уменьшаться.

Это приводит к росту параметров прямого тока, проходящего через диод. Когда данный прибор закрыт, то на него воздействует фактически все напряжение, по этой причине показатели проходящего через диод обратного тока являются незначительными, а сопротивление перехода при этом достигает пиковых параметров.

Работа диода и его вольт-амперная характеристика

Под вольт-амперной характеристикой данных приборов понимается кривая линия, которая показывает то, в какой зависимости находится электрический ток, протекающий через p-n-переход, от объемов и полярности напряжения, воздействующего на него.

Подобный график можно описать следующим образом:

1. Ось, расположенная по вертикали: верхняя область соответствует значениям прямого тока, нижняя область параметрам обратного тока.
2. Ось, расположенная по горизонтали: область, находящаяся справа, предназначена для значений прямого напряжения; область слева для параметров обратного напряжения.
3. Прямая ветвь вольт-амперной характеристики отражает пропускной электрический ток через диод. Она направлена вверх и проходит в непосредственной близости от вертикальной оси, поскольку отображает увеличение прямого электрического тока, которое происходит при увеличении соответствующего напряжения.
4. Вторая (обратная) ветвь соответствует и отображает состояние закрытого электрического тока, который также проходит через прибор. Положение у нее такое, что она проходит фактически параллельно относительно горизонтальной оси. Чем круче эта ветвь подходит к вертикали, тем выше выпрямительные возможности конкретного диода.
5. По графику можно наблюдать, что после роста прямого напряжения, протекающего через p-n-переход, происходит медленное увеличение показателей электрического тока. Однако постепенно, кривая достигает области, в которой заметен скачок, после которого происходит ускоренное нарастание его показателей. Это объясняется открытием диода и проведением тока при прямом напряжении. Для приборов, изготовленных из германия, это происходит при напряжении равном от 0,1В до 0,2В (максимальное значение 1В), а для кремниевых элементов требуется более высокий показатель от 0,5В до 0,6В (максимальное значение 1,5В).
6. Показанное увеличение показателей тока может привести к перегреву полупроводниковых молекул. Если отведение тепла, происходящее благодаря естественным процессам и работе радиаторов, будет меньше уровня его выделения, то структура молекул может быть разрушена, и этот процесс будет иметь уже необратимый характер. По этой причине, необходимо ограничивать параметры прямого тока, чтобы не допустить перегрева полупроводникового материала. Для этого, в схему добавляются специальные резисторы, имеющие последовательное подключение с диодами.
7. Исследуя обратную ветвь можно заметить, что если начинает увеличиваться обратное напряжение, которое приложено к p-n-переходу, то фактически незаметен рост параметров тока. Однако в случаях, когда напряжение достигает параметров, превосходящих допустимые нормы, может произойти внезапный скачок показателей обратного тока, что перегреет полупроводник и будет способствовать последующему пробою p-n-перехода.

Основные неисправности диодов

Иногда приборы подобного типа выходят из строя, это может происходить из-за естественной амортизации и старения данных элементов или по иным причинам.

Всего выделяют 3 основных типа распространенных неисправностей:

1. Пробой перехода приводит к тому, что диод вместо полупроводникового прибора становится по своей сути самым обычным проводником. В таком состоянии он лишается своих основных свойств и начинает пропускать электрический ток в абсолютно любом направлении. Подобная поломка легко выявляется при помощи стандартного мультиметра, который начинает подавать звуковой сигнал и показывать низкий уровень сопротивления в диоде.
2. При обрыве происходит обратный процесс – прибор вообще перестает пропускать электрический ток в каком-либо направлении, то есть он становится по своей сути изолятором. Для точности определения обрыва, необходимо использовать тестеры с качественными и исправными щупами, в противном случае, они могут иногда ложно диагностировать данную неисправность. У сплавных полупроводниковых разновидностей такая поломка встречается крайне редко.
3. Утечка, во время которой нарушается герметичность корпуса прибора, вследствие чего он не может исправно функционировать.

Пробой p-n-перехода

Подобные пробои происходят в ситуациях, когда показатели обратного электрического тока начинают внезапно и резко расти, происходит это из-за того, что напряжение соответствующего типа достигает недопустимых высоких значений.

Обычно различается несколько видов:

1. Тепловые пробои, которые вызваны резким повышением температуры и последующим перегревом.
2. Электрические пробои, возникающие под воздействием тока на переход.

График вольт-амперной характеристики позволяет наглядно изучать эти процессы и разницу между ними.

Электрический пробой

Последствия, вызываемые электрическими пробоями, не носят необратимого характера, поскольку при них не происходит разрушение самого кристалла. Поэтому при постепенном понижении напряжения можно восстановить всей свойства и рабочие параметры диода.

При этом, пробои такого типа делятся на две разновидности:

1. Туннельные пробои происходят при прохождении высокого напряжения через узкие переходы, что дает возможность отдельно взятым электронам проскочить через него. Обычно они возникают, если в полупроводниковых молекулах имеется большое количество разных примесей. Во время такого пробоя, обратный ток начинает резко и стремительно расти, а соответствующее напряжение находится на низком уровне.
2. Лавинные разновидности пробоев возможны благодаря воздействию сильных полей, способных разогнать носителей заряда до предельного уровня из-за чего они вышибают из атомов ряд валентных электронов, которые после этого вылетают в проводимую область. Это явление носит лавинообразный характер, благодаря чему данный вид пробоев и получил такое название.

Тепловой пробой

Возникновение такого пробоя может произойти по двум основным причинам: недостаточный теплоотвод и перегрев p-n-перехода, который происходит из-за протекания через него электрического тока со слишком высокими показателями.

Повышение температурного режима в переходе и соседних областях вызывает следующие последствия:

1. Рост колебания атомов, входящих в состав кристалла.
2. Попадание электронов в проводимую зону.
3. Резкое повышение температуры.
4. Разрушение и деформация структуры кристалла.
5. Полный выход из строя и поломка всего радиокомпонента.

Статья была полезна?

0,00 (оценок: 0)

Технические характеристики диодов

1. Радиоэлектроника
2. Схемотехника
3. Основы электроники и схемотехники
4. Том 3 – Полупроводниковые приборы

1. Книги / руководства / серии статей
2. Основы электроники и схемотехники. Том 3. Полупроводниковые приборы

Добавлено 4 февраля 2017 в 22:50

Сохранить или поделиться

В дополнение к прямому падению напряжения и максимальному обратному напряжению есть много других технических параметров диодов, важных при разработке схем и выборе компонентов. Производители полупроводниковых приборов предоставляют подробные спецификации своих продуктов (в том числе, и диодов) в публикациях, известных как технические описания (datasheets, «даташиты»). Технические описания для широкого спектра полупроводниковых приборов могут быть найдены в справочниках и интернете. В качестве источника спецификаций компонентов я предпочитаю интернет, так как данные, полученные от производителей, более актуальны.

Типовые технические описания диодов содержат данные для следующих параметров:

Максимальное повторяющееся (импульсное) обратное напряжение (U_{обр.и.п.макс}, V_RRM)

Максимальное напряжение, которое диод может выдержать в режиме обратного смещения при повторяющихся импульсах. В идеале, эта величина была бы бесконечной.

Максимальное постоянное обратное напряжение (U_{обр.макс}, V_R, V_DC)

Максимальное напряжение, которое диод может выдержать в режиме обратного смещения на постоянной основе. В идеале, эта величина была бы бесконечной.

Максимальное прямое напряжение (U_пр, V_F)

Обычно указывается при номинальном прямом токе диода. В идеале эта величина была бы равна нулю: диод не оказывает никакого сопротивления прямому току. В реальности прямое напряжение описывается уравнением Шокли для диода.

Максимальный (средний) прямой ток (I_{пр.ср.макс}, I_F(AV))

Максимальная средняя величина тока, которую ток может проводить в режиме прямого смещения. Является принципиальным тепловым ограничением: насколько может нагреться PN переход, учитывая что рассеиваемая мощность равна току (I), умноженному на напряжение (U), а прямое напряжение зависит и от тока, и от температуры перехода. В идеале, эта величина была бы бесконечной

Максимальный (пиковый или импульсный) прямой ток (I_{пр.и.макс}, I_FSM, i_f(surge))

Максимальная пиковая величина тока, которую диод может проводить в режиме прямого смещения. Опять же, этот параметр ограничивается рассеиваемой мощностью диода и, как правило, намного выше максимального среднего тока из-за тепловой инерции (дело в том, что диоду необходимо определенное количество времени, чтобы достигнуть максимальной температуры при заданном токе). В идеале, эта величина была бы бесконечной.

Максимальная общая рассеиваемая мощность(P_д, P_D)

Величина мощности (в ваттах), допустимая для рассеивания диодом, учитывая рассеивание P = IU (ток через диод, умноженный на падение напряжения на диоде) и рассеивание P = I²R (ток в квадрате, умноженный на сопротивление). Фундаментально ограничивается тепловой емкостью диода (способностью выдерживать высокие температуры).

Рабочая температура перехода (T_п.макс, T_J)

Максимальная допустимая температура для PN-перехода диода, как правило, дается в градусах Цельсия (°C). Тепло является «ахиллесовой пятой» полупроводниковых приборов: они должны оставаться холодными как для правильного функционирования, так и для более долгого срока службы.

Диапазон температур хранения

Диапазон температур, допустимых для хранения диода (без подачи питания). Иногда дается в сочетании с рабочей температурой перехода (T_п.макс, T_J), так как значения максимальной температуры хранения и максимальной рабочей температуры часто одинаковы. Хотя, на самом деле, значение максимальной температуры хранения будет больше значения максимальной рабочей температуры.

