Сопротивление диода

Конструкция диода

Одна из возможных конструкций диода показана ниже:

Рассмотрим одну из возможных конструкций прибора. Кристалл полупроводника 1 (например, с электронной проводимостью) размещен на металлической основе 3. На верхней части кристалла размещена примесь 2 (например индий), который обеспечивает наличие дырочной проводимости. Кристалл закрыт корпусом 4 во избежание различных механических повреждений p-n перехода.

С индиевой наплавки сделан изолированный вывод через стеклянный изолятор 5 – это анод прибора. Выводом же катода будет металлический корпус 3, которая также обеспечивает отвод тепла при работе устройства, чем защищает его от теплового пробоя и перегрева.

В свою очередь полупроводниковые элементы делят на:

  • Малая мощность – ток до 0,3 А;
  • Средняя – от 0,3 до 10 А;
  • Мощные – от 10 А;

Конструкция диода

Одна из возможных конструкций диода показана ниже:

Рассмотрим одну из возможных конструкций прибора. Кристалл полупроводника 1 (например, с электронной проводимостью) размещен на металлической основе 3. На верхней части кристалла размещена примесь 2 (например индий), который обеспечивает наличие дырочной проводимости. Кристалл закрыт корпусом 4 во избежание различных механических повреждений p-n перехода.

С индиевой наплавки сделан изолированный вывод через стеклянный изолятор 5 – это анод прибора. Выводом же катода будет металлический корпус 3, которая также обеспечивает отвод тепла при работе устройства, чем защищает его от теплового пробоя и перегрева.

В свою очередь полупроводниковые элементы делят на:

  • Малая мощность – ток до 0,3 А;
  • Средняя – от 0,3 до 10 А;
  • Мощные – от 10 А;

Использование

Полупроводниковый диод, двухэлектродный электронный прибор на основе полупроводникового (ПП) кристалла. Понятие «П. д.» объединяет различные приборы с разными принципами действия, имеющие разнообразное назначение. Система классификации П. д. соответствует общей системе классификации полупроводниковых приборов. В наиболее распространённом классе электропреобразовательных П. д. различают: выпрямительные диоды, импульсные диоды, стабилитроны, диоды СВЧ (в т. ч. видеодетекторы, смесительные, параметрические, усилительные и генераторные, умножительные, переключательные). Среди оптоэлектронных П. д. выделяют фотодиоды, светоизлучающие диоды и ПП квантовые генераторы.

Наиболее многочисленны П. д., действие которых основано на использовании свойств электронно-дырочного перехода (р—n-перехода). Если к р—n-переходу диода (рис. 1) приложить напряжение в прямом направлении (т. н. прямое смещение), т. е. подать на его р-область положительный потенциал, то потенциальный барьер, соответствующий переходу, понижается и начинается интенсивная инжекция дырок из р-области в n-область и электронов из n-области в р-область — течёт большой прямой ток (рис. 2). Если приложить напряжение в обратном направлении (обратное смещение), то потенциальный барьер повышается и через р—n-переход протекает лишь очень малый ток неосновных носителей заряда (обратный ток). На рис. 3 приведена эквивалентная схема такого П. д.

На резкой несимметричности вольтамперной характеристики (ВАХ) основана работа выпрямительных (силовых) диодов. Для выпрямительных устройств и др. сильноточных электрических цепей выпускаются выпрямительные П. д., имеющие допустимый выпрямленный ток Iв до 300 а и максимальное допустимое обратное напряжение U*обр от 20—30 в до 1—2 кв. П. д. аналогичного применения для слаботочных цепей имеют Iв < 0,1 а и называются универсальными.

При напряжениях, превышающих U*o6p, ток резко возрастает, и возникает необратимый (тепловой) пробой р—n-перехода, приводящий к выходу П. д. из строя. С целью повышения U*обр до нескольких десятков кв используют выпрямительные столбы, в которых несколько одинаковых выпрямительных П. д. соединены последовательно и смонтированы в общем пластмассовом корпусе. Инерционность выпрямительных диодов, обусловленная тем, что время жизни инжектированных дырок составляет > 10-5—10-4 сек, ограничивает частотный предел их применения (обычно областью частот 50—2000 гц). Использование специальных технологических приёмов (главным образом легирование германия и кремния золотом) позволило снизить время переключения до 10-7—10-10 сек и создать быстродействующие импульсные П. д., используемые, наряду с диодными матрицами, главным образом в слаботочных сигнальных цепях ЭВМ.

