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

Содержание

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.

Вольт-амперная характеристика полупроводниковых диодов, типовые ВАХи

Диод – нелинейный пассивный элемент, простейший прибор на основе полупроводника с одним p-n переходом и двумя выводами. Является одним из основных компонентов электронных устройств. Не углубляясь в физику процессов, происходящих в полупроводниковых структурах, следует отметить основное его назначение – пропускать ток в одном направлении. Выводы диода называются анодом и катодом, на обозначении стрелка – это анод, она же указывает на направление тока.

Полупроводниковый диод

Свойства и вольт-амперная характеристика

Если к аноду приложить положительное напряжение, то диод становится открытым, при этом его можно рассматривать как проводник, работающий в «одну сторону», при смене полярности (отрицательном напряжении на аноде) диод закрыт. Надо отметить, что прохождение тока в прямом направлении вызывает некоторое уменьшение напряжения на катоде, вызванное особенностями проводимости полупроводников. Падение напряжения для разных типов приборов составляет 0,3-0,8 вольт, в большинстве случаев им можно пренебречь.

Поведение диода при разных значениях протекающего тока, величины и полярности приложенного напряжения, в виде графика представляется как вольт амперная характеристика полупроводникового диода.

Типовая ВАХ

Часть графика, находящаяся в правой верхней части, соответствует прямому направлению тока. Чем ближе эта ветвь к вертикальной оси, тем меньше падение напряжения на диоде, её наклон указывает на эту величину при разных токах. Для идеального диода она не имеет наклона и почти совпадает с осью ординат, но реальный полупроводник не может обладать такими характеристиками.

В левом нижнем квадранте отображается зависимость тока от напряжения обратной полярности – в закрытом состоянии. Обратный ток для приборов общего назначения исчезающе мал, его не принимают во внимание до момента пробоя – возрастания обратного напряжения до недопустимой для конкретного типа величины. Большинство диодов при таком напряжении не могут работать, температура значительно возрастает, и прибор окончательно выходит из строя. Напряжение, при котором существует вероятность пробоя, называют обратным пиковым, обычно оно в несколько раз превышает рабочее, в документации указывается допустимое время – в пределах микросекунд.

Для измерения параметров применяется элементарная схема с прямым и обратным включением диодов.

Проверка характеристик

В технических описаниях вольт амперная характеристика диода в графическом представлении, как правило, не приводится, а указываются наиболее значимые точки характеристики, например, для часто используемых выпрямительных диодов:

  • Максимальный и пиковый выпрямленный ток;
  • Среднеквадратичное и пиковое значение обратного напряжения;
  • Наибольший обратный ток;
  • Падение напряжения при различном прямом токе.

Кроме указанных параметров, не меньшее значение имеют и другие свойства: статическое сопротивление, для импульсных диодов – граничная частота, ёмкость p – n перехода. Приборы специального назначения также имеют специфические характеристики и другой вид ВАХ полупроводникового диода.

Отдельный тип диодов работает в области электрического пробоя, они применяются для стабилизации напряжения – это стабилитроны. От ВАХ диода характеристика стабилитрона отличается резким уходом вниз левой ветви графика и малым её отклонением от вертикали. Эта точка на оси абсцисс называется напряжением стабилизации. Стабилитрон включается только с резистором, ограничивающим ток через него.

Видео

Оцените статью:

принцип действия и основные параметры

Выпрямительный диод это прибор проводящий ток только в одну сторону. В основе его конструкции один p-n переход и два вывода. Такой диод изменяет ток переменный на постоянный. Помимо этого, их повсеместно практикуют в электросхемах умножения напряжения, цепях, где отсутствуют жесткие требования к параметрам сигнала по времени и частоте.

Принцип работы

Принцип работы этого устройства основывается на особенностях p-n перехода. Возле переходов двух полупроводников расположен слой, в котором отсутствуют носители заряда. Это запирающий слой. Его сопротивление велико.

При воздействии на слой определенного внешнего переменного напряжения, толщина его становится меньше, а впоследствии и вообще исчезнет. Возрастающий при этом ток называют прямым. Он проходит от анода к катоду. Если внешнее переменное напряжение будет иметь другую полярность, то запирающий слой будет больше, сопротивление возрастет.

Разновидности устройств, их обозначение

По конструкции различают приборы двух видов: точечные и плоскостные. В промышленности наиболее распространены кремниевые (обозначение — Si) и германиевые (обозначение — Ge). У первых рабочая температура выше. Преимущество вторых — малое падение напряжения при прямом токе.

Принцип обозначений диодов – это буквенно-цифровой код:

  • Первый элемент – обозначение материала из которого он выполнен,
  • Второй определяет подкласс,
  • Третий обозначает рабочие возможности,
  • Четвертый является порядковым номером разработки,
  • Пятый – обозначение разбраковки по параметрам.

Вольт-амперная характеристика

Вольт-амперную характеристику (ВАХ) выпрямительного диода можно представить графически. Из графика видно, что ВАХ устройства нелинейная.

В начальном квадранте Вольт-амперной характеристики ее прямая ветвь отражает наибольшую проводимость устройства, когда к нему приложена прямая разность потенциалов. Обратная ветвь (третий квадрант) ВАХ отражает ситуацию низкой проводимости. Это происходит при обратной разности потенциалов.

Реальные Вольт-амперные характеристики подвластны температуре. С повышением температуры прямая разность потенциалов уменьшается.

Из графика Вольт-амперной характеристики следует, что при низкой проводимости ток через устройство не проходит. Однако при определенной величине обратного напряжения происходит лавинный пробой.

ВАХ кремниевых устройств отличается от германиевых. ВАХ приведены в зависимости от различных температур окружающей среды. Обратный ток кремниевых приборов намного меньше аналогичного параметра германиевых. Из графиков ВАХ следует, что она возрастает с увеличением температуры.

Важнейшим свойством является резкая асимметрия ВАХ. При прямом смещении – высокая проводимость, при обратном – низкая. Именно это свойство используется в выпрямительных приборах.

Коэффициент выпрямления

Анализируя приборные характеристики, следует отметить: учитываются такие величины, как коэффициент выпрямления, сопротивление, емкость устройства. Это дифференциальные параметры.

Он отражает качество выпрямителя.

Его можно рассчитать: он будет равен отношению прямого тока прибора к обратному. Такой расчет приемлем для идеального устройства. Значение коэффициента выпрямления может достигать нескольких сотен тысяч. Чем он больше, тем лучше выпрямитель делает свою работу.

Основные параметры устройств

Какие же параметры характеризуют приборы? Основные параметры выпрямительных диодов:

  • Наибольшее значение среднего прямого тока,
  • Наибольшее допустимое значение обратного напряжения,
  • Максимально допустимая частота разности потенциалов при заданном прямом токе.

Исходя из максимального значения прямого тока, выпрямительные диоды разделяют на:

  • Приборы малой мощности. У них значение прямого тока до 300 мА,
  • Выпрямительные диоды средней мощности. Диапазон изменения прямого тока от 300 мА до 10 А,
  • Силовые (большой мощности). Значение более 10 А.