Тепловое сопротивление (R_T, R(Θ)), тепловое сопротивление для разности температур перехода и окружающего воздуха (R_{Tпер–окр}, RΘ_JA), тепловое сопротивление для разности температур перехода и выводов/корпуса (R_{Tпер–кор}, RΘ_JL) при определенной рассеиваемой мощности

Выражаются в единицах градусов Цельсия на ватт (°C/Вт). В идеале, этот показатель был бы равен нулю, что означало бы, что корпус диода был идеальным теплопроводником и радиатором, способным передать всю тепловую энергию от перехода в окружающий воздух (или к выводам) без разницы температур по всей толщине корпуса диода. Высокое тепловое сопротивление означает, что диод будет наращивать чрезмерную температуру в переходе (в своем самом критически важном месте), несмотря на все усилия по охлаждению с внешней стороны диода, и, таким образом, будет ограничиваться максимальная рассеиваемая мощность.

Максимальный обратный ток (I_{обр.макс}, I_R)

Величина тока через диод в режиме обратного смещения с приложенным максимальным обратным напряжением (U_{обр.макс}, V_R, V_DC). Иногда называется током утечки. В идеале, этот показатель был бы равен нулю, так как идеальный диод при обратном смещении будет блокировать весь ток. В реальности, он очень мал по сравнению с максимальным прямым током.

Типовая емкость перехода (C_пер, C_J)

Типовая величина емкости, свойственной переходу из-за обедненной области, действующей как диэлектрик, разделяющий соединения анода и катода. Как правило, она очень мала и измеряется в диапазоне пикофарад (пФ).

Время восстановления (t_{вос.обр} t_rr)

Количество времени, необходимое диоду «выключиться», когда напряжение на нем меняет полярность с прямого смещения на обратное. В идеале, этот показатель был бы равен нулю: диод останавливает проводимость сразу после изменения полярности. Для типовых выпрямительных диодов время восстановления находится в диапазоне десятков микросекунд; для «быстрых коммутирующих» диодов оно может составлять всего несколько наносекунд.

Большинство из этих параметров зависит от температуры и других условий эксплуатации, и поэтому одно значение не в полной мере описывает любой из этих показателей. Поэтому производители предоставляют графики показателей компонентов в зависимости от других переменных (например, температура), благодаря чему разработчик схем имеет лучшее представление о том, на что способно устройство.

Оригинал статьи:

Теги

Время восстановленияДиодЕмкость переходаОбратное напряжениеОбратный токОбучениеПрямое напряжениеПрямой токРассеиваемая мощностьТемпература переходаТепловое сопротивлениеТермическое сопротивлениеЭлектроника

Сохранить или поделиться

На сайте работает сервис комментирования DISQUS, который позволяет вам оставлять
комментарии на множестве сайтов, имея лишь один аккаунт на Disqus.com.

В случае комментирования в качестве гостя (без регистрации на disqus.com) для публикации
комментария требуется время на премодерацию.

Прямое напряжение диода — это… Что такое Прямое напряжение диода?

Прямое напряжение диода

1. Прямое напряжение диода

—

Напряжение между выводами диода, обусловленное прямым током

Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации.
academic.ru.
2015.

• прямое направление тока
• Прямое напряжение тиристора

Смотреть что такое «Прямое напряжение диода» в других словарях:

• прямое напряжение диода — Напряжение между выводами диода, обусловленное прямым током. [ГОСТ 25529 82] Тематики полупроводниковые приборы …   Справочник технического переводчика

• постоянное прямое напряжение диода — постоянное прямое* напряжение диода Uпр, UF Постоянное значение прямого напряжения при заданном прямом токе полупроводникового диода. Примечание В каждом конкретном случае использования термина следует в его наименовании слова «диод»… …   Справочник технического переводчика

• импульсное прямое напряжение диода — Uпр.и, UFM Наибольшее мгновенное значение прямого напряжения, обусловленное импульсным прямым током диода заданного значения. [ГОСТ 25529 82] Тематики полупроводниковые приборы EN peak forward voltage DE Spitzendurchlassspannung der Diode FR… …   Справочник технического переводчика

• Импульсное прямое напряжение диода — 2. Импульсное прямое напряжение диода D. Spitzendurchlassspannung der Diode E. Peak forward voltage F. Tension directe de crête Uпр.и Наибольшее мгновенное значение прямого напряжения, обусловленное импульсным прямым током диода заданного… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

• Постоянное прямое напряжение диода — 1. Постоянное прямое* напряжение диода D. Durchlassgleichspannung der Diode E. Forward continuous voltage F. Tension directe continue Uпр Постоянное значение прямого напряжения при заданном прямом токе полупроводникового диода Источник: ГОСТ… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

• Среднее прямое напряжение диода — 5. Среднее прямое напряжение диода D. Mittlere Durchlassspannung der Diode E. Average forward voltage F. Tension directe moyenne Uпр.ср Среднее за период значение прямого напряжения диода при заданном среднем прямом токе Источник: ГОСТ 25529 82:… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

• прямое напряжение полупроводникового диода — tiesioginė puslaidininkinio diodo įtampa statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. forward voltage of a semiconductor diode vok. Vorwärtsspannung bei einer Halbleiterdiode, f rus. прямое напряжение полупроводникового диода, n pranc. tension …   Automatikos terminų žodynas

• напряжение — 3.10 напряжение: Отношение растягивающего усилия к площади поперечного сечения звена при его номинальных размерах. Источник: ГОСТ 30188 97: Цепи грузоподъемные калиброванные высокопрочные. Технические условия …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

• время прямого восстановления диода — Ндп. время восстановления прямого сопротивления tвос.пр, tfr Время, в течение которого происходит включение диода и прямое напряжение на нем устанавливается от значения, равного нулю, до заданного установившегося значения. [ГОСТ 25529 82]… …   Справочник технического переводчика

• Время прямого восстановления диода — 34. Время прямого восстановления диода Ндп. Время восстановления прямого сопротивления D. Durchlasserholungszeit der Diode E. Forward recovery time F. Temps de recouvrement direct tвос.пр Время, в течение которого происходит включение диода и… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Прямое напряжение — диод — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 2

Прямое напряжение — диод

Cтраница 2

Потенциал базы транзистора в этом случае ниже потенциала точки А на сумму прямых напряжений диодов Д5, Дв и достаточен для запирания транзистора. Действительно, при сигнале О на всех входах все диоды открыты, потенциал точки А близок к нулю.
 [16]

В современных быстродействующих цифровых схемах применяют диоды Шоттки, выполненные на основе контакта металл — полупроводник и отличающиеся большим быстродействием, так как их инерционность обусловливается только наличием зарядной ( барьерной) емкости, а другие факторы, ограничивающие скорость переключения полупроводниковых диодов, отсутствуют. Диоды Шоттки имеют времена переключения порядка 0 1 не, малые прямые напряжения ( прямые напряжения диодов Шоттки составляют примерно половину от прямых напряжений обычных кремниевых диодов) и без затруднений реализуются в интегральных схемах.
 [18]

Температурный коэффициент прямого напряжения кок-такта металл — полупроводник отрицателен. В сильноточных выпрямительных диодах с повышением температуры сопротивление базы увеличивается, и из-за этого явления температурный коэффициент прямого напряжения диода положителен. Материал и параметры структуры гетероперехода, у которого температурный коэффициент прямого напряжения отрицателен, подбирают так, что до 200 С получается термокомпенсация прямого напряжения диода.
 [19]

В первой области, соответствующей малым прямым напряжениям, ток через диод определяется термоэлектронной эмиссией, которая является основным механизмом протекания тока в ДШ. С увеличением напряжения и соответственно тока возрастает падение напряжения на объемном сопротивлении базы, что и определяет ход характеристики во второй области, В третьей области при больших прямых напряжениях диодов ток обусловлен пространственным зарядом в компенсированном полупроводнике с учетом влияния глубоких уровней в запрещенной зоне. При низком значении исходной концентрации легирующей примеси, обедненный контактный слой диода даже при нулевых напряжениях смещения может полностью перекрывать квазинейтральную область базы. Ток в этом случае ограничивается пространственным зарядом электронов па глубоких энергетических уровнях в запрещенной зоне полупроводника.
 [20]

На условном обозначении направление стрелки диода ( так обозначают анод элемента) совпадает с направлением тока. Например, если через диод в направлении от анода к катоду протекает ток величиной 10 мА, то анод на 0 5 В более положителен, чем катод; эта разница напряжений называется прямым напряжением диода. Для диодов общего назначения типа 1N914 напряжение пробоя составляет обычно 75 В. Как правило, на диод подают такое напряжение, которое не может вызвать пробой, исключение составляет упомянутый ранее зе-неровский диод.
 [21]

Можно также воспользоваться схемой, показанной на рис. 1.82. Прямое напряжение на диоде Д2 компенсируется за счет диода Ди обеспечивающего смещение величиной 0 6 В. Формирование смещения с помощью диода Дх ( а не с помощью, например, делителя напряжения) имеет следующие преимущества: нет необходимости проводить регулировку уровня смещения, так как схема обеспечивает почти идеальную компенсацию; изменение прямого напряжения диодов ( связанное, например, с изменением температуры) компенсируется и не сказывается на работе схемы. В дальнейшем мы еще не раз встретим компенсации изменений прямого напряжения с помощью согласованной пары диодов, транзисторов и полевых транзисторов: этот прием очень эффективен и прост в исполнении.
 [23]

Наиболее важной причиной искажений пилообразного тока является нелинейное сопротивление ключа. На транзисторе и диоде в открытом состоянии имеются некоторые остаточные напряжения. Они равны напряжению насыщения для транзистора и прямому напряжению диода.
 [24]