Будет интересно Несколько фактов о лазерном диоде

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.

2 Задание к работе

2.1 Исследовать вольтамперные характеристики (ВАХ) диодов в прямом включении

2.1.1 С помощью соединительных проводников собрать схему для исследования ВАХ диодов в прямом включении (рисунок 1).

Рисунок 1 – Схема исследования ВАХ диодов в прямом включении.

Рисунок 2 – Вид собранной на стенде схемы.

2.1.2 Установить диапазон регулирования источника Е1 0..1 В. Выбрать на графике по вертикальной оси mА1, диапазон установит 0..10 мА. Выбрать на графике по горизонтальной оси V1, диапазон 0..1 В.

2.1.3 Снять вольтамперные характеристики германиевого и кремниевого диодов при прямом включении. Для этого плавно поворачивать ручку управления источника E1 по часовой стрелке до тех пор пока ток мА1 не достигнет 10 мА. Обе характеристики должны быть построены на одном графике. Для этого после снятия первой характеристики необходимо нажать кнопку сброса источника E1, вставить следующий диод и повторить измерение характеристики. При необходимости следует увеличить диапазон регулирования источника E1 до 0..2 В.

Рисунок 3 – ВАХ кремниевого и германиевого диодов. Образец.

2.1.4 Сохранить график в заранее подготовленную папку с помощью кнопки для дальнейшей вставки его в отчет.

2.2 Исследовать ВАХ диода при обратном включении

2.2.1 Собрать схему для исследования ВАХ диода при обратном включении (рисунок 4).

Рисунок 4 – Схема исследования ВАХ диодов в обратном включении.

Рисунок 5 – Вид собранной на стенде схемы.

2.2.2 Установить диапазон регулирования источника Е1 -10..0В. Выбрать на графике по вертикальной оси mА1, диапазон установить: нижняя граница графика -0,1 mА, верхняя граница 0 mA. Переключить измерительный шунт амперметра mA1 для измерения малого тока, для этого следует нажать на кнопку , расположенную рядом со стрелочным индикатором mA1. Выбрать по горизонтальной оси V1, установить диапазон: левая граница -10В, правая граница 0В.

2.2.3 Снять вольтамперные характеристики германиевого диода в обратном включении при комнатной и повышенной температурах. Для этого плавно поворачивать ручку управления источника E1 против часовой стрелки до тех пор, пока напряжение V1 не достигнет -10В. Повышения температуры можно добиться прикосновением пальцев руки к корпусу диода на несколько секунд. Обе характеристики должны быть построены на одном графике (аналогично пункту 2.1.3).

2.2.4 Сохранить график.

Рисунок 6 – ВАХ диода в обратном включении. Образец.

2.3 Исследовать вольтамперную характеристику стабилитрона при обратном включении

2.3.1 Собрать схему для исследования ВАХ диода при обратном включении, как показано на рисунке 4, установить стабилитрон.

2.3.2 Установить диапазон регулирования источника Е1 -10..0 В. Выбрать на графике по вертикальной оси mА1, диапазон установить: нижняя граница графика -10 мА, верхняя граница 0 мА. Переключить измерительный шунт амперметра mA1 для измерения большого тока, для этого нажать на кнопку . Выбрать по горизонтальной оси V1, установить диапазон: левая граница -10 В, правая граница 0 В.

2.3.3 Снять ВАХ стабилитрона при обратном включении. Для этого плавно поворачивать ручку управления источника E1 против часовой стрелки, до тех пор пока ток мА1 не достигнет -10 мА. На графике должен быть четко виден пробой стабилитрона.

2.3.4 Сохранить график.

Рисунок 7 – ВАХ стабилитрона. Образец.

2.4 Исследовать однополупериодный выпрямитель

2.4.1 Собрать схему исследования однополупериодного выпрямителя (рисунок 8).

Рисунок 8 – Схема исследования однополупериодного выпрямителя.

Рисунок 9 – Вид собранной на стенде схемы.

Установить графопостроитель в режим временных характеристик. Выбрать для верхнего графика прибор V1, а для нижнего V2. Диапазон установить -10..10 В. установить амплитуду источника E1, постоянную составляющую 0 В. После получения осциллограммы остановить процесс измерения нажав кнопку . Сохранить осциллограмму.

Повторить пункт 2.4.2, изменив полярность включения диода. Сохранить осциллограмму.