Существуют силовые устройства, зависящие от формы, материала, типа монтажа. Наиболее распространенные из них:

  • Силовые приборы средней мощности. Их технические параметры позволяют работать с напряжением до 1,3 килоВольт,
  • Силовые, большой мощности, могущие пропускать ток до 400 А. Это высоковольтные устройства. Существуют разные корпуса исполнения силовых диодов. Наиболее распространены штыревой и таблеточный вид.

Выпрямительные схемы

Схемы включения силовых устройств бывают различными. Для выпрямления сетевого напряжения они делятся на однофазные и многофазные, однополупериодные и двухполупериодные. Большинство из них однофазные. Ниже представлена конструкция такого однополупериодного выпрямителя и двух графиков напряжения на временной диаграмме.

Переменное напряжение U1 подается на вход (рис. а). Справа на графике оно представлено синусоидой. Состояние диода открытое. Через нагрузку Rн протекает ток. При отрицательном полупериоде диод закрыт. Поэтому к нагрузке подводится только положительная разность потенциалов. На рис. в отражена его временная зависимость. Эта разность потенциалов действует в течение одного полупериода. Отсюда происходит название схемы.

Самая простая двухполупериодная схема состоит из двух однополупериодных. Для такой конструкции выпрямления достаточно двух диодов и одного резистора.

Диоды пропускают только положительную волну переменного тока. Недостатком конструкции является то, что в полупериод переменная разность потенциалов снимается лишь с половины вторичной обмотки трансформатора.

Если в конструкции вместо двух диодов применить четыре коэффициент полезного действия повысится.

Выпрямители широко используются в различных сферах промышленности. Трехфазный прибор задействован в автомобильных генераторах. А применение изобретенного генератора переменного тока способствовало уменьшению размеров этого устройства. Помимо этого, увеличилась его надежность.

В высоковольтных устройствах широко применяют высоковольтные столбы, которые скомпонованы из диодов. Соединены они последовательно.

Импульсные приборы

Импульсным называют прибор, у которого время перехода из одного состояния в другое мало. Они применяются для работы в импульсных схемах. От своих выпрямительных аналогов такие приборы отличаются малыми емкостями p-n переходов.

Для приборов подобного класса, кроме параметров, указанных выше, следует отнести следующие:

  • Максимальные импульсные прямые (обратные) напряжения, токи,
  • Период установки прямого напряжения,
  • Период восстановления обратного сопротивления прибора.

В быстродействующих импульсных схемах широко применяют диоды Шотки.

Импортные приборы

Отечественная промышленность производит достаточное количество приборов. Однако сегодня наиболее востребованы импортные. Они считаются более качественными.

Импортные устройства широко используются в схемах телевизоров и радиоприемников. Их также применяют для защиты различных приборов при неправильном подключении (неправильная полярность). Количество видов импортных диодов разнообразно. Полноценной альтернативной замены их на отечественные пока не существует.

применение характеристики для поиска сложных неисправностей полупроводниковых элементов

Широкое применение в области электроники получили полупроводниковые элементы, одним из которых является диод. Они используются практически во всех устройствах, но чаще — в различных блоках питания и для обеспечения электробезопасности. Каждый из них имеет свое конкретное предназначение и технические характеристики. Для выявления различного рода неисправностей и получения технических сведений нужно знать ВАХ диода.

Общие сведения

Диод (Д) — полупроводниковый элемент, служащий для пропускания тока через p-n-переход только в одном направлении. При помощи Д можно выпрямлять переменное U, получая из него постоянное пульсирующее. Для сглаживания пульсаций применяют фильтры конденсаторного или индуктивного типа, а иногда их и комбинируют.

Д состоит только из p-n-перехода с выводами, которые называются анодом (+) и катодом (-). Ток, при прохождении через проводник, оказывает на него тепловое действие. При нагреве катод испускает отрицательно заряженные частицы — электроны (Э). Анод притягивает электроны, так как обладает положительным зарядом. В процессе образуется эмиссионное поле, при котором возникает ток (эмиссионный). Между (+) и (-) происходит генерация пространственного отрицательного заряда, мешающего свободному движению Э. Э, достигшие анода, образуют анодный ток, а не достигшие — катодный. Если анодный и катодный токи равны нулю, Д находится в закрытом состоянии.

Устройство полупроводника

Д состоит из корпуса, изготавливаемого из прочного диэлектрического материала. В корпусе находится вакуумное пространство с 2 электродами (анод и катод). Электроды, представляющие металл с активным слоем, обладают косвенным накалом. Активный слой при нагревании испускает электроны. Катод устроен таким образом, что внутри его находится проволока, которая накаливается и испускает электроны, а анод служит для их приема.

В некоторых источниках анод и катод называют кристаллом, который изготавливается из кремния (Si) или германия (Ge). Одна из его составных частей имеет искусственный недостаток электронов, а другая — избыток (рис. 1). Между этими кристаллами существует граница, которая называется p-n-переходом.

Рисунок 1 — Схематическое изображение полупроводника p-n-типа.

Сферы применения

Д широко применяется в качестве выпрямителя переменного U в построении блоков питания (БП), диодных мостов, а также в виде одиночного элемента конкретной схемы. Д способен защитить цепь от несоблюдения полярности подключения источника питания. В цепи может произойти пробой какой-либо полупроводниковой детали (например, транзистора) и повлечь за собой процесс выхода из строя цепочки радиоэлементов. При этом применяется цепочка из нескольких Д, подключенных в обратном направлении. На основе полупроводников создаются переключатели для коммутации высокочастотных сигналов.

Д применяются в угольной и металлургической промышленностях, особенно при создании искробезопасных цепей коммутации в виде диодных барьеров, ограничивающих U в необходимой электрической цепи. Диодные барьеры применяются вместе с ограничителями тока (резисторами) для уменьшения значений I и повышения степени защиты, а следовательно, электробезопасности и пожаробезопасности предприятия.

Вольт-амперная характеристика

ВАХ — это характеристика полупроводникового элемента, показывающая зависимость I, проходящего через p-n-переход, от величины и полярности U (рис. 1).

Рисунок 1 — Пример вольт-амперной характеристики полупроводникового диода.

ВАХ отличаются между собой и это зависит от типа полупроводникового прибора. Графиком ВАХ является кривая, по вертикали которой отмечены значения прямого I (вверху). Внизу отмечены значения I при обратном подключении. По горизонтали указаны показания U при прямом и обратном включении. Схема состоит из 2 частей:

  1. Верхняя и правая — Д функционирует в прямом подключении. Показывает пропускной I и линия идет вверх, что свидетельствует о росте прямого U (Uпр).
  2. Нижняя часть слева — Д находится в закрытом состоянии. Линия идет практически параллельно оси и свидетельствует о медленном нарастании Iобр (обратного тока).

Из графика можно сделать вывод: чем круче вертикальная часть графика (1 часть), тем ближе нижняя линия к горизонтальной оси. Это свидетельствует о высоких выпрямительных свойствах полупроводникового прибора. Необходимо учитывать, что ВАХ зависит от температуры окружающей среды, при понижении температуры происходит резкое понижение Iобр. Если температура повышается, то повышается и Iобр.