Температурный коэффициент прямого напряжения кок-такта металл — полупроводник отрицателен. В сильноточных выпрямительных диодах с повышением температуры сопротивление базы увеличивается, и из-за этого явления температурный коэффициент прямого напряжения диода положителен. Материал и параметры структуры гетероперехода, у которого температурный коэффициент прямого напряжения отрицателен, подбирают так, что до 200 С получается термокомпенсация прямого напряжения диода.
 [25]

В настоящее время в качестве диодов, включаемых в цепь обратной связи ключа ( особенно в интегральных схемах), используются диоды Шоттки ( см. § 3 — 4), у которых отсутствует накопление, а значит, и рассасывание неосновных носителей в базе. Поэтому ненасыщенные ключи с диодами Шоттки полностью описываются приведенными выше формулами и обладают максимальным быстродействием. Ключи с диодами Шоттки в цепи нелинейной обратной связи называют транзисторами Шоттки. В случае кремниевых транзисторов относительно малые прямые напряжения диодов Шоттки ( 0 3 — 0 5 В по сравнению с 0 7 — 0 8 В на переходах) позволяют исключить источник смещения Еф, так как при прямом напряжении 0 3 — 0 5 В на коллекторном переходе инжекция практически отсутствует и насыщения не наступает.
 [26]

Бывают такие случаи, помимо тех, что мы рассмотрели выше, когда сигнал должен иметь только одну полярность. Если входной сигнал не является синусоидальным, то говорить о его выпрямлении не принято, хотя процесс выпрямления применим и к нему. Например, требуется получить последовательность импульсов, совпадающих с моментами нарастания прямоугольного сигнала. Следует всегда иметь в виду, что прямое напряжение диода составляет приблизительно 0 6 В. На выходе нашей схемы, например, сигнал будет получен лишь в том случае, когда двойная амплитуда прямоугольного входного сигнала будет не меньше 0 6 В. Это условие накладывает определенные ограничения на разработку схемы, но известны приемы, с помощью которых их можно преодолеть.
 [27]

Практически редко включают параллельно больше двух — трех диодов. Уравнительные резисторы с сопротивлением в десятые доли ома или единицы ом обычно подбирают экспериментально до получения в рабочем режиме одинаковых токов в диодах. Иногда включают уравнительные резисторы с сопротивлением, заведомо в несколько раз большим, чем прямое сопротивление диодов, для того чтобы ток в каждом диоде определялся главным образом сопротивлением Ry. Но в этом случае получается дополнительное падение напряжения на Ry, превышающее в несколько раз прямое напряжение диодов, и КПД, конечно, снижается. Если нежелательно включать уравнительные резисторы, то надо подобрать диоды с примерно одинаковыми характеристиками. Однако рекомендуется по возможности не прибегать к параллельному соединению диодов.
 [29]

Страницы:  

   1

   2

Как определить напряжение питания светодиодов? Ответ

Несмотря на то что электрический параметр №1 для светодиода – это номинальный ток, часто для расчётов необходимо знать напряжение на его выводах. Под понятием «напряжение светодиода» понимают разницу потенциалов на p-n-переходе в открытом состоянии. Оно является справочным параметром и вместе с другими характеристиками указывается в паспорте к полупроводниковому прибору. 3, 9 или 12 вольт… Часто в руки попадают экземпляры, о которых ничего не известно. Так как узнать падение напряжения на светодиоде?

Теоретический метод

Прекрасной подсказкой в этом случае является цвет свечения, внешняя форма и размеры полупроводникового прибора. Если корпус светодиода выполнен из прозрачного компаунда, то цвет его остаётся загадкой, разгадать которую поможет мультиметр. Для этого переключатель цифрового тестера переводят в положение «проверка на обрыв» и щупами поочерёдно касаются выводов светодиода. У исправного элемента в прямом смещении будет наблюдаться небольшое свечение кристалла. Таким образом, можно сделать вывод не только о цвете свечения, но и о работоспособности полупроводникового прибора. Существуют и другие способы тестирования излучающих диодов, о которых подробно написано в данной статье.

Светоизлучающие диоды разных цветов изготавливают из различных полупроводниковых материалов. Именно химический состав полупроводника во многом определяет напряжение питания светодиодов, точнее, падение напряжение на p-n-переходе. В связи с тем, что в производстве кристаллов используют десятки химических соединений, точного напряжения для всех светодиодов одного цвета не существует. Однако есть определённый диапазон значений, которых зачастую достаточно для проведения предварительных расчетов элементов электронной цепи.

С одной стороны, размер и внешний вид корпуса не влияют на прямое напряжение светодиода. Но ,с другой стороны. через линзу можно увидеть количество излучающих кристаллов, которые могут быть соединены последовательно. Слой люминофора в SMD светодиодах может скрывать целую цепочку из кристаллов. Ярким примером является миниатюрные многокристальные светодиоды от компании Cree, падение напряжения на которых зачастую значительно превышает 3 вольта.

В последние годы появились белые SMD светодиоды, в корпусе которых размещено 3 последовательно соединённых кристалла. Их часто можно встретить в китайских светодиодных лампах на 220 вольт. Естественно убедиться в исправности LED-кристаллов в такой лампе при помощи мультиметра не удастся. Стандартная батарейка тестера выдаёт 9 В, а минимальное напряжение срабатывания трёхкристального белого светоизлучающего диода – 9,6 В. Также встречаются двухкристальная модификация с порогом срабатывания от 6 вольт.

Узнать все технические характеристики светодиода можно из интернета. Для этого нужно скачать datasheet на схожую по внешним признакам модель, обязательно такого же цвета свечения, сверить паспортные размеры с действительными и выписать номинальные значения тока и падения напряжения. Следует учитывать, что данная методика весьма приблизительна, так как в одинаковом корпусе могут быть изготовлены светодиоды на 20 мА и на 150 мА с разбросом напряжения до 0,5 вольт.

Практический метод

Самые точные данные о прямом падении напряжения на светодиоде можно получить путём проведения практических измерений. Для этого понадобится регулируемый блок питания (БП) постоянного тока с напряжение от 0 до 12 вольт, вольтметр или мультиметр и резистор на 510 Ом (можно больше). Лабораторная схема для тестирования показана на рисунке.

Здесь всё просто: резистор ограничивает ток, а вольтметр отслеживает прямое напряжение светодиода. Плавно увеличивая напряжение от источника питания, наблюдают за ростом показаний на вольтметре. В момент достижения порога срабатывания светодиод начнёт излучать свет. В какой-то момент яркость достигнет номинального значения, а показания вольтметра перестанут резко нарастать. Это означает, что p-n-переход открыт, и дальнейший прирост напряжения с выхода БП будет прикладываться только к резистору.

Текущие показания на экране и будут номинальным прямым напряжением светодиода. Если ещё продолжить наращивать питание схемы, то расти будет только ток через полупроводник, а разность потенциалов на нём изменится не более чем на 0,1-0,2 вольт. Чрезмерное превышение тока приведёт к перегреву кристалла и электрическому пробою p-n-перехода.

Если рабочее напряжение на светодиоде установилось около 1,9 вольт, но при этом свечение отсутствует, то возможно тестируется инфракрасный диод. Чтобы убедиться в этом, нужно направить поток излучения на включенную фотокамеру телефона. На экране должно появиться белое пятно.

В отсутствии регулируемого блока питания можно воспользоваться «кроной» на 9 В. Также можно задействовать в измерениях сетевой адаптер на 3 или 9 вольт, который выдаёт выпрямленное стабилизированное напряжение, и пересчитать номинал сопротивления резистора.

Введение в диоды и выпрямители | Диоды и выпрямители

Все о диодах

Диод представляет собой электрическое устройство, позволяющее току проходить через него в одном направлении с гораздо большей легкостью, чем в другом. Наиболее распространенным типом диодов в современной схемотехнике является полупроводниковый диод , хотя существуют и другие диодные технологии. Полупроводниковые диоды обозначены на схематических диаграммах, таких как рисунок ниже. Термин «диод» обычно используется для малосигнальных устройств, I ≤ 1 A.Термин выпрямитель используется для силовых устройств, I> 1 А.

Схематический символ полупроводникового диода: стрелки указывают направление тока.

При включении в простую схему «батарея-лампа» диод пропускает или предотвращает прохождение тока через лампу, в зависимости от полярности приложенного напряжения. (рисунок ниже)

Работа диода: а) ток разрешен; диод смещен в прямом направлении. (b) Текущий поток запрещен; диод имеет обратное смещение.

Когда полярность батареи такова, что ток может течь через диод, говорят, что диод имеет прямое смещение . И наоборот, когда батарея находится «в обратном направлении» и диод блокирует ток, говорят, что диод имеет обратное смещение . Диод можно рассматривать как переключатель: «замкнут» при прямом смещении и «разомкнут» при обратном смещении.

Направление стрелки символа диода указывает направление тока в обычном потоке.Это соглашение справедливо для всех полупроводников, на схемах которых есть «наконечники стрел». Обратное верно, когда используется поток электронов, когда направление тока направлено против «стрелки».

Гидравлический обратный клапан Аналог

Поведение диода аналогично поведению гидравлического устройства, называемого обратным клапаном . Обратный клапан позволяет жидкости проходить через него только в одном направлении, как показано на рисунке ниже.

Аналогия с гидравлическим обратным клапаном: (a) Допустимый ток.(b) Текущий поток запрещен.

Обратные клапаны — это, по сути, устройства, работающие под давлением: они открываются и пропускают поток, если давление на них имеет правильную «полярность» для открытия заслонки (в показанной аналогии большее давление жидкости справа, чем слева). Если давление имеет противоположную «полярность», разница давлений на обратном клапане закроется и удержит заслонку, так что потока не будет.

Как и обратные клапаны, диоды, по сути, являются устройствами, работающими от давления (напряжения).Существенная разница между прямым и обратным смещением заключается в полярности падения напряжения на диоде. Давайте подробнее рассмотрим простую схему батарея-диод-лампа, показанную ранее, на этот раз исследуя падение напряжения на различных компонентах на рисунке ниже.