Рисунок 10 – Осциллограмма выпрямителя. Прямая полярность диода.

Рисунок 11 – Осциллограмма выпрямителя. Обратная полярность диода.

Обратный ток — сетка

Семейства анодных и сеточно-анодных характеристик триода.

Обратный ток сетки может возникнуть также за счет эмиссии электронов с поверхности витков сетки. Величина этого тока зависит от степени загрязнения витков сетки испарившимся материалом катода и прогрева сетки излучением катода. Для устранения этих причин стараются улучшить теплоотвод от сетки, применяя массивные элементы крепления; проволоку витков сетки покрывают золотом, что способствует диффузии осаждающихся на сетке атомов в глубину слоя покрытия и уменьшению эмиссии с ее витков.

Характеристики триода ( я и движение электронов и ионов при недостаточном.

Обратный ток сетки в мощных лампах не превосходит единиц микроампер, а в маломощных лампах — десятых долей микроампера.

Принципиальные электрические схемы измерения напряжения отсечки сеточного тока. а — измерение прямого электронного тока. 6 — измерение в рабочем режиме.

Обратный ток сетки, как уже говорилось, влияет на входное и проходное сопротивление лампы. Кроме того, протекая по сеточной цепи, он создает нежелательные падения напряжения, которые нарушают режим работы лампы и могут даже вывести ее из строя.

Семейства анодных и сеточно-анодных характеристик триода.

Обратный ток сетки может возникнуть также за счет эмиссии электронов с поверхности витков сетки. Величина этого тока зависит от степени загрязнения витков сетки испарившимся материалом катода и прогрева сетки излучением катода. Для устранения этих причин стараются улучшить теплоотвод от сетки, применяя массивные элементы крепления; проволоку витков сетки покрывают золотом, что способствует диффузии осаждающихся на сетке атомов в глубину слоя покрытия и уменьшению эмиссии с ее витков.

Обратный ток сетки может возникнуть также за счет эмиссии электронов с поверхности ее витков. Для уменьшения этого явления стараются улучшить теплоотвод сетки за счет массивных элементов ее крепления, а проволоку, из которой изготовляется сетка, иногда золотят, что способствует диффузии атомов осаждающегося на сетке бария в глубину слоя покрытия.

Траектории электронов в триоде с положительным сеточным напряжением н небольшим положительным анодным напряжением.| Семейства характеристик триода. Обмен вторичными электронами между сеткой и анодом пренебрежимо мал. Ус 0.

Обратный ток сетки определяет максимально допустимую величину сопротивления утечки сетки ( гридлик) RC. В ином случае в процессе работы может иметь место неконтролируемое блуждание рабочей точки. Такого порядка бывают максимально допустимые величины Rc в схемах с приемными лампами.

Составляющие тока сетки первой.

Обратным током сетки принято называть ток, протекающий в направлении, обратном прямому.

Одной из причин возникновения обратного тока сетки является ионизация остаточного газа, которая всегда имеет место при высоких ускоряющих напряжениях анода. Положительные ионы, образующиеся в междуэлектродном пространстве, устремляются в сторону отрицательно заряженных электродов, в том числе на сетку.

Верхняя граница сопротивления Rg определяется обратным током сетки.

Последовательное и параллельное соединения диодов.

Если для выпрямительной схемы нельзя выбрать нужный тип диода в соответствии с заданным значением обратного напряжения или прямого тока, то используют два или более однотипных диодов с меньшими значениями параметров, включая эти диоды последовательно или параллельно.

Параллельное соединение диодов

Параллельное соединение диодов

При параллельном соединении диодов из-за возможного разброса параметров их токи будут неодинаковыми. Один из этих токов может превысить максимально допустимое значение, что приведёт к выходу из строя сначала одного, а затем и другого диода. Более равномерное распределения тока между параллельно соединёнными диодами достигается включением последовательно с каждым из них одинаковых по номиналу резисторов Rд. Сопротивление резисторов Rд должно быть в 5…10 раз больше, чем сопротивление диода в прямом направлении. В мощных выпрямительных устройствах для этой же цели используются индуктивные выравниватели токов.

Расчёт параллельного соединения диодов

Для начала расчёта необходимо определить требуемое количество параллельно соединённых диодов, исходя из того, что ток, проходящий через один диод не должен превышать значения максимально допустимого значения тока для данного типа диода, тогда количество параллельно соединённых диодов будет равно

, где

mTnp

При дробных значениях расчётного количества диодов округление ведётся в большую сторону.