Построение графика

Построить ВАХ для конкретного типа полупроводникового прибора несложно. Для этого необходимы блок питания, мультиметр (вольтметр и амперметр) и диод (можно построить для любого полупроводникового прибора). Алгоритм построения ВАХ следующий:

  1. Подключить БП к диоду.
  2. Произвести измерения U и I.
  3. Внести данные в таблицу.
  4. На основании табличных данных построить график зависимости I от U (рис. 2).

Рисунок 2 — Пример нелинейной ВАХ диода.

ВАХ будет различна для каждого полупроводника. Например, одним из самых распространенных полупроводников является диод Шоттки, названный немецким физиком В. Шоттки (рисунок 3).

Рисунок 3 — ВАХ Шоттки.

Исходя из графика, носящего асимметричный характер, видно, что для этого типа диода характерно малое падение U при прямом подключении. Присутствует экспоненциальное увеличение I и U. Ток в барьере обусловлен отрицательно заряженными частицами при обратном и прямом смещениях. Шоттки обладают высоким быстродействием, так как диффузные и рекомбинационные процессы отсутствуют. I зависит от U благодаря изменению количества носителей, принимающих участие в процессах переноса заряда.

Кремниевый полупроводник широко применяется практически во всех электрических схемах устройств. На рисунке 4 изображена его ВАХ.

Рисунок 4 — ВАХ кремниевого Д.

На рисунке 4 ВАХ начинается с 0,6-0,8 В. Кроме кремниевых Д существуют еще германиевые, которые при нормальной температуре будут нормально работать. Кремниевый имеет меньший Iпр и Iобр, поэтому тепловой необратимый пробой у германиевого Д наступает быстрее (при подаче высокого Uобр), чем у его конкурента.

Выпрямительный Д применяется для преобразования переменного U в постоянное и на рисунке 5 приведена его ВАХ.

Рисунок 5 — ВАХ выпрямительного Д.

На рисунке изображена теоретическая (пунктирная кривая) и практическая (экспериментальная) ВАХ. Они не совпадают из-за того, что в теории не учитывались некоторые аспекты:

  1. Наличие R (сопротивления) эмиттерной области кристалла, выводов и контактов.
  2. Токи утечки.
  3. Процессы генерации и рекомбинации.
  4. Пробои различных типов.

Кроме того, температура окружающей среды значительно влияет на измерения, и ВАХ не совпадают, так как теоретические значения получают при температуре +20 градусов. Существуют и другие важные характеристики полупроводников, которые можно понять по маркировке на корпусе.

Существуют и дополнительные характеристики. Они нужны для применения Д в определенной схеме с U и I. Если использовать маломощный Д в устройствах с U, превышающем максимально допустимое Uобр, то произойдет пробой и выход из строя элемента, а также это может повлечь за собой цепочку выхода других деталей из строя.

Дополнительные характеристики: максимальные значения Iобр и Uобр; прямые значения I и U; ток перегрузки; максимальная температура; рабочая температура и так далее.

ВАХ помогает определить такие сложные неисправности Д: пробой перехода и разгерметизация корпуса. Сложные неисправности могут привести к выходу из строя дорогостоящих деталей, следовательно, перед монтажом Д на плату необходимо его проверить.

Возможные неисправности

Согласно статистике, Д или другие полупроводниковые элементы выходят из строя чаще, чем другие элементы схемы. Неисправный элемент можно вычислить и заменить, но иногда это приводит к потере функциональности. Например, при пробое p-n-перехода, Д превращается в обыкновенный резистор, а такая трансформация может привести к печальным последствиям, начиная от выхода из строя других элементов и заканчивая пожаром или поражением электрическим током. К основным неисправностям относятся:

  1. Пробой. Диод утрачивает способность пропускать ток в одном направлении и становится обычным резистором.
  2. Конструктивное повреждение.
  3. Утечка.

При пробое Д не пропускает ток в одном направлении. Причин может быть несколько и возникают они при резких ростах I и U, которые являются недопустимыми значениями для определенного Д. Основные виды пробоев p-n-перехода:

  1. Тепловой.
  2. Электрический.

При тепловом на физическом уровне происходит значительный рост колебания атомов, деформация кристаллической решетки, перегрев перехода и попадание электронов в проводимую зону. Процесс необратим и приводит к повреждению радиодетали.

Электрические пробои носят временный характер (кристалл не деформируется) и при возвращении к нормальному режиму работы его функции полупроводника возвращаются. Конструктивным повреждением являются физические повреждения ножек и корпуса. Утечка тока возникает при разгерметизации корпуса.

Для проверки Д достаточно выпаять одну ножку и прозвонить его мультиметром или омметром на наличияе пробоя перехода (должен звониться только в одном направлении). В результате появится значение R p-n-перехода в одном направлении, а в другом прибор покажет бесконечность. Если звониться в 2 направления, то радиодеталь неисправна.

Если отпала ножка, то ее нужно припаять. При повреждении корпуса — деталь необходимо заменить на исправную.

При разгерметизации корпуса понадобится построение графика ВАХ и сравнение его с теоретическим значением, взятым из справочной литературы.

Таким образом, ВАХ позволяет не только получить справочные данные о диоде или любом полупроводниковом элементе, но и выявить сложные неисправности, которые невозможно определить при проверке прибором.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) | Практическая электроника

Что такое вольт-амперная характеристика (ВАХ)


ВАХ – это вольт-амперная характеристика, а если точнее, зависимость тока от напряжения в каком-либо радиоэлементе. Это может быть резистор, диод, транзистор и другие радиоэлементы. Так как транзистор имеет более двух выводов, то он имеет множество ВАХ.

Думаю, не все, кто читает эту статью, хорошо учились в школе. Поэтому, давайте разберемся, что представляет из себя зависимость одной величины от другой. Как вы помните из школы, мы строили графики зависимости игрек (У) от икс (Х). Та переменная, которая зависит от другой переменной, мы откладывали по вертикали, а та, которая независима – по горизонтали. В результате у нас получалась система отображения зависимости “У” от “Х”:

Так вот, мои дорогие читатели,  в электронике, чтобы описать зависимость тока от напряжения, вместо “У”  у нас будет сила тока, а вместо Х – напряжение.  И система отображения у нас примет вот такой вид:

Именно в такой системе координат мы будет чертить вольт-амперную характеристику. И начнем с самого распространенного радиоэлемента – резистора.

ВАХ резистора


Для того, чтобы начертить этот график, нам потребуется пропускать через резистор напряжение и смотреть соответствующее значение силы тока тока. С помощью крутилки я добавляю напряжение и записываю значения силы тока для каждого значения напряжения. Для этого берем блок питания,  резистор и начинаем  делать замеры:

Вот у нас появилась первая точка на графике. U=0,I=0.