Измерения напряжения диодной цепи: (a) Прямое смещение. (b) Обратное смещение.

Конфигурация диода прямого смещения

Диод с прямым смещением проводит ток и понижает на нем небольшое напряжение, в результате чего большая часть напряжения батареи падает на лампе.Если полярность батареи меняется, диод становится смещенным в обратном направлении и сбрасывает всех напряжения батареи, не оставляя лампе ничего. Если мы считаем диод самодействующим переключателем (замкнутым в режиме прямого смещения и разомкнутым в режиме обратного смещения), такое поведение имеет смысл. Наиболее существенное различие состоит в том, что диод при проводке падает намного больше напряжения, чем средний механический переключатель (0,7 вольт против десятков милливольт).

Это падение напряжения прямого смещения, проявляемое диодом, связано с действием области обеднения, образованной P-N переходом под влиянием приложенного напряжения.Если на полупроводниковый диод не подается напряжение, вокруг области P-N-перехода существует тонкая обедненная область, предотвращающая протекание тока. (Рисунок ниже (а)) Область обеднения почти лишена доступных носителей заряда и действует как изолятор:

Представления диодов: модель PN-перехода, схематическое обозначение, физическая часть.

Схематическое обозначение диода показано на рисунке выше (b), так что анод (указывающий конец) соответствует полупроводнику P-типа в точке (a).Катодный стержень, не указывающий конец, в точке (b) соответствует материалу N-типа в точке (a). Также обратите внимание, что катодная полоса на физической части (c) соответствует катоду на символе.

Конфигурация обратного смещения диода

Если напряжение обратного смещения приложено к переходу P-N, эта область истощения расширяется, дополнительно сопротивляясь любому току через нее. (Рисунок ниже)

Область истощения расширяется с обратным смещением.

прямое напряжение

И наоборот, если напряжение прямого смещения приложено к переходу P-N, область обеднения сжимается, становясь тоньше.Диод становится менее резистентным к проходящему через него току. Для того, чтобы через диод шел устойчивый ток; тем не менее, область истощения должна быть полностью сжата под действием приложенного напряжения. Для этого требуется определенное минимальное напряжение, называемое прямым напряжением , как показано на рисунке ниже.

Увеличение прямого смещения от (a) до (b) уменьшает толщину обедненной области.

Для кремниевых диодов типичное прямое напряжение составляет 0,7 В, номинальное.Для германиевых диодов прямое напряжение составляет всего 0,3 вольта. Химическая составляющая P-N перехода, составляющего диод, определяет его номинальное значение прямого напряжения, поэтому кремниевые и германиевые диоды имеют такие разные прямые напряжения. Прямое падение напряжения остается примерно постоянным для широкого диапазона токов диодов, а это означает, что падение напряжения на диоде не похоже на падение напряжения на резисторе или даже на обычном (замкнутом) переключателе. Для наиболее упрощенного анализа схемы падение напряжения на проводящем диоде можно считать постоянным при номинальном значении и не связанным с величиной тока.

Диодное уравнение

На самом деле, прямое падение напряжения более сложное. Уравнение описывает точный ток через диод с учетом падения напряжения на переходе, температуры перехода и нескольких физических констант. Это широко известно как уравнение диода :

Термин kT / q описывает напряжение, возникающее в переходе P-N из-за действия температуры, и называется термическим напряжением , или Vt перехода.При комнатной температуре это примерно 26 милливольт. Зная это и принимая коэффициент «неидеальности» равным 1, мы можем упростить уравнение диода и переписать его как таковое:

Вам не нужно знать «уравнение диода» для анализа простых диодных цепей. Просто поймите, что падение напряжения на токопроводящем диоде меняет вместе с величиной тока, проходящего через него, но это изменение довольно мало в широком диапазоне токов. Вот почему во многих учебниках просто говорится, что падение напряжения на проводящем полупроводниковом диоде остается постоянным на уровне 0.7 вольт для кремния и 0,3 вольт для германия.

Однако в некоторых схемах намеренно используется присущее P-N-переходу экспоненциальное соотношение тока / напряжения, и поэтому их можно понять только в контексте этого уравнения. Кроме того, поскольку температура является фактором в уравнении диода, смещенный в прямом направлении P-N переход также может использоваться в качестве устройства измерения температуры и, таким образом, может быть понят, только если у человека есть концептуальное представление об этой математической зависимости.

Работа с обратным смещением

Диод с обратным смещением предотвращает прохождение тока через него из-за расширенной области обеднения.На самом деле очень небольшой ток может проходить и проходит через диод с обратным смещением, называемый током утечки , но его можно игнорировать для большинства целей.

Способность диода выдерживать напряжения обратного смещения ограничена, как и для любого изолятора. Если приложенное напряжение обратного смещения становится слишком большим, диод испытывает состояние, известное как пробой (рисунок ниже), которое обычно является деструктивным.

Максимальное номинальное напряжение обратного смещения диода известно как Peak Inverse Voltage или PIV , и его можно получить у производителя.Как и прямое напряжение, рейтинг PIV диода зависит от температуры, за исключением того, что PIV увеличивается на с повышением температуры, а уменьшается на , когда диод становится холоднее, что в точности противоположно значению прямого напряжения.

Диодная кривая: показывает излом при прямом смещении 0,7 В для Si и обратный пробой.

Обычно рейтинг PIV обычного «выпрямительного» диода составляет не менее 50 В при комнатной температуре. Диоды с рейтингом PIV в несколько тысяч вольт доступны по скромным ценам.

ОБЗОР:

• Диод — это электрический компонент, действующий как односторонний клапан для тока.
• Когда на диод подается напряжение таким образом, что диод пропускает ток, говорят, что диод имеет прямое смещение .
• Когда напряжение подается на диод таким образом, что диод запрещает ток, говорят, что диод имеет обратное смещение .
• Напряжение, падающее на проводящий диод с прямым смещением, называется прямым напряжением .Прямое напряжение диода изменяется незначительно при изменении прямого тока и температуры и фиксируется химическим составом P-N перехода.
• Кремниевые диоды имеют прямое напряжение примерно 0,7 В.

Германиевые диоды

• имеют прямое напряжение приблизительно 0,3 В.
• Максимальное напряжение обратного смещения, которое диод может выдержать без «поломки», называется номинальным значением пикового обратного напряжения или PIV .

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

Прямое напряжение — обзор

Температурная зависимость прямого напряжения

Другим определяющим фактором прямого напряжения является температура. i _s в уравнении диода имеет экспоненциальную температурную зависимость, которая определяет температурный коэффициент напряжения устройства, который для кремния составляет около -2 мВ / ° C для постоянного тока (рис. 4.2).

Рисунок 4.2. Символы диодов.

Эта характеристика имеет множество желательных применений и имеет некоторые нежелательные эффекты. Это означает, например, что зависимость v _f : i _f не является прямой экспоненциальной, потому что ток, протекающий через устройство, нагревает его, что приводит к сложной взаимозависимости между температурой и Текущий.По этой причине кривые v _f / i _f обычно задаются как «мгновенные» и измеряются в импульсных условиях, что может привести к путанице, если эти кривые применяются для установившегося государственная операция.

Температурный коэффициент напряжения не позволяет принять стабильное значение для v _f , даже если диод работает при постоянном токе. Это имеет значение всякий раз, когда диод используется в линейной цепи.

Уравнение для схемы выпрямителя выходного напряжения, показанное на рис. 4.3, дается формулой. (4.2):

Рисунок 4.3. Схема диодного выпрямителя.

(4.2) V0 = R2R1 + R2 × (Vin − VF)

В качестве простого примера вы можете использовать диод, чтобы придать выпрямляющую (униполярную) характеристику делителю потенциала (рис. 4.3).

Соотношение делителя потенциала сразу усложняется добавлением V _F . В коммерческом температурном диапазоне 0–70 ° C он будет изменяться примерно на 150 мВ (более подробные сведения о влиянии допусков на компоненты и вариаций в целом см. В главе 3 этой книги).

Если R ₁ и R ₂ составляют 10K и В _в равно +5 В, В _F принимается равным 0,45–0,6 В, тогда В ₀ будет изменяться от 2,275 до 2,2 В в диапазоне температур — это , а не половина от В _в !

С другой стороны, кремниевый диодный переход действительно представляет собой дешевый и достаточно воспроизводимый, хотя и несколько неточный датчик температуры.Кроме того, можно ожидать, что два соединения в непосредственной близости будут постоянно отслеживать изменения в V _F , что позволяет при необходимости довольно просто выполнять температурную компенсацию. Эта характеристика является общей для всех кремниевых p-n-переходов, так что, например, вы можете использовать пару кремниевых диодов для компенсации условий постоянного тока однотранзисторного каскада усиления, как показано на рис. 4.4.

Рисунок 4.4. Температурная компенсация с помощью подмагничивающих диодов.

Эта схема работает по принципу, что до тех пор, пока резисторы смещения R ₁ и R ₂ равны, прямое напряжение диодов (2 В _F ) компенсирует напряжение база-эмиттер транзистора В _BE , так что ток эмиттера устанавливается только резистором эмиттера R _E .

(4.3) VB≈ [R2R2 + R1] × [VS − 2VF] + 2VF

(4.4) IE = (VB − VBE) × RE

(4.5) IE = [R2R2 + R1] × VS × RE

ifVBE≈VFandR1 = R2

Обратите внимание, что эта схема требует, чтобы два диода и резисторы смещения были равны, поскольку объединенное прямое напряжение делится на соотношение резисторов. Компенсация неточна, потому что переходы диода и транзистора не имеют одинаковых температур и, как правило, несут одинаковый ток. Если R ₁ >> R ₂ , то можно обойтись одним диодом и принять грубую температурную компенсацию, которая может быть адекватной для вашего приложения.