Значение сопротивления добавочных резисторов определяется по формуле


, где

np.cp

Расчитаное сопротивление добавочных резисторов округляют до ближайшего стандартного сопротивления.

Пример расчёта параллельного соединения диодов

Рассчитать выпрямительную цепь, позволяющую получить выпрямленный ток Iвыпр = 550 мА, если используются диоды Д226Б.

Так как средний прямой ток диода Д226Б Iпр. ср = 300 мА, то необходимо применить несколько параллельно соединённых диодов с добавочными резисторами. Рассчитаем количество параллельно соединённых диодов, примем kT = 0,8

Возьмём n = 3.

Найдём значение сопротивлений добавочных резисторов

Выберем резистор из стандартного ряда сопротивлений Е24 (± 5%) Rдоб = 6,2 Ом

Последовательное соединение диодов

Последовательное соединение диодов

Для обеспечения возможности работы выбранного типа диода в схеме выпрямителя с обратным напряжением, превышающим его максимально допустимое значение, следует соединять однотипные диоды последовательно. Если параметры не совпадают, то один из диодов оказывается под значительно большим напряжением, чем другой. Это может привести к пробою одного, а затем и другого диода. Выравнивание обратного напряжения на последовательно соединенных диодах достигается шунтированием каждого из диодов резистором Rш. Ток, протекающий через эти резисторы, должен быть в 5…10 раз больше максимально возможного обратного тока диодов. В мощных высоковольтных выпрямительных устройствах для этой же цели диоды шунтируют конденсаторами Сш или RC-цепью.

Расчёт последовательного соединения диодов

Для начала расчёта необходимо определить количество последовательно соединенных диодов, исходя из того что падение напряжения на каждом отдельно взятом диоде не должно превышать амплитудного значения напряжения, тогда количество последовательно включённых диодов будет равно


, где

Um — амплитудное значение напряжения проходящее через диод,
kH – коэффициент нагрузки по напряжению (может принимать значения от 0,5 до 0,8),
Uobp max — максимально допустимое обратное напряжение диода.

При дробных значениях расчётного количества диодов округление ведётся в большую сторону.

Значение сопротивлений шунтирующих резисторов определяется по формуле


, где

Iобp max — максимально допустимый обратный ток диода при максимальной температуре.

Пример расчёта последовательного соединения диодов

Рассчитать выпрямительную цепь для напряжения с амплитудным значением 700В, используя диоды Д226Б.

Так как максимально допустимое обратное напряжение диода Uобр.max = 300В, то для выпрямления необходимо применить цепочку из последовательно соединённых диодов с шунтирующими резисторами. Рассчитаем количество последовательных диодов, примем kH = 0,7

Возьмём n = 4

Найдём значение сопротивлений шунтирующих резисторов

Выберем резистор из стандартного ряда сопротивлений Е24 (± 5%) Rш = 1 MОм

Включение дополнительных и шунтирующих резисторов неизбежно связано с увеличением потерь мощности и уменьшением КПД выпрямительной схемы.

Проверка диодов мультиметром

И для любителей, и для профессионалов электроники очень важным умением является способность определить полярность (где катод, а где анод) и работоспособность диода. Так как мы знаем, что диод, по сути, является не более, чем односторонним клапаном для электричества, то вероятно, мы можем проверить его однонаправленный характер с помощью омметра, измеряющего сопротивление по постоянному току (питающегося от батареи), как показано на рисунке ниже. При подключении диода одним способом мультиметр должен показать очень низкое сопротивление на рисунке (a). При подключении диода другим способом мультиметр должен показать очень большое сопротивление на рисунке (b) (некоторые модели цифровых мультиметров в этом случае показывают «OL»).


Определение полярности диода: (a) Низкое сопротивление указывает на прямое смещение, черный щуп подключен к катоду, а красный – к аноду. (b) Перемена щупов местами показывает высокое сопротивление, указывающее на обратное смещение.

Конечно, чтобы определить, какое вывод диода является катодом, а какой – анодом, вы должны точно знать, какой вывод мультиметра является положительным (+), а какой – отрицательным (-), когда на нем выбран режим «сопротивление» или «Ω». В большинстве цифровых мультиметров, которые я видел, красный вывод используется, как положительный, а черный, как отрицательный, в соответствии с соглашением о цветовой маркировке электроники.