Вторая точка: U=2.6, I=0.01

Третья точка: U=4.4, I=0.02

 

Четвертая точка: U=6.2, I=0.03

Пятая точка: U=7.9, I=0.04

Шестая точка: U=9.6, I=0.05

Седьмая точка: U=11.3, I=0.06

 

Восьмая точка: U=13, I=0.07

Девятая точка: U=14.7, I=0.08

 

Давайте построим график по этим точкам:

Да у нас получилась почти прямая линия! То, что она чуть кривая, связана с погрешностью измерений и  погрешностью самого прибора. Следовательно, так как у  нас получилась прямая линия, то значит такие элементы, как резисторы называются элементами с линейной  ВАХ.

ВАХ диода

Как вы знаете, диод пропускает электрический ток только в одном направлении. Это свойство диода мы используем в диодных мостах, а также для проверки диода мультиметром.      Давайте  построим ВАХ для диода.  Берем блок питания, цепляем его к диоду (плюс на анод, минус на катод) и начинаем точно также делать замеры.

Первая точка: U=0,I=0.

Вторая точка: U=0.4, I=0.

Третья точка: U=0.6, I=0.01

 

Четвертая точка: U=0.7, I=0.03

Пятая точка: U=0.8,I=0.06

Шестая точка: U=0.9, I=0.13

 

Седьмая точка: U=1, I=0.37

 

 Строим график по полученным значениям:

Ничего себе загибулина :-). Вот это и есть вольт-амперная характеристика диода. На графике мы не видим прямую линию, поэтому такая вольт-амперная характеристика называется НЕлинейной. Для кремниевых диодов она начинается со значения 0,5-0,7 Вольт. Для германиевых диодов ВАХ начинается со значения 0,3-0,4 Вольт.

ВАХ стабилитрона

Стабилитроны  работают в режиме лавинного пробоя. Выглядят они  также, как и диоды.

Мы подключаем стабилитрон как диод в обратном направлении: на анод минус, а на катод – плюс. В результате, напряжение на стабилитроне остается  почти таким же, а сила тока может меняться в зависимости от  подключаемой нагрузки на стабилитроне. Как говорят электронщики, мы используем  в стабилитроне обратную ветвь ВАХ.

Рекомендуем посмотреть видео материал на эту тему:

Вольт-амперная характеристика полупроводниковых диодов, типовые ВАХи

Электровакуумный диод представляет собой прибор, работающий за счет контроля интенсивности нагрева положительного и отрицательного полюсов устройства. Вход устройства при подаче электрического тока нагревается, после чего появляется эффект выхода электронов из металла. Если подавать электрический ток с отрицательным напряжением, осуществляется процесс обратный термоэлектронной эмиссии. За счет этого идет выпрямление мощности, которая подается на радиодеталь.

Вах полупроводникового прибора

Вольтамперная характеристика вакуумного диода

Данная характеристика состоит из классических трех ступеней:

  1. Нелинейная часть. Вольт амперная характеристика диода в месте подачи тока возрастает небольшими темпами. Это объясняется эффектом противодействия полю анода отрицательного напряжения свободных электронов. На данном участке ток анода крайне низок. Влияние напряжения на силу экспоненциально.
  2. Вторая часть кривой описывается законом степени 3/2. Влияние электричества на аноде от подаваемого напряжения в данном случае записывается формулой трех вторых, в которой напряжение на аноде умножается на константу, характеристики габаритов электрода.
  3. Напряжение насыщения. Если напряжение на аноде продолжает увеличиваться соразмерно предыдущим показателям, скорость увеличения выходного тока снижается. Повысить мощность на выходе невозможно из-за отсутствия свободных электронов.

Как работает диод

Диод – полупроводниковое устройство, которое обладает односторонней проводимостью. Эта характеристика появляется из-за особенностей pn перехода и сопротивления на его концах. Односторонняя проводимость обозначает, что радиодеталь пропустит электрический ток только в том случае, если на аноде (входе) будет больший потенциал. Если мощность выше на катоде, появляется обратный ток. Однако из-за высокой степени сопротивления величины такого электрического тока критически малы. Таким образом строится вольт амперная характеристика полупроводникового устройства.

Принцип функционирования диода вакуумного типа

При подаче электричества на выход электровакуумного диода электроны покидают поверхность из-за эффекта термоэлектронной эмиссии. При этом с накоплением свободных заряженных частиц в атмосфере появляется область, которая характеризуется негативным потенциалом. Характерной особенностью вакуумного прибора является то, что в это время поверхности анода начнут положительно заряжаться. Из-за этого последующим заряженным частицам потребуется более высокий уровень заряда для отрыва. В результате переходных процессов вокруг катода формируется облако заряженных частиц.

Интересно. Незначительная часть электронов возвращается на выход радиодетали. При температуре, которая соответствует требуемой, и стабилизации облака выход и возврат заряженных частиц из катода уравниваются, чем обеспечивают стабильное движение заряженных частиц.

Электрический ток в вакууме

Чтобы появилась возможность передавать ток в вакууме, требуется добавить в пространство свободные заряженные частицы при помощи явлений эмиссии:

  • Термоэлектронная – представляет собой процесс освобождения заряженных частиц металлами во время нагрева. Скорость процесса зависит от площади, условий нагрева и свойств материала. Когда кинетическая энергия превышает мощь электронных связей, происходит освобождение частиц;
  • Фотоэлектронная – возникает под действием освещения.
  • Автоэлектронная эмиссия происходит из-за влияния электрического поля.

Прямое и обратное напряжение диода

Уровень мощности, при котором прибор открыт, и через него течет электричество, называется ток. Обратное напряжение – отрицательная мощность, которая течет с катода на анод. В случае прямого напряжения уровень препятствия движению заряженных частиц не выше 100 Ом, однако при обратном напряжении уровень сопротивления возрастает в несколько сотен раз и может достигать миллионов Ом.

Прямое и обратное напряжение диода

Обратное включение диода, обратный ток

Обратный ток возникает, когда напряжение на катоде выше, чем на аноде. В такой ситуации заряженные частицы из области n перехода начнут смещаться к положительной части детали и передвигаться к отрицательному полюсу. Это приводит к возникновению области, которая содержит малое количество заряженных частиц, из-за чего повысится сопротивление. Однако течение электронов будет продолжаться.

Прямое включение диода, прямой ток

При подключении к аноду большего напряжения, чем на катоде, возникает прямой ток. В таком случае агрегат находится в открытом состоянии. Итоговое значение на выходе зависит от технических характеристик и уровня напряжения на входе. При этом свободные участки из области n типа передвигаются к заряженным частицам из Р типа и, наоборот. На месте pn перехода происходит встреча дырок и электронов, и осуществляется рекомбинация.

ВАХ и выпрямительный диод

ВАХ диода состоит из нескольких квадрантов:

  • В первом случае прибору присуща высокая проводимость, которая соответствует приложенному напряжению;
  • Во второй части радиоэлектронное устройство получает ток до состояния насыщения, затем сбрасывается;
  • В последующем сегменте присутствует обратная ветвь ВАХ диода. Аппроксимация данного состояния свидетельствует о низкой проводимости.