В качестве альтернативы можно использовать сдвоенные транзисторы, чтобы обеспечить одинаковые температуры перехода, с более сложной схемой для достижения очень точной компенсации. Последнее является основой для многих схем температурной компенсации операционных усилителей, поскольку дополнительные транзисторы по существу свободны и, находясь на одном кристалле, максимально приближены к требуемой температуре.

Диоды — learn.sparkfun.com

Добавлено в избранное

Любимый

63

Реальные характеристики диода

В идеале , диоды будут блокировать любой ток, текущий в обратном направлении, или просто действовать как короткое замыкание, если ток идет вперед.К сожалению, реальное поведение диодов не совсем идеальное. Диоды действительно потребляют некоторое количество энергии при проведении прямого тока, и они не будут блокировать весь обратный ток. Реальные диоды немного сложнее, и все они имеют уникальные характеристики, которые определяют, как они на самом деле работают.

Соотношение тока и напряжения

Наиболее важной характеристикой диода является его вольт-амперная зависимость ( i-v ). Это определяет ток, протекающий через компонент, с учетом того, какое напряжение на нем измеряется.Резисторы, например, имеют простую линейную зависимость i-v … Закон Ома. Кривая i-v диода, однако, полностью не -линейна. Выглядит это примерно так:

Отношение тока к напряжению диода. Чтобы преувеличить несколько важных моментов на графике, масштабы как в положительной, так и в отрицательной половине не равны.

В зависимости от приложенного к нему напряжения диод будет работать в одном из трех регионов:

1. Прямое смещение : Когда напряжение на диоде положительное, диод включен, и ток может протекать через него.Напряжение должно быть больше прямого напряжения (V _F ), чтобы ток был значительным.
2. Обратное смещение : Это режим «выключения» диода, при котором напряжение меньше V _F , но больше -V _BR . В этом режиме ток (в основном) заблокирован, а диод выключен. Очень малый ток (порядка нА), называемый током обратного насыщения, может протекать через диод в обратном направлении.
3. Пробой : Когда напряжение, приложенное к диоду, очень большое и отрицательное, большой ток может течь в обратном направлении, от катода к аноду.

прямое напряжение

Чтобы «включиться» и провести ток в прямом направлении, диод требует приложения определенного количества положительного напряжения. Типичное напряжение, необходимое для включения диода, называется прямым напряжением (В _F ).Он также может называться напряжения включения или напряжения включения .

Как мы знаем из кривой i-v , ток через диод и напряжение на диоде взаимозависимы. Больше тока означает большее напряжение, меньшее напряжение означает меньший ток. Однако, как только напряжение приближается к номинальному прямому напряжению, большое увеличение тока по-прежнему должно означать лишь очень небольшое увеличение напряжения. Если диод полностью проводящий, обычно можно предположить, что напряжение на нем соответствует номинальному прямому напряжению.

Мультиметр с настройкой диода можно использовать для измерения (минимума) прямого падения напряжения на диоде.

Конкретный диод V _F зависит от того, из какого полупроводникового материала он сделан. Обычно кремниевый диод имеет напряжение V _F около 0,6–1 В . Диод на основе германия может быть ниже, около 0,3 В. Диод типа также имеет некоторое значение для определения прямого падения напряжения; светоизлучающие диоды могут иметь намного большее V _F , в то время как диоды Шоттки разработаны специально для того, чтобы иметь гораздо более низкое, чем обычно, прямое напряжение.

Напряжение пробоя

Если к диоду приложить достаточно большое отрицательное напряжение, он поддастся и позволит току течь в обратном направлении. Это большое отрицательное напряжение называется напряжением пробоя . Некоторые диоды действительно предназначены для работы в области пробоя, но для большинства нормальных диодов не очень полезно подвергаться воздействию больших отрицательных напряжений.

Для обычных диодов это напряжение пробоя составляет от -50 В до -100 В или даже более отрицательное.

Таблицы данных диодов

Все вышеперечисленные характеристики должны быть подробно описаны в паспорте каждого диода. Например, в этом техническом описании диода 1N4148 указано максимальное прямое напряжение (1 В) и напряжение пробоя (100 В) (среди множества другой информации):

Таблица данных может даже представить вам хорошо знакомый график вольт-амперной характеристики, чтобы более подробно описать поведение диода. Этот график из таблицы данных диода увеличивает изогнутую переднюю часть кривой i-v .Обратите внимание, как больший ток требует большего напряжения:

Эта диаграмма указывает на еще одну важную характеристику диода — максимальный прямой ток. Как и любой другой компонент, диоды могут рассеивать только определенное количество энергии, прежде чем они взорвутся. На всех диодах должны быть указаны максимальный ток, обратное напряжение и рассеиваемая мощность. Если диод подвергается большему напряжению или току, чем он может выдержать, ожидайте, что он нагреется (или, что еще хуже, расплавится, задымится и т. Д.).

Некоторые диоды хорошо подходят для больших токов — 1 А или более — другие, такие как малосигнальный диод 1N4148, показанный выше, могут подходить только для тока около 200 мА.

Этот 1N4148 — лишь крошечная выборка всех существующих типов диодов. Далее мы рассмотрим, какое удивительное разнообразие существует и для какой цели служит каждый тип.

← Предыдущая страница
Идеальные диоды

Транзисторы

— Прямое напряжение диода

Обобщение

Это конкретное наблюдение можно обобщить в важной электрической концепции, которая часто встречается в электронных схемах — , если вы подключаете двухконтактный элемент (резистор, диод и т. Д.).) последовательно с источником напряжения, ток не протекает (разомкнутая цепь) и, как следствие, нет падения напряжения на элементе . Если источник напряжения заземлен, напряжения (относительно земли) после и перед элементом равны.

Пример 1: Коллекторный резистор

Давайте проиллюстрируем это явление на типичном примере — (коллекторного) резистора Rc, подключенного последовательно к источнику питания Vcc в каскаде усилителя с общим эмиттером. Когда транзистор отключен , ток коллектора Ic не течет через Rc… поэтому на нем нет падения напряжения (VRc = Ic.Rc = 0) … и напряжение коллектора равно напряжению источника питания (Vc = Vcc).

Пример 2: Источник реального напряжения

Из своей педагогической практики я обнаружил, что для многих моих учеников это не очевидная истина. Например, некоторые из них думают, что напряжение после резистора должно быть нулевым; другие думают, что это напряжение зависит от сопротивления и т. д. Вот почему я заставляю их экспериментально установить истину во время вводного лабораторного упражнения следующим образом:

Вначале я предлагаю им изучить поведение «идеального» источника напряжения (12 В / 1 А, импульсное питание от настенных бородавок) — сначала без нагрузки (разомкнутая цепь), а затем с нагрузкой (1 к + 1 k, 1 k или 1 k || 1 k).Они видят, что разницы между этими случаями нет.

Затем я предлагаю им «ухудшить» идеальный источник напряжения, включив последовательно резистор 1 кОм, и изучить поведение этого источника реального напряжения , имеющего внутреннее сопротивление 1 кОм, — во-первых, без нагрузки (случай OP). Их удивляет, что напряжения после и до «внутреннего» сопротивления равны, даже когда они меняют сопротивление (1 кОм + 1 кОм, 1 кОм или 1 кОм || 1 кОм). Вот черновик отчета студенческой лаборатории.

Я также предлагаю им заменить резистор диодами с прямым и обратным смещением … и они еще больше удивлены (например, OP здесь), что «диод не является диодом» при прямом смещении.

Наконец, я предлагаю студентам загрузить этот реальный источник напряжения различными резисторами (1 кОм + 1 кОм или 1 кОм || 1 кОм) и измерить напряжения. Теперь они видят существенную разницу между случаями. Таким образом, они понимают значение второго резистора в конфигурации делителя напряжения.

«Золотое правило»

Из всех этих наблюдений можно сделать вывод, что резистор (линейный, нелинейный и т. Д.) Противостоит току … но когда нет тока, резистору нечему сопротивляться … и это не резистор .. … это проводник, свободно пропускающий напряжение. Таким образом, мы можем сформулировать еще одно «золотое правило»:

Резистор, подключенный через один из своих выводов (последовательно) к источнику напряжения в разомкнутой цепи, передает напряжение на другой его вывод .

Это свойство не должно зависеть от значения сопротивления. Интересно, однако, что было бы, если бы оно было бесконечным?

Характеристики сигнального диода и переключающего диода

Полупроводниковый сигнальный диод — это небольшие нелинейные полупроводниковые устройства, обычно используемые в электронных схемах, где задействованы малые токи или высокие частоты, например, в радио, телевидении и цифровых логических схемах.

Сигнальные диоды

в форме точечного контактного диода или стеклянного пассивированного диода физически очень малы по размеру по сравнению с их более крупными собратьями силовых диодов.

Обычно PN-переход малосигнального диода заключен в стекло для защиты PN-перехода и обычно имеет красную или черную полосу на одном конце своего корпуса, чтобы помочь определить, какой конец является катодным выводом. Из всех сигнальных диодов в стеклянной капсуле наиболее широко используются очень распространенный 1N4148 и его эквивалент 1N914 сигнальный диод.

Малосигнальные и переключающие диоды имеют гораздо более низкие номинальные мощность и ток, около 150 мА, максимум 500 мВт по сравнению с выпрямительными диодами, но они могут лучше работать в высокочастотных приложениях или в приложениях с ограничением и переключением, которые имеют дело с импульсами короткой длительности.