Одна из проблем использования омметра для проверки диода заключается в том, что мы имеем только качественное значение, а не количественное. Другими словами, омметр говорит вам, только в каком направлении диод проводит ток; полученное при измерении низкое значение сопротивления бесполезно. Если омметр показывает значение «1,73 ома» при прямом смещении диода, то число 1,7 Ом не представляет для нас, как для техников или разработчиков схем, никакой реально полезной количественной оценки. Оно не представляет собой ни прямое падение напряжения, ни величину сопротивления материала полупроводника самого диода; это число скорее зависит от обеих величин и будет изменяться в зависимости от конкретного омметра, используемого для измерения.

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.

Вольтамперные характеристики (идеальная и реальная)

Зависимость тока в диодном элементе от подаваемого на полюсы напряжения определяется, прежде всего, тем материалом, из которого он изготавливается. Помимо этого, на форму ВАХ влияют некоторые параметра полупроводникового перехода.

Идеальная характеристика

Так, идеальный образец изделий этого класса должен располагать следующими показателями:

  • Сопротивление перехода в прямом включении изделия – ноль Ом;
  • Разница потенциалов, образующаяся вследствие тепловых колебаний энергоносителей, – не более 0,1 Вольта;
  • Дифференциальное сопротивление прямой ветви ВАХ должно превышать тот же показатель для обратной её части во много раз.

При соблюдении всех этих «идеальных» условий должен получиться график, приведенный на размещённом ниже рисунке.

ВАХ идеального диода

Особенности характеристик диодных изделий позволяют использовать их во многих отраслях электронной промышленности, включая лазерную индустрию, цифровую электронику и производство медицинского оборудования.

Реальная ВАХ

На практике параметры конкретных полупроводниковых элементов существенно отличаются от тех, что для удобства описания принимаются за идеальные. Большинство промышленных диодов не способно обеспечить повторение этих характеристик, что в практическом плане и не всегда требуется.

Реальная ВАХ полупроводникового диода выбранного типа указывает на то, что у него существуют значительные отклонения как по параметрам тока, так и по крутизне преобразования (по динамическому сопротивлению). Вследствие этого прибор типа «диод» способен выдерживать строго ограниченные нагрузки, которые, как правило, выражаются следующими его предельными показателями:

  • Максимальный прямой выпрямленный ток;
  • Ток обратной утечки;
  • Максимальное прямое и обратное напряжение;
  • Падение потенциала на p-n переходе (рабочий параметр);
  • Предельная рабочая частота обрабатываемого сигнала (в Герцах).

Относительно последнего параметра типового элемента необходимо отметить, что в соответствие с его значением все диоды делятся на низкочастотные (НЧ), среднечастотные (СЧ) и высокочастотные (ВЧ).

Обратите внимание! У самых высокочастотных образцов современных импульсных изделий этот показатель может доходить до сотен мегагерц. Для каждого отдельного образца изделия приведённые выше показатели принимают вполне конкретные значения, которые могут изменяться в очень широких пределах

Так, для выбранной модели полупроводника (КД202, например), они имеют следующий ряд чётко определённых значений:

Для каждого отдельного образца изделия приведённые выше показатели принимают вполне конкретные значения, которые могут изменяться в очень широких пределах. Так, для выбранной модели полупроводника (КД202, например), они имеют следующий ряд чётко определённых значений:

  • Iпр = 5 Ампер;
  • Iобр = 1000 микроампер;
  • Uпр = 0,5 Вольт;
  • Uобр = 50-600 Вольт (в зависимости от буквы, стоящей на конце обозначения);
  • F макс = 5 Килогерц.

Важно! При превышении предельных значений указанных показателей данный прибор со стопроцентной гарантией выходит из строя (такие параметры называются током и напряжением пробоя). В завершающей части обзора отметим, что по приведённым выше параметрам одни изделия могут существенно отличаться от других, что также относится и к конструкции их корпуса

Со всем многообразием существующих диодных приборов и их рабочими характеристиками можно ознакомиться в специальной технической литературе и в соответствующих справочниках

В завершающей части обзора отметим, что по приведённым выше параметрам одни изделия могут существенно отличаться от других, что также относится и к конструкции их корпуса. Со всем многообразием существующих диодных приборов и их рабочими характеристиками можно ознакомиться в специальной технической литературе и в соответствующих справочниках.