ВАХ стабилитрона

Идеализированная ВАХ полупроводникового диода

Данная характеристика присуща идеальному диоду. Главной задачей такого устройства является пропуск электричества исключительно в одну сторону. В таком случае сопротивление идеального радиоэлемента равно нулю в случае подключения положительного заряда к аноду, и может равняться бесконечности при обратном способе включения в цепь.

Практическое использование выпрямительного диода

Используют устройства в таких узлах:

  • БП силовых агрегатов автомобилей и кораблей;
  • В диодном мосту;
  • В устройствах для выпрямления переменного тока и гальванических емкостей;
  • В трансформаторах для передачи электричества посредством высоковольтной линии.

Выбор выпрямительных диодов

Во время подбора выпрямительных деталей требуется учитывать большое количество факторов:

  • Частота тока;
  • Значения входного тока в амперах;
  • Параметр входного напряжения в вольтах;
  • Устойчивость к условиям внешней среды..

Что обозначает маркировка

Типичная маркировка:

  • Первый символ – Д – диод;
  • Второй – нумерация, которая соответствует типу элемента, материалу и способу применения;
  • Третий – разновидность устройства.

Вольт амперная характеристика диода показывает основные параметры диода. При помощи графика можно получить точную информацию о зависимости значения напряжения на выходе диода от напряжения на входе. Существует несколько видов диодов: идеальный и реальный, выпрямительный и стабилитрон, кремниевый и германиевый, а также светодиод и вакуумный. Отличия между ними – в выполняемой работе. При этом формула выходного напряжения в цепи будет незначительно отличаться. Так как лабораторные условия встречаются редко, то возможны незначительные погрешности во время включения и последующего выполнения функций устройством. ВАХ полупроводникового агрегата существенно различается от типа к типу, отличные характеристики могут быть значительными.

Видео

ВАХ полупроводникового диода

Вах-вах-вах… Обычно эти слова употребляют, рассказывая анекдоты про кавказцев))) Кавказцев прошу не обижаться – я уважаю Кавказ. Но, как говорится, из песни слов не выкинешь. Да и в нашем случае это слово имеет другой смысл. Да и не слово это даже, а аббревиатура.

ВАХ – это вольт амперная характеристика. Ну а нас в этом разделе интересует вольт амперная характеристика полупроводникового диода.

График ВАХ диода показан на рис. 6.

Рис. 6. ВАХ полупроводникового диода.

На графике изображены ВАХ для прямого и обратного включения диода. Ещё говорят, прямая и обратная ветвь вольт-амперной характеристики. Прямая ветвь (Iпр и Uпр) отображает характеристики диода при прямом включении (то есть когда на анод подаётся «плюс»). Обратная ветвь (Iобр и Uобр) отображает характеристики диода при обратном включении (то есть когда на анод подаётся «минус»).

На рис. 6 синяя толстая линия – это характеристика германиевого диода (Ge), а чёрная тонкая линия – характеристика кремниевого (Si) диода. На рисунке не указаны единицы измерения для осей тока и напряжения, так как они зависят от конкретной марки диода.

Что же мы видим на графике? Ну для начала определим, как и для любой плоской системы координат, четыре координатных угла (квадранта). Напомню, что первым считается квадрант, который находится справа вверху (то есть там, где у нас буквы Ge и Si). Далее квадранты отсчитываются против часовой стрелки.

Итак, II-й и IV-й квадранты у нас пустые. Это потому, что мы можем включить диод только двумя способами – в прямом или в обратном направлении. Невозможна ситуация, когда, например, через диод протекает обратный ток и одновременно он включен в прямом направлении, или, иными словами, невозможно на один вывод одновременно подать и «плюс» и «минус». Точнее, это возможно, но тогда это будет короткое замыкание))). Остаётся рассмотреть только два случая – прямое включение диода и обратное включение диода.

График прямого включения нарисован в первом квадранте. Отсюда видно, что чем больше напряжение, тем больше ток. Причём до какого-то момента напряжение растёт быстрее, чем ток. Но затем наступает перелом, и напряжение почти не меняется, а ток начинает расти. Для большинства диодов этот перелом наступает в диапазоне 0,5…1 В. Именно это напряжение, как говорят, «падает» на диоде. То есть если вы подключите лампочку по первой схеме на рис. 3, а напряжение батареи питания у вас будет 9 В, то на лампочку попадёт уже не 9 В, а 8,5 или даже 8 (зависит от типа диода). Эти 0,5…1 В и есть падение напряжения на диоде. Медленный рост тока до напряжения 0,5…1В означает, что на этом участке ток через диод практически не идёт даже в прямом направлении.

График обратного включения нарисован в третьем квадранте. Отсюда видно, что на значительном участке ток почти не изменяется, а затем увеличивается лавинообразно. Что это значит? Если вы включите лампочку по второй схеме на рис. 3, то светиться она не будет, потому что диод в обратном направлении ток не пропускает (точнее, пропускает, как видно на графике, но этот ток настолько мал, что лампа светиться не будет). Но диод не может сдерживать напряжение бесконечно. Если увеличить, напряжение, например, до нескольких сотен вольт, то это высокое напряжение «пробьёт» диод (см. перегиб на обратной ветви графика) и ток через диод будет течь. Вот только «пробой» — это процесс необратимый (для диодов). То есть такой «пробой» приведет к выгоранию диода и он либо вообще перестанет пропускать ток в любом направлении, либо наоборот – будет пропускать ток во всех направлениях.

В характеристиках конкретных диодов всегда указывается максимальное обратное напряжение – то есть напряжение, которое может выдержать диод без «пробоя» при включении в обратном направлении. Это нужно обязательно учитывать при разработке устройств, где применяются диоды.

Сравнивая характеристики кремниевого и германиевого диодов, можно сделать вывод, что в p-n-переходах кремниевого диода прямой и обратный токи меньше, чем в германиевом диоде (при одинаковых значениях напряжения на выводах). Это связано с тем, что у кремния больше ширина запрещённой зоны и для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости им необходимо сообщить большую дополнительную энергию.


Вольт-амперная характеристика диода с PN переходом — характеристика смещения в прямом и обратном направлениях

Вольт-амперная характеристика диода с PN переходом представляет собой кривую между напряжением на переходе и током цепи . Схема расположения кривой показана на рисунке ниже. Схема показывает, что резистор соединен в серии с диодом с PN переходом, чтобы ограничить возрастание тока прямого смещения в пределах допустимых значений.Характеристическая кривая диода с PN-переходом построена по трем кривым: нулевое внешнее напряжение, прямое смещение и обратное смещение.

Нулевое внешнее напряжение

Когда цепь K разомкнута, на цепь не подается внешнее напряжение. Следовательно, в цепи не течет ток. Нулевое внешнее напряжение показано точкой O на графике, показанном ниже.

Прямое смещение

Диод с PN-переходом подключается со смещением в прямом направлении, удерживая ключ K в замкнутом состоянии и удерживая переключатель двойного хода в положении один.При прямом смещении полупроводниковый материал p-типа подключается к положительному концу источника питания, а полупроводниковый материал n-типа подключается к отрицательному выводу источника питания.