Характеристики сигнального точечного диода различны как для германия, так и для кремния и представлены как:

• 1. Германиевые сигнальные диоды — имеют низкое значение обратного сопротивления, обеспечивающее меньшее падение прямого напряжения на переходе, обычно всего около 0,2–0,3 В, но имеют более высокое значение прямого сопротивления из-за их малой площади перехода.
• 2. Кремниевые сигнальные диоды — они имеют очень высокое значение обратного сопротивления и дают падение прямого напряжения около 0.От 6 до 0,7 В. Они имеют довольно низкие значения прямого сопротивления, что дает им высокие пиковые значения прямого тока и обратного напряжения.

Электронный символ для любого типа диода представляет собой стрелку с полосой или линией на конце, и это показано ниже вместе с характеристической кривой V-I в устойчивом состоянии.

Кривая V-I кремниевого диода

Стрелка всегда указывает в направлении обычного тока, протекающего через диод, что означает, что диод будет проводить, только если положительный источник питания подключен к клемме анода, (a), а отрицательный источник питания подключен к клемме катода (k), таким образом только позволяя току течь через него только в одном направлении, действуя больше как односторонний электрический клапан (состояние смещения вперед).

Однако из предыдущего руководства мы знаем, что если мы подключим внешний источник энергии в другом направлении, диод заблокирует любой ток, протекающий через него, и вместо этого будет действовать как разомкнутый переключатель (состояние обратного смещения), как показано ниже.

Диод с прямым и обратным смещением

Тогда мы можем сказать, что идеальный малосигнальный диод проводит ток в одном направлении (прямая проводимость) и блокирует ток в другом направлении (обратная блокировка).Сигнальные диоды используются в самых разных приложениях, таких как переключатель в выпрямителях, ограничителях тока, демпферах напряжения или в схемах формирования сигналов.

Параметры сигнального диода

Сигнальные диоды производятся с различными номинальными значениями напряжения и тока, поэтому следует соблюдать осторожность при выборе диода для определенного применения. Есть ошеломляющий набор статических характеристик, связанных со скромным сигнальным диодом, но наиболее важные из них являются более важными.

1.Максимальный прямой ток

Максимальный прямой ток (I _{F (макс.)} ), как следует из названия, соответствует максимальному прямому току , разрешенному для протекания через устройство. Когда диод является проводящим в состоянии прямого смещения, он имеет очень маленькое «включено» сопротивление на PN-переходе, и, следовательно, мощность рассеивается на этом переходе (закон Ома) в виде тепла.

Тогда превышение его значения (I _{F (макс.)} ) вызовет выделение большего количества тепла на переходе, и диод выйдет из строя из-за тепловой перегрузки, обычно с разрушительными последствиями.При работе диодов с номинальным током, близким к максимальному, всегда лучше обеспечить дополнительное охлаждение для отвода тепла, выделяемого диодом.

Например, наш небольшой сигнальный диод 1N4148 имеет максимальный номинальный ток около 150 мА с рассеиваемой мощностью 500 мВт при 25 ^o C. Затем необходимо последовательно с диодом использовать резистор для ограничения прямого тока (I _{F (max)} ) ниже этого значения.

2. Пиковое обратное напряжение

Пиковое обратное напряжение (PIV) или максимальное обратное напряжение (В _{R (макс.)} ) — это максимально допустимое рабочее напряжение обратное , которое может быть приложено к диоду без обратного пробоя и повреждения диода. устройство.Следовательно, этот рейтинг обычно меньше уровня «лавинного выхода» на характеристической кривой обратного смещения. Типичные значения V _{R (max)} варьируются от нескольких вольт до тысяч вольт и должны учитываться при замене диода.

Пиковое обратное напряжение является важным параметром и в основном используется для выпрямления диодов в схемах выпрямителя переменного тока в зависимости от амплитуды напряжения, при котором синусоидальная форма волны изменяется с положительного на отрицательное значение в каждом цикле.

3. Общая рассеиваемая мощность

Сигнальные диоды имеют рейтинг суммарной рассеиваемой мощности , , (P _{D (макс.)} ). Этот рейтинг представляет собой максимально возможную рассеиваемую мощность диода при прямом смещении (проводимости). Когда ток течет через сигнальный диод, смещение PN перехода не является идеальным и оказывает некоторое сопротивление протеканию тока, что приводит к рассеиванию (потере) мощности в диоде в виде тепла.

Поскольку малосигнальные диоды являются нелинейными устройствами, сопротивление PN перехода не является постоянным, это динамическое свойство, поэтому мы не можем использовать закон Ома для определения мощности с точки зрения тока и сопротивления или напряжения и сопротивления, как мы можем для резисторов. .Затем, чтобы найти мощность, которая будет рассеиваться диодом, мы должны умножить падение напряжения на нем на ток, протекающий через него: P _D = V * I

4. Максимальная рабочая температура

Максимальная рабочая температура фактически относится к температуре перехода (T _J ) диода и относится к максимальной рассеиваемой мощности. Это максимально допустимая температура до того, как структура диода ухудшится, и выражается в градусах Цельсия на ватт ( ^o C / Вт).

Это значение тесно связано с максимальным прямым током устройства, поэтому при этом значении температура перехода не превышается. Однако максимальный прямой ток также будет зависеть от температуры окружающей среды, в которой работает устройство, поэтому максимальный прямой ток обычно указывается для двух или более значений температуры окружающей среды, таких как 25 ^o C или 70 ^o C.

Затем есть три основных параметра, которые необходимо учитывать при выборе или замене сигнального диода, а именно:

• Номинальное обратное напряжение
• Рейтинг будущего тока
• Номинальное рассеивание мощности в прямом направлении

Матрицы сигнальных диодов

Когда пространство ограничено или требуются согласованные пары коммутирующих сигнальных диодов, диодные матрицы могут быть очень полезны.Обычно они состоят из быстродействующих кремниевых диодов с малой емкостью, таких как 1N4148, соединенных вместе в несколько корпусов диодов, называемых массивом, для использования в коммутации и фиксации в цифровых схемах. Они заключены в одинарные встроенные корпуса (SIP), содержащие 4 или более диодов, соединенных внутри, чтобы дать либо отдельную изолированную матрицу, общий катод (CC), либо общий анод (CA), как показано на рисунке.

Матрицы сигнальных диодов

Матрицы сигнальных диодов также могут использоваться в цифровых и компьютерных схемах для защиты высокоскоростных линий передачи данных или других параллельных портов ввода / вывода от электростатического разряда (ESD) и переходных процессов напряжения.

Посредством соединения двух диодов последовательно через шины питания с линией передачи данных, подключенной к их переходу, как показано, любые нежелательные переходные процессы быстро рассеиваются, а поскольку сигнальные диоды доступны в 8-кратных массивах, они могут защитить восемь линий данных в одном корпусе .

Защита линии передачи данных ЦП

Матрицы сигнальных диодов также могут использоваться для соединения диодов в последовательной или параллельной комбинации для формирования схем регулятора напряжения или понижающего напряжения или даже для получения известного фиксированного опорного напряжения.

Мы знаем, что прямое падение напряжения на кремниевом диоде составляет около 0,7 В, и при последовательном соединении нескольких диодов общее падение напряжения будет суммой индивидуальных падений напряжения каждого диода.

Однако, когда сигнальные диоды соединены последовательно, ток будет одинаковым для каждого диода, поэтому нельзя превышать максимальный прямой ток.

Подключение сигнальных диодов серии

Еще одно применение малосигнального диода — создание стабилизированного источника напряжения.Диоды соединены последовательно, чтобы обеспечить постоянное напряжение постоянного тока на комбинации диодов. Выходное напряжение на диодах остается постоянным, несмотря на изменения тока нагрузки, потребляемого последовательной комбинацией, или изменения напряжения источника постоянного тока, который питает их. Рассмотрим схему ниже.

Сигнальные диоды серии

Поскольку прямое падение напряжения на кремниевом диоде почти постоянно и составляет около 0,7 В, в то время как ток через него изменяется на относительно большие величины, сигнальный диод с прямым смещением может составить простую схему регулирования напряжения.Отдельные падения напряжения на каждом диоде вычитаются из напряжения питания, чтобы оставить определенный потенциал напряжения на нагрузочном резисторе, и в нашем простом примере выше это дается как 10 В — (3 * 0,7 В) = 7,9 В.

Это связано с тем, что каждый диод имеет сопротивление перехода, относящееся к слабому сигнальному току, протекающему через него, и три сигнальных диода, включенных последовательно, будут иметь трехкратное значение этого сопротивления, вместе с сопротивлением нагрузки R, образует делитель напряжения на питании. .

Последовательное добавление большего количества диодов приведет к большему снижению напряжения. Также последовательно соединенные диоды могут быть размещены параллельно нагрузочному резистору, чтобы действовать как цепь регулирования напряжения. Здесь напряжение, приложенное к нагрузочному резистору, будет 3 * 0,7 В = 2,1 В. Конечно, мы можем создать такой же источник постоянного напряжения, используя один стабилитрон. Резистор R _D используется для предотвращения протекания чрезмерного тока через диоды при снятии нагрузки.

Диоды свободного хода

Сигнальные диоды также могут использоваться в различных схемах ограничения, защиты и формирования сигналов, причем наиболее распространенной формой схемы ограничивающего диода является схема, в которой используется диод, подключенный параллельно катушке или индуктивной нагрузке, чтобы предотвратить повреждение чувствительной схемы переключения. путем подавления скачков напряжения и / или переходных процессов, которые возникают, когда нагрузка внезапно выключается.Этот тип диода обычно известен как «диод свободного хода», «диод маховика» или просто диод свободного хода , как его чаще называют.

Диод Freewheel используется для защиты твердотельных переключателей, таких как силовые транзисторы и полевые МОП-транзисторы, от повреждения обратной защитой батареи, а также защиты от высокоиндуктивных нагрузок, таких как катушки реле или двигатели, и пример его подключения показан ниже.