Когда напряжение увеличивается путем изменения номинала резистора R h , кривая цепи увеличивается очень медленно, и кривая становится нелинейной. Точка OA на кривой показывает возрастающую характеристику напряжения.

Ток медленно нарастает при прямом смещении, потому что приложенное внешнее напряжение используется для пересечения потенциального барьера диода с PN-переходом.Но когда потенциальный барьер полностью устранен и внешнее напряжение, приложенное к переходу, увеличивается, PN-переход ведет себя как обычный диод, и ток в цепи резко возрастает (показано в области AB).

Повышенный ток цепи контролируется сопротивлением R h и прямым сопротивлением перехода R f . Кривая становится линейной. Ток, превышающий номинальное значение, повредит диод.

Вольт-амперная характеристика PN перехода показана на рисунке ниже.

Обратное смещение

Когда положение двухполюсного переключателя двойного направления изменяется с 1 на 2, смещение диода меняется с обратного смещения на прямое, т. Е. Материал p-типа подключается к отрицательному выводу источника питания, а n- Тип материала подключается к положительной клемме источника питания.

В условиях обратного смещения сопротивление диода становится очень высоким, и ток через диод практически не течет. Но на практике через диод протекает ток в миллиамперах.Этот ток известен как обратный ток. Обратный ток возникает из-за неосновных носителей заряда, присутствующих в полупроводниковом материале при нормальной комнатной температуре. Обратная характеристика диода с PN-переходом показана на рисунке выше.

Обратное смещение PN-перехода действует как прямое смещение для основного носителя заряда и, следовательно, составляет неосновной ток в обратном направлении. Этот ток незначителен при рабочих напряжениях.

Когда увеличивается обратное питание, увеличивается и обратный ток.Постоянное увеличение обратного напряжения увеличивает кинетическую энергию неосновных носителей заряда. Кинетическая энергия неосновных электронов увеличивается настолько, что они выбивают электроны из полупроводниковой связи.

В этом состоянии сопротивление барьера увеличивается, из-за чего на стыке происходит пробой. Следовательно, ток обратного смещения увеличивается и необратимо повреждает переход.

Напряжение, при котором разрывается PN-переход, называется напряжением пробоя.

Ниже приведены важные моменты, которые необходимо учитывать при построении вольт-амперной характеристики.

  1. Когда внешнее напряжение становится равным нулю, через диод не протекает ток.
  2. При прямом смещении ток немного увеличивается, пока область истощения не будет полностью стерта.
  3. Прямое смещение внезапно увеличивается после напряжения колена.
  4. Прямой ток ограничен последовательным сопротивлением R и прямым сопротивлением R f .
  5. Прямой ток превышает номинальное значение, диод разрушается.
  6. При обратном смещении обратный ток немного увеличивается с увеличением неосновных носителей заряда.
  7. С увеличением обратного напряжения обратный ток резко увеличивается до большого значения. Именно из-за этого напряжения переход транзистора ломается и сопротивление резко падает.

Двухполюсный двухпозиционный переключатель имеет два выхода (вкл. И выкл.) Для каждого входа.

Вольт-амперная характеристика PN диода

Какая вольт-амперная характеристика PN-диода?

Ток I в PN-диоде по отношению к напряжению перехода V В соотношением, задаваемым уравнением

……… .. (1)

На рисунке 1 показана типичная вольт-амперная характеристика для PN-диода, построенная по приведенному выше уравнению. При прямом смещении прямой ток остается практически нулевым до тех пор, пока не будет достигнуто так называемое напряжение отсечки V В t-диода.Это напряжение включения определяется как напряжение, ниже которого прямой ток составляет менее 1% от максимального номинального тока диода. Это напряжение включения также известно как напряжение включения или пороговое напряжение. Напряжение среза зависит от материала полупроводника и от метода изготовления. Обычно напряжение среза составляет около 0,2 В для Ge диода и около 0,6 В для Si-диода. Это более высокое значение напряжения среза в Si-диоде в основном связано с низким значением I O .

Из рисунка 1 видно, что за пределами напряжения отключения прямой ток быстро увеличивается с увеличением прямого напряжения.В диапазоне прямого напряжения приложенное напряжение намного больше, чем V T (0,026 вольт при 300 K), так что в приведенном выше уравнении мы можем пренебречь 1 по сравнению с

и преобразовать его к следующей более простой форме

……… (2)

При небольшом обратном смещении обратный ток увеличивается с увеличением величины обратного смещения. Когда величина обратного смещения превышает в несколько раз V T , мы можем пренебречь

является сравнением с I, и обратный ток становится устойчивым на значении I O .при дальнейшем увеличении обратного напряжения происходит пробой, а затем обратный ток резко увеличивается при почти постоянном значении обратного напряжения V Z .

Зависимость температуры от вольт-амперной характеристики

Полный обратный ток насыщения:

Суммарное или измеренное значение обратного тока насыщения

, где I 0 — теоретическое значение обратного тока насыщения, а I R — составляющая обратного тока утечки.I R не зависит от температуры, тогда как I 0 сильно зависит от температуры.

……. (3)

Это уравнение дает I 0 как функцию от D n , D p и n i 2 . Но n i 2 зависит от температуры в соответствии с уравнением ниже

…… .. (4)

Напряжение V T также пропорционально температуре T. Далее D p и D n зависят от температуры T.Соответственно, общее выражение для I 0 , действительное как для Ge, так и для Si-диодов, равно

………. (5)

Где k — постоянная величина, m — постоянная для материала, qV G0 — запрещенная энергетическая щель в джоулях. Экспериментально установлено, что обратный ток

насыщения увеличивается со скоростью 7% на градус Цельсия как для Ge, так и для Si-диодов. Но . Следовательно, мы заключаем, что полный обратный ток насыщения удваивается на каждые 10 0 ° C повышения температуры.

Напряжение отключения:

Следующее соотношение справедливо как для Ge, так и для Si-диодов,

…… .. (6)

Таким образом, V, а также V V уменьшаются с повышением температуры со скоростью 2,5 мВ / градус C. Хотя напряжение отключения V V и полный обратный ток насыщения изменяются с температурой, форма общей ВАХ характеристики диода не меняется с температурой.

Сопротивление диода:

Статическое сопротивление диода R

Это отношение напряжения диода к току диода.Он сильно меняется при смещении рабочей точки. Он не является полезным параметром диода.

Динамическое или инкрементное сопротивление диода r

Определяется как,

………. (7)

Таким образом, динамическое сопротивление диода является обратной величиной крутизны зависимости тока от напряжения и формирует важный параметр устройства для работы с малым сигналом. Однако динамическое сопротивление диода r изменяется в зависимости от рабочей точки.

Из уравнения (1),

…….. (8)

Для обратного смещения более нескольких десятых вольт,

и отрицательное. Следовательно, чрезвычайно мало, составленное до единицы, и, следовательно, r чрезвычайно велико.

Для прямого смещения более нескольких десятых вольт,

и согласно уравнению (1), I >> I 0 . Затем из уравнения (8).

……… (9)

Уравнение (9) показывает, что для прямого смещения r изменяется обратно пропорционально току I.

При комнатной температуре (300 К) V T = 0.026 вольт. Затем для

,

……. (10)

Таким образом, для

Пример 1: Идеальный Ge-диод, работающий при температуре 100 0 C, имеет обратный ток насыщения. При 100 0 C найдите динамическое сопротивление диода для смещения 0,1 В (а) в прямом направлении и (б) в обратном направлении.

Решение:

При 100 0 C, T = 273 + 100 = 373 0 K,

Следовательно,

для Ge,

Следовательно,

Сейчас,

Для прямого смещения 0.1 вольт,

Следовательно,

Для обратного смещения 0,1 В,

Следовательно,

Кусочно-линейная аппроксимация характеристики диода

Для большой одиночной операции обычно достаточно использовать кусочно-линейное представление ВАХ PN-диода. На рис. 2 представлена ​​кусочно-линейная аппроксимация. Для V V ток нарастает с постоянной крутизной. В этой области диод имеет постоянное инкрементное сопротивление

.В этой области прямого смещения это сопротивление r обозначается как R f и называется прямым сопротивлением.

Нравится:

Нравится Загрузка …

Интерпретация вольт-амперных характеристик диода

Вольт-амперная характеристика — это соотношение между напряжением u, приложенным к обоим концам диода, и током, протекающим через диод =, т. Е. I = f (u). Вольт для 2CP12 (обычный кремний = диод) и 2AP9 (обычный германиевый диод).


(1) положительные характеристики

Первый квадрант кривой вольт-ложной характеристики диода называется прямой характеристикой.В начальной части прямой характеристики, поскольку прямое напряжение мало, внешнего электрического поля недостаточно для преодоления блокирующего эффекта внутреннего электрического поля на большинстве носителей, и прямой ток почти равен нулю. Эта область называется вольт-амперной характеристикой прямого диода

Мертвая зона, соответствующее напряжение называется напряжением мертвой зоны. Напряжение мертвой зоны кремниевой трубки составляет около 0,5 В, а германиевой трубки — около 0.2 В.

Когда прямое напряжение превышает определенное значение, внутреннее электрическое поле значительно ослабевает, прямой ток быстро увеличивается, диодная проводимость, эта область называется положительной направляющей зоной. Диод является положительной направляющей, пока есть небольшое изменение прямого напряжения, прямой ток сильно изменится, прямая характеристическая кривая диода очень крутая, поэтому, когда диод проходит через положительную направляющую, прямое падение давления на трубке не происходит. большой, а изменение прямого падения давления небольшое.Как правило, силиконовая трубка составляет около 0 °. 7 В, а германиевая трубка составляет около 0,3 В. Следовательно, при использовании диода, если приложенное напряжение велико, обычно в цепи подключается сопротивление, ограничивающее ток, чтобы не производить слишком большой ток, чтобы сжечь диод.

(2) обратные характеристики

Третий квадрант характеристической кривой напряжения диодов называется обратной характеристикой. В определенном диапазоне обратного напряжения обратный ток очень мал и не сильно изменяется, что называется обратным срезом. — вне региона.Это связано с тем, что обратный ток формируется дрейфовым движением нескольких носителей; при определенной температуре количество мелких частиц в основном не изменяется, поэтому обратный ток в основном постоянен, а величина обратного напряжения не имеет никакого отношения с ним, поэтому его обычно называют обратным током насыщения.

(3) Характеристики обратного пробоя

Когда обратное напряжение продолжает увеличиваться до определенного значения, обратный ток в диоде внезапно увеличивается, и мы говорим, что диод имеет обратный пробой.Характеристики этого раздела показаны в разделе D раздела 1.2.6. Возникает обратный пробой. P-n переход имеет большой обратный ток, серьезный, когда он приведет к повреждению pn перехода, поэтому обычный диод должен избегать пробоя, но я должен сделать Трубка стабилитрона в состоянии пробоя, из-за более значительных изменений в области пробоя, в то время как ток и напряжение могут в основном оставаться неизменными, используйте эту функцию, трубка регулятора напряжения может иметь эффект регулирования напряжения.

Характеристики тиристора вольт-ампер

при открытом затворе

Тиристор в этом состоянии можно рассматривать как три последовательно включенных диода с такими направлениями, которые предотвращают проводимость в любом направлении.

Вперед Характеристики

Характеристическая кривая тиристора VI

Когда устройство смещено в прямом направлении, т. Е. Положительный анод и отрицательный катод, тогда переходы J1 и J2 смещены вперед, а переход J2 смещен в обратном направлении. Никакой ток не течет, кроме тока утечки, пока не будет превышено напряжение отключения перехода J2. Следует отметить, что прямое и обратное напряжение переключения схожи по величине из-за того, что в состоянии обратной блокировки почти все напряжение появляется на анодном PN-переходе.

Как только происходит размыкание в прямом направлении, центральный P-слой нейтрализуется электронами с катода, и устройство действует как проводящий диод с двумя переходами, дающими прямое падение затвора примерно вдвое больше, чем у диода.

Чтобы тиристор перешел в состояние ВКЛ, анодный ток должен достичь уровня фиксации. Для сохранения включенного состояния анодный ток не должен опускаться ниже тока удержания. Ток фиксации обычно в два раза превышает ток удержания, но оба они низкие, намного меньше 1 процента от номинального значения полной нагрузки.

Обратные характеристики

Обратные характеристики, т.е. с отрицательным анодом и положительным катодом, такие же, как у обычного диода с PN переходом.

Ток удержания

Минимальное значение прямого анодного тока, которое будет удерживать тиристор во включенном состоянии, называется удерживающим током.

Ток фиксации

Для того, чтобы тиристор достиг и удерживал состояние ВКЛ, анодный ток должен достигнуть уровня фиксации.Этот уровень тока называется током фиксации.

или

Это минимальный анодный ток, необходимый для поддержания тиристора во включенном состоянии сразу после включения тиристора.

Примечание: — Между I H и I L есть переход из ВКЛ в ВЫКЛ и ВЫКЛ в ВКЛ.

Приложение напряжения затвора

Тиристор, при прямом смещении, может быть включен путем подачи тока на вывод затвора относительно отрицательного катода, как показано ниже.

Напряжение затвора тиристора

Действие тока затвора заключается во введении дырок во внутренний P-срез, которые вместе с электронами из катодного слоя N пробиваются через центральный управляющий переход, переводя тиристор во включенное состояние.

Если I G увеличить от нуля, точка перехода будет достигнута раньше, но характеристическая кривая будет иметь ту же форму. При дальнейшем увеличении I G напряжение отключения будет достигнуто раньше.как только анодный ток превысит уровень фиксации, ток затвора может прекратиться, тиристор останется во включенном состоянии, независимо от условий в цепи затвора.

Влияние I

G на перенапряжение отключения (В BO )

Из кривой ВАХ видно, что прямое напряжение переключения уменьшается с увеличением тока затвора. Фактически, ток затвора может быть увеличен до точки, при которой напряжение переключения будет настолько низким, что устройство будет иметь характеристики, близкие к характеристикам обычного диода с PN переходом.