Использование диода свободного хода

Современные силовые полупроводниковые устройства с быстрым переключением требуют быстродействующих диодов, таких как диоды свободного хода, для защиты их от индуктивных нагрузок, таких как катушки двигателя или обмотки реле.Каждый раз, когда указанное выше переключающее устройство включается, диод обгонной муфты переходит из проводящего состояния в состояние блокировки, поскольку он становится реверсивно смещенным.

Однако, когда устройство быстро выключается, диод становится смещенным в прямом направлении, и коллапс энергии, накопленной в катушке, вызывает прохождение тока через диод свободного хода. Без защиты диода обгонной муфты высокие токи di / dt могли бы возникать, вызывая выбросы высокого напряжения или переходные процессы, протекающие по цепи, что может привести к повреждению переключающего устройства.

Ранее рабочая скорость полупроводникового переключающего устройства, будь то транзистор, MOSFET, IGBT или цифровой, снижалась из-за добавления диода свободного хода через индуктивную нагрузку с диодами Шоттки и Зенера, которые использовались вместо этого в некоторых приложениях. Однако за последние несколько лет диоды с обгонной муфтой вновь обрели важность в основном благодаря их улучшенным характеристикам обратного восстановления и использованию сверхбыстрых полупроводниковых материалов, способных работать на высоких частотах переключения.

Другие типы специализированных диодов, не включенные сюда, включают фотодиоды, PIN-диоды, туннельные диоды и диоды с барьером Шоттки. Добавляя больше PN-переходов к основной двухслойной диодной структуре, можно создавать другие типы полупроводниковых устройств.

Например, трехслойное полупроводниковое устройство становится транзистором, четырехслойное полупроводниковое устройство становится тиристорным или кремниевым выпрямителем, а также доступны пятислойные устройства, известные как симисторы.

В следующем уроке о диодах мы рассмотрим большой сигнальный диод, который иногда называют силовым диодом.Силовые диоды — это кремниевые диоды, предназначенные для использования в схемах выпрямления высоковольтных и сильноточных сетей.

PN Характеристики переходного диода и диода

Эффект, описанный в предыдущем руководстве, достигается без приложения какого-либо внешнего напряжения к фактическому PN-переходу, в результате чего переход находится в состоянии равновесия.

Однако, если бы мы сделали электрические соединения на концах материалов как N-типа, так и P-типа, а затем подключили их к источнику батареи, теперь существует дополнительный источник энергии для преодоления потенциального барьера.

Эффект от добавления этого дополнительного источника энергии приводит к тому, что свободные электроны могут пересекать обедненную область с одной стороны на другую. Поведение PN-перехода в отношении ширины потенциального барьера создает асимметричное проводящее устройство с двумя выводами, более известное как PN-диод .

A PN Junction Diode — одно из самых простых полупроводниковых устройств, которое имеет характеристику пропускания тока только в одном направлении. Однако, в отличие от резистора, диод не ведет себя линейно по отношению к приложенному напряжению, поскольку диод имеет экспоненциальную зависимость тока от напряжения (I-V), и поэтому мы не можем описать его работу, просто используя уравнение, такое как закон Ома.

Если подходящее положительное напряжение (прямое смещение) приложено между двумя концами PN-перехода, оно может снабжать свободные электроны и дырки дополнительной энергией, необходимой им для пересечения перехода, поскольку ширина обедненного слоя вокруг PN-перехода равна уменьшилось.

При приложении отрицательного напряжения (обратное смещение) свободные заряды отводятся от перехода, что приводит к увеличению ширины обедненного слоя. Это имеет эффект увеличения или уменьшения эффективного сопротивления самого перехода, позволяя или блокируя прохождение тока через pn-переход диодов.

Затем слой обеднения расширяется с увеличением приложения обратного напряжения и сужается с увеличением приложения прямого напряжения.Это происходит из-за различий в электрических свойствах на двух сторонах PN-перехода, что приводит к физическим изменениям. Один из результатов дает выпрямление, как видно на статических ВАХ (вольт-амперных характеристиках) диодов с PN переходом. Выпрямление проявляется в асимметричном течении тока при изменении полярности напряжения смещения, как показано ниже.

Обозначение соединительного диода и статические вольт-амперные характеристики

Но прежде чем мы сможем использовать PN-переход как практическое устройство или как выпрямительное устройство, нам нужно сначала смещать переход, то есть подключить к нему потенциал напряжения.На оси напряжения выше «обратное смещение» относится к внешнему потенциалу напряжения, который увеличивает потенциальный барьер. Говорят, что внешнее напряжение, уменьшающее потенциальный барьер, действует в направлении «прямого смещения».

Есть две рабочие области и три возможных состояния «смещения» для стандартного переходного диода , а именно:

• 1. Нулевое смещение — на диод PN-перехода не подается внешнее напряжение.
• 2. Обратное смещение — потенциал напряжения подключен отрицательно (-ve) к материалу P-типа и положительно (+ ve) к материалу N-типа на диоде, что имеет эффект Увеличение PN перехода ширина диода.
• 3. Прямое смещение — потенциал напряжения связан положительным (+ ve) с материалом P-типа и отрицательным (-ve) с материалом N-типа на диоде, что имеет эффект Уменьшение PN перехода ширина диодов.

Переходный диод с нулевым смещением

Когда диод подключен в состоянии Zero Bias , внешняя потенциальная энергия не применяется к PN-переходу. Однако, если выводы диодов закорочены вместе, несколько отверстий (основных носителей) в материале P-типа с достаточной энергией для преодоления потенциального барьера будут перемещаться через переход против этого барьерного потенциала.Это известно как «прямой ток » и обозначается как I _F

.

Точно так же дыры, образовавшиеся в материале N-типа (неосновные носители), находят эту ситуацию благоприятной и перемещаются через соединение в противоположном направлении. Это известно как «обратный ток » и обозначается как I _R . Этот перенос электронов и дырок назад и вперед через PN-переход известен как диффузия, как показано ниже.

Переходный диод PN с нулевым смещением

Потенциальный барьер, который сейчас существует, препятствует диффузии каких-либо дополнительных основных носителей заряда через соединение.Однако потенциальный барьер помогает неосновным носителям (небольшому количеству свободных электронов в P-области и небольшому количеству дырок в N-области) дрейфовать через переход.

Тогда «Равновесие» или баланс будет установлен, когда основные несущие равны и оба движутся в противоположных направлениях, так что конечным результатом будет нулевой ток, протекающий в цепи. Когда это происходит, соединение считается находящимся в состоянии « Динамическое равновесие ».

Неосновные носители постоянно генерируются из-за тепловой энергии, поэтому это состояние равновесия может быть нарушено путем повышения температуры PN-перехода, вызывая увеличение генерации неосновных носителей, что приводит к увеличению тока утечки, но электрический ток не может потока, поскольку к PN-переходу не было подключено ни одного контура.

Диод с обратным смещением PN-переходов

Когда диод подключен в состоянии обратного смещения , положительное напряжение прикладывается к материалу N-типа, а отрицательное напряжение прикладывается к материалу P-типа.

Положительное напряжение, приложенное к материалу N-типа, притягивает электроны к положительному электроду и от перехода, в то время как отверстия на конце P-типа также притягиваются от перехода к отрицательному электроду.

Конечный результат состоит в том, что обедненный слой становится шире из-за отсутствия электронов и дырок и представляет собой путь с высоким импедансом, почти изолятором, и на переходе создается высокий потенциальный барьер, предотвращающий протекание тока через полупроводниковый материал.

Увеличение слоя истощения из-за обратного смещения

Это состояние представляет собой высокое значение сопротивления PN перехода, и практически нулевой ток течет через диод перехода с увеличением напряжения смещения. Однако через переход проходит очень небольшой ток обратной утечки , который обычно можно измерить в микроамперах (мкА).

И последнее: если напряжение обратного смещения Vr, приложенное к диоду, увеличивается до достаточно высокого значения, это приведет к перегреву и выходу из строя PN перехода диода из-за лавинного эффекта вокруг перехода.Это может вызвать короткое замыкание диода, что приведет к протеканию максимального тока в цепи, что показано как ступенчатый наклон вниз на кривой обратной статической характеристики ниже.

Кривая обратной характеристики переходного диода

Иногда этот эффект лавины находит практическое применение в схемах стабилизации напряжения, где с диодом используется последовательный ограничивающий резистор для ограничения этого обратного тока пробоя до заданного максимального значения, тем самым создавая фиксированное выходное напряжение на диоде.Эти типы диодов обычно известны как стабилитроны и обсуждаются в следующем руководстве.

Диод с прямым смещением PN

Когда диод подключен в состоянии прямого смещения , отрицательное напряжение прикладывается к материалу N-типа, а положительное напряжение прикладывается к материалу P-типа. Если это внешнее напряжение становится больше значения потенциального барьера, прибл. 0,7 вольта для кремния и 0,3 вольт для германия, потенциальные барьеры будут преодолены, и ток начнет течь.

Это связано с тем, что отрицательное напряжение толкает или отталкивает электроны к переходу, давая им энергию для пересечения и объединения с дырками, выталкиваемыми в противоположном направлении к переходу положительным напряжением. Это приводит к характеристической кривой нулевого тока, протекающей до этой точки напряжения, называемой «изломом» на статических кривых, а затем сильного тока, протекающего через диод с небольшим увеличением внешнего напряжения, как показано ниже.

Кривая прямой характеристики для переходного диода

Приложение напряжения прямого смещения к переходному диоду приводит к тому, что обедненный слой становится очень тонким и узким, что представляет собой путь с низким импедансом через переход, тем самым позволяя протекать большим токам.Точка, в которой происходит это внезапное увеличение тока, представлена ​​на кривой статических ВАХ выше как точка «изгиба».

Снижение уровня истощения из-за прямого смещения

Это состояние представляет собой путь с низким сопротивлением через PN-переход, позволяющий очень большим токам протекать через диод при лишь небольшом увеличении напряжения смещения. Фактическая разность потенциалов на переходе или диоде поддерживается постоянной под действием обедненного слоя на уровне примерно 0.3 В для германия и примерно 0,7 В для кремниевых диодов.

Поскольку диод может проводить «бесконечный» ток выше этой точки перегиба, поскольку он фактически приводит к короткому замыканию, резисторы используются последовательно с диодом, чтобы ограничить его ток. Превышение максимального значения прямого тока, указанного в спецификации, приводит к тому, что устройство рассеивает больше энергии в виде тепла, чем было разработано, что приводит к очень быстрому выходу устройства из строя.

Краткое описание переходных диодов

Область PN перехода диода Junction имеет следующие важные характеристики:

• Полупроводники содержат два типа мобильных носителей заряда: «дырки» и «электроны».
• Дырки заряжены положительно, а электроны — отрицательно.
• Полупроводник может быть легирован донорными примесями, такими как сурьма (легирование N-типа), так что он содержит подвижные заряды, которые в основном являются электронами.
• Полупроводник может быть легирован акцепторными примесями, такими как бор (легирование P-типа), так что он содержит подвижные заряды, которые в основном являются дырками.
• Сама область перехода не имеет носителей заряда и известна как обедненная область.
• Область перехода (истощение) имеет физическую толщину, которая зависит от приложенного напряжения.
• Когда диод смещен в ноль , внешний источник энергии не применяется, а естественный потенциальный барьер создается через слой обеднения, который составляет примерно от 0,5 до 0,7 В для кремниевых диодов и примерно 0,3 вольт для германиевых диодов.
• Когда переходной диод смещен в прямом направлении , толщина обедненной области уменьшается, и диод действует как короткое замыкание, позволяя протекать току полной цепи.
• Когда переходной диод смещен в обратном направлении, толщина обедненной области увеличивается, и диод действует как разомкнутая цепь, блокирующая любой ток (будет течь только очень небольшой ток утечки).

Мы также видели выше, что диод представляет собой двухконтактное нелинейное устройство, ВАХ которого зависят от полярности, поскольку в зависимости от полярности приложенного напряжения, V _D диод либо , смещен в прямом направлении , V _D > 0 или с обратным смещением , V _D <0.В любом случае мы можем смоделировать эти вольт-амперные характеристики как для идеального диода, так и для реального кремниевого диода, как показано на рисунке:

Идеальные и реальные характеристики соединительного диода

В следующем уроке о диодах мы рассмотрим малосигнальный диод, который иногда называют переключающим диодом, который используется в обычных электронных схемах. Как следует из названия, сигнальный диод предназначен для приложений с низковольтными или высокочастотными сигналами, такими как радио или цифровые коммутационные схемы.

Сигнальные диоды, такие как 1N4148, пропускают только очень малые электрические токи, в отличие от сильноточных сетевых выпрямительных диодов, в которых обычно используются кремниевые диоды. Также в следующем уроке мы рассмотрим кривую и параметры статических вольт-амперных характеристик сигнального диода.

Как работают диоды Шоттки | ОРЕЛ

Как и другие диоды, диод Шоттки управляет направлением тока в цепи.Эти устройства действуют как улица с односторонним движением в мире электроники, позволяя току проходить только от анода к катоду. Однако, в отличие от стандартных диодов, диод Шоттки известен своим низким прямым напряжением и возможностью быстрого переключения. Это делает их идеальным выбором для радиочастотных приложений и любых устройств с низким напряжением. Диод Шоттки имеет множество применений, в том числе:

• Выпрямление мощности. Диоды Шоттки могут использоваться в приложениях с большой мощностью благодаря низкому прямому падению напряжения.Эти диоды потребляют меньше энергии и могут уменьшить размер радиатора.

• Несколько источников питания. Диоды Шоттки также могут помочь разделить питание в системе с двумя источниками питания, например, с сетью и батареей.

• Солнечные элементы. Диоды Шоттки могут помочь максимизировать эффективность солнечных элементов благодаря низкому прямому падению напряжения. Они также помогают защитить ячейку от обратных зарядов.

• Зажим. Диоды Шоттки также могут использоваться в качестве фиксаторов в транзисторных схемах, например, в логических схемах 74LS или 74S.

( Источник изображения )

Преимущества и недостатки диода Шоттки

Одним из основных преимуществ использования диода Шоттки перед обычным диодом является их низкое прямое падение напряжения. Это позволяет диоду Шоттки потреблять меньше напряжения, чем стандартному диоду, используя только 0,3-0,4 В на его переходах. На графике ниже вы можете видеть, что прямое падение напряжения примерно на 0,3 В начинает значительно увеличивать ток в диоде Шоттки.Это увеличение тока не вступит в силу до 0,6 В для стандартного диода.

( Источник изображения )

На изображениях ниже представлены две схемы, иллюстрирующие преимущества более низкого прямого падения напряжения. Схема слева содержит обычный диод, справа — диод Шоттки. Оба питаются от источника постоянного тока 2 В.

( Источник изображения )

Обычный диод потребляет 0.7 В, оставив только 1,3 В. для питания нагрузки. Благодаря более низкому прямому падению напряжения диод Шоттки потребляет всего 0,3 В, оставляя 1,7 В для питания нагрузки. Если бы наша нагрузка требовала 1,5 В, тогда только диод Шоттки подойдет.

Другие преимущества использования диода Шоттки по сравнению с обычным диодом:

• Более быстрое время восстановления . Небольшой заряд, накопленный в диоде Шоттки, делает его идеальным для приложений с высокоскоростным переключением.
• Меньше шума .Диод Шоттки будет производить меньше нежелательных шумов, чем обычный диод с p-n переходом.
• Лучшая производительность . Диод Шоттки потребляет меньше энергии и может легко удовлетворить требования низковольтных приложений.

Диоды Шоттки имеют некоторые недостатки. Диод Шоттки с обратным смещением будет испытывать более высокий уровень обратного тока, чем традиционный диод. При обратном подключении это приведет к большей утечке тока.

Диоды Шоттки

также имеют более низкое максимальное обратное напряжение, чем стандартные диоды, обычно 50 В или меньше. Как только это значение будет превышено, диод Шоттки выйдет из строя и начнет проводить большой ток в обратном направлении. Однако даже до достижения этого обратного значения диод Шоттки будет пропускать небольшой ток, как любой другой диод.

Как работает диод Шоттки

Типичный диод объединяет полупроводники p-типа и n-типа для образования p-n перехода.В диоде Шоттки металл заменяет полупроводник p-типа. Этот металл может варьироваться от платины до вольфрама, молибдена, золота и т. Д.

Когда металл соединяется с полупроводником n-типа, образуется переход m-s. Это соединение называется барьером Шоттки. Поведение барьера Шоттки будет отличаться в зависимости от того, находится ли диод в несмещенном, прямом или обратном смещении.

( Источник изображения )

Беспристрастное состояние

В несмещенном состоянии свободные электроны будут перемещаться от полупроводника n-типа к металлу, чтобы установить баланс.Этот поток электронов создал барьер Шоттки, где встречаются отрицательные и положительные ионы. Свободным электронам потребуется большая подводимая энергия, чем их встроенное напряжение, чтобы преодолеть этот барьер.

( Источник изображения )

Состояние с опережением

Подключение положительной клеммы батареи к металлической и отрицательной клеммы к полупроводнику n-типа создаст состояние с прямым смещением. В этом состоянии электроны могут пересекать переход от n-типа к металлу, если приложенное напряжение больше 0.2 вольта. Это приводит к протеканию тока, типичному для большинства диодов.

( Источник изображения )

Состояние с обратным смещением

Подключение отрицательной клеммы батареи к металлу и положительной клеммы к полупроводнику n-типа создаст состояние с обратным смещением. Это состояние расширяет барьер Шоттки и предотвращает прохождение электрического тока. Однако, если обратное напряжение смещения продолжает увеличиваться, это может в конечном итоге разрушить барьер.Это позволит току течь в обратном направлении и может повредить компонент.

( Источник изображения )

Производство и параметры диодов Шоттки

Существует множество методов изготовления диода Шоттки. Самый простой способ — подключить металлический провод к поверхности полупроводника, это называется точечным контактом. Некоторые диоды Шоттки до сих пор производятся с использованием этого метода, но он не известен своей надежностью.

( Источник изображения )

Самый популярный метод — это использование вакуума для осаждения металла на поверхность полупроводника. Этот метод представляет проблему разрушения металлических краев из-за воздействия электрических полей вокруг полупроводниковой пластины. Чтобы исправить это, производители будут защищать полупроводниковую пластину оксидным защитным кольцом. Добавление этого защитного кольца помогает улучшить порог обратного пробоя и предотвращает физическое разрушение соединения.

( Источник изображения )

Параметры диода Шоттки

Ниже вы найдете список параметров, которые следует учитывать при выборе диода Шоттки для вашего следующего электронного проекта:

Примеры диодов Шоттки

Это помогает увидеть, как эти параметры обычно указаны на веб-сайте производителя или в техническом описании. Вот два примера:

Диод Шоттки 1N5711 — это сверхбыстрый переключающийся диод с высоким уровнем обратного пробоя, низким прямым падением напряжения и защитным кольцом для защиты перехода.

Диод Шоттки 1N5828 представляет собой стержневой диод, используемый для выпрямления мощности.

Управление потоком

Планируете работать с ВЧ или силовым приложением, требующим работы от низкого напряжения? Диоды Шоттки — это то, что вам нужно! Эти диоды известны своим низким прямым падением напряжения и быстрой скоростью переключения.