Характеристики V-I PN-диода

Характеристики V-I PN-переходного диода

Вольт-амперная характеристика pn-перехода или полупроводникового диода — это кривая между напряжением на переходе и током в цепи.

Обычно напряжение снимается по оси x, а ток — по оси y.

Схема подключения для определения ВАХ pn перехода показана на рисунке ниже.

Рис.1: Схема подключения для ВАХ pn перехода

Характеристики можно объяснить в трех случаях, например:

  1. Нулевое смещение
  2. Прямое смещение
  3. Обратное смещение

Случай-1: нулевое смещение

В состоянии нулевого смещения к pn переходу не подается внешнее напряжение, т. Е. Цепь разомкнута при K.

Следовательно, потенциальный барьер (см. Руководство по pn переходу для лучшего понимания) на переходе не пропускает ток.

Следовательно, ток цепи равен нулю при V = 0 В, как показано точкой O на рисунке ниже.

Рис.2: Характеристики V-I pn-перехода

Случай-2: прямое смещение

В состоянии прямого смещения p-тип p-n перехода подключен к положительной клемме, а n-тип — к отрицательной клемме внешнего напряжения.

Это приводит к уменьшению потенциального барьера.

При некотором прямом напряжении, например 0,7 В для Si и 0.3 В для Ge потенциальный барьер практически устраняется, и в цепи начинает течь ток.

С этого момента ток увеличивается с увеличением прямого напряжения. Следовательно. кривая OB получается с прямым смещением, как показано на рисунке выше.

Из прямых характеристик можно отметить, что сначала, то есть в области OA, ток увеличивается очень медленно и кривая является нелинейной. Это связано с тем, что в этой области внешнее напряжение, приложенное к pn переходу, используется для преодоления потенциального барьера.

Однако, как только внешнее напряжение превышает напряжение потенциального барьера, потенциальный барьер устраняется, и pn переход ведет себя как обычный проводник. Следовательно, кривая AB очень резко поднимается с увеличением внешнего напряжения, и кривая становится почти линейной.

Случай-3: обратное смещение

В состоянии обратного смещения p-тип pn перехода подключен к отрицательной клемме, а n-тип подключен к положительной клемме внешнего напряжения.

Это приводит к увеличению потенциального барьера на стыке.

Следовательно, сопротивление перехода становится очень большим, и в результате ток в цепи практически не протекает.

Однако на практике через цепь протекает очень небольшой ток порядка мкА. Это известно как обратный ток насыщения (I S ), и это связано с неосновными носителями в переходе.

Как мы уже знаем, в материале p-типа мало свободных электронов, а в материале n-типа мало дырок.Эти свободные электроны p-типа и дырки n-типа называются неосновными носителями.

Обратное смещение, приложенное к pn переходу, действует как прямое смещение к неосновным носителям, и, следовательно, небольшой ток течет в обратном направлении.

Если приложенное обратное напряжение постоянно увеличивается, кинетическая энергия неосновных носителей может стать достаточно высокой, чтобы выбить электроны из атома полупроводника.

На этом этапе может произойти обрыв соединения.Это характеризуется резким увеличением обратного тока и резким падением сопротивления барьерной области. Это может навсегда разрушить соединение.

Sasmita

Привет! Я Сасмита. В ElectronicsPost.com я продолжаю свою любовь к преподаванию. Я магистр электроники и телекоммуникаций. И, если вы действительно хотите узнать обо мне больше, посетите мою страницу «О нас». Узнать больше

Каковы вольт-амперные характеристики pn перехода?

ответов


Далее: Красная корова повязана с белым быком.Все потомки F1 не были ни красными, ни белыми, такие особи считаются чалыми.
Предыдущий: Объясните следующие термины, используемые в электронике.

Просмотреть больше вопросов и ответов по электронике | Вернуться к индексу вопросов

Связанные вопросы


  • Объясните протекание тока в pn-переходе с прямым смещением (решено)

    Объясните протекание тока в прямолинейном переходе с прямым смещением

    Дата публикации: 14 августа 2019 г.Ответы (1)

  • Обсудить свойства PN-перехода (решено)

    Обсудите свойства PN Junction

    Дата публикации: 14 августа 2019 г. Ответы (1)

  • Что такое PN-переход и как он образуется? (Решено)

    Что такое PN-переход и как он образуется?

    Дата публикации: 14 августа 2019 г. Ответы (1)

  • Объясните значение носителей большинства и меньшинства (решено)

    Объясните значение основных и миноритарных перевозчиков

    Дата публикации: 14 августа 2019 г.Ответы (1)

  • Каков заряд полупроводников n-типа и p-типа? (Решено)

    Сколько стоят полупроводники n-типа и p-типа?

    Дата публикации: 14 августа 2019 г. Ответы (1)

  • Объясните проводимость N-типа и P-типа (решено)

    Объясните проводимость N-типа и P-типа

    Дата публикации: 14 августа 2019 г. Ответы (1)

  • Уточнение по теме Ток в отверстии (решено)

    Уточните тему тока в отверстии

    Дата публикации: 13 августа 2019 г.Ответы (1)

  • Какое влияние оказывает температура на полупроводники? (Решено)

    Какое влияние оказывает температура на полупроводники?

    Дата публикации: 13 августа 2019 г. Ответы (1)

  • Объяснение энергетического диапазона полупроводников (решено)

    Объясните энергетический диапазон Описание полупроводников

    Дата публикации: 13 августа 2019 г. Ответы (1)

  • Какие полупроводники обычно используются? (Решено)

    Какие полупроводники обычно используются?

    Дата публикации: 13 августа 2019 г.Ответы (1)

Диод Тема: свойства диода и вольт-амперные характеристики

Предисловие

Диод — простейший биполярный полупроводниковый элемент. Первоначально мы понимали его только по его однофазной проводимости. Настоящий диод имеет очень широкий спектр применения.
Конечно, чтобы использовать его правильно, нужно изучить множество вопросов.

Диод включен и выключен

1. Диод — нелинейный элемент. Анализируя его роль в схеме, самое главное — выяснить, проводит ли диод.
2. Когда между анодом и катодом подается напряжение выше 0,7 В, он включается, в противном случае он не включается. (Конечно, в некоторых местах указано 0,6 В)

Для диодов в любой цепи:
а. Если диод не загорается — это обрыв цепи, и его можно стереть прямо в цепи.
г. Если диод включен, то он эквивалент батареи 0,7В, не более того. Как показано ниже:

Вольт-амперная характеристика диода

Зная, что батарея, эквивалентная 0,7 В при включенном диоде, может решить большинство проблем, но также необходимо знать, как выглядит фактическая вольт-амперная характеристика диода.

Рисунок a 1. Фактическая вольт-амперная характеристика диода;
2. Фактический диод начинает проводить с 0.5 В, и напряжение на диоде будет увеличиваться с увеличением тока, но изменение происходит медленно.

Рисунок b 1. В большинстве случаев мы можем рассматривать это как b-диаграмму.
2. Считается, что диод выше 0,7В проводит внезапно (в книгах тоже 0,6В), вне зависимости от тока напряжение на клеммах не меняется.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *