Вольт-амперная характеристика полупроводниковых диодов, типовые вахи

Содержание

Как работает диод

В качестве n-примесей для германия используют сурьму Sb, а в качестве p-примесей – галлий Ga. Атомы сурьмы при этом проявляют валентность, равную пяти, а атомы галлия – трем. Что это означает? При соединении с четырехвалентным германием в n-материале появляются лишние электроны, а в p-материале вакантные места для них, называемые просто дырками. На границе между p и n материалами возникает разность потенциалов, диффузионный ток и потенциальный барьер, имеющий свойства односторонней проводимости. Этот слой называют p-n переходом.

Нужно отметить, что концентрации легирующих примесей чрезвычайно малы и должны дозироваться с высокой точностью

ВАХ реального полупроводникового диода

Однако на практике, в силу своей полупроводниковой структуры, настоящий диод обладает рядом недостатков и ограничений по сравнению с идеальным диодом. Это можно увидеть на графике, приведенном ниже.

V_ϒ(гамма) — напряжение порога проводимости

При прямом включении напряжение на диоде должно достигнуть определенного порогового значения — V_ϒ . Это напряжение, при котором PN-переход в полупроводнике открывается достаточно, чтобы диод начал хорошо проводить ток. До того как напряжение между анодом и катодом достигнет этого значения, диод является очень плохим проводником. V_ϒ у кремниевых приборов примерно 0.7V, у германиевых – около 0.3V.

I_{D_MAX} — максимальный ток через диод при прямом включении

При прямом включении полупроводниковый диод способен выдержать ограниченную силу тока I_{D_MAX} . Когда ток через прибор превышает этот предел, диод перегревается. В результате разрушается кристаллическая структура полупроводника, и прибор становится непригодным. Величина данной силы тока сильно колеблется в зависимости от разных типов диодов и их производителей.

I_OP – обратный ток утечки

При обратном включении диод не является абсолютным изолятором и имеет конечное сопротивление, хоть и очень высокое. Это служит причиной образования тока утечки или обратного тока I_OP . Ток утечки у германиевых приборов достигает до 200 µА, у кремниевых до нескольких десятков nА. Самые последние высококачественные кремниевые диоды с предельно низким обратным током имеют этот показатель около 0.5 nA.

PIV(Peak Inverse Voltage) — Напряжение пробоя

При обратном включении диод способен выдерживать ограниченное напряжение – напряжение пробоя PIV . Если внешняя разность потенциалов превышает это значение, диод резко понижает свое сопротивление и превращается в проводник. Такой эффект нежелательный, так как диод должен быть хорошим проводником только при прямом включении. Величина напряжения пробоя колеблется в зависимости от разных типов диодов и их производителей.

Паразитическая емкость PN-перехода

Даже если на диод подать напряжение значительно выше V_ϒ, он не начнет мгновенно проводить ток. Причиной этому является паразитическая емкость PN перехода, на наполнение которой требуется определенное время. Это сказывается на частотных характеристиках прибора.

Устройство диодов

Об устройстве первых диодов уже говорилось. Диффузионные приборы изготавливали вплавлением капли материала n-проводимости в каплю большего размера из материал p-проводимости или наоборот. “Большая капля” часто охлаждалась теплоотводом в мощных приборах. Для защиты диода от повреждений его заключали в герметичный, по возможности теплоотводящий корпус из металла со стеклянным изолятором и вторым электродом.

Планарные диоды часто имеют совсем другую, более современную конструкцию. Это тонкий плоский кристалл на охлаждающей подложке, подвергнутый сложной фото- и химической обработке, и облученный ионами из легирующей пушки. “Фото” – это уже устарело, используют не свет, а жесткие УФ-лучи или рентген.

Принцип напоминает традиционную фотографию: засвечивание и легирование производится через шаблоны с последующими травлениями (подобными проявке для фото). Мощные диоды могут получать, соединяя параллельно несколько других. Это делает тепловую нагрузку равномерной по подложке. Фактически это та же технология, по которой производят микросхемы. Поэтому современные мощные диоды выполняют в корпусах из реактопластов с металлическими теплоотводами.

Диод Шоттки отличается от обычных кремниевых диодов

Диод Шоттки делают из кремния (Si), арсенида галлия (GaAs) и редко — на основе германия (Ge). Металл в соединении с полупроводником определяет многие параметры диода. Этим металлом, может быть, золото (Au), ралладий (Pd), платина (Pt), вольфрам (W) которые наносятся на полупроводники.

А также как и обычный диод соединение полупроводник-металл обладает односторонней проводимостью с рядом положительных, а также отрицательных качеств.

Вольт-амперная характеристика диода шоттки

Вольт-амперная характеристика диода Шоттки отличается от обычного полупроводникового большей нелинейностью.

Что дает использование соединения металл-полупроводник? Два положительных момента:

1. Очень небольшое падение напряжения на прямом переходе — 0,2-0,4 В. Для кремниевого диода «среднее» значение этого параметра — 0,7 В. Правда, малое падение напряжения имеют только приборы с небольшим напряжением пробоя — до 100 В. Для более мощных это падение только чуть ниже, чем у кремниевых.
2. Высокое быстродействие. То есть, он быстро меняет своё состояние. Переход из открытого состояния в закрытое и обратно происходит за очень короткий промежуток времени и определяется только барьерной ёмкостью. Их применяют в системах коммутации, где важна скорость реакции.

Что такое диод Шоттки и как он обозначается на схеме

Есть у них и минусы. При повышении температуры у них значительно возрастает обратный ток.

Второй недостаток — при превышении максимально допустимого обратного напряжения происходит необратимый пробой. То есть, прибор выходит из строя. Есть и ещё один минус — малое падение прямого напряжения только у диодов Шоттки с малым напряжением пробоя (до сотни вольт). У вариантов с более высоким напряжением потери сравнимы с кремниевыми.

Электрический ток в полупроводниках

К полупроводникам относят элементы четвертой группы таблицы химических элементов Д.И. Менделеева, которые имеют 4 валентных электрона. Собственная проводимость полупроводников — электронно-дырочная.

При низкой температуре все электроны участвуют в создании ковалентных связей, свободных электронов нет, и полупроводник ведет себя как диэлектрик. При повышении температуры или облучении полупроводников часть ковалентных связей разрушается, и появляются свободные электроны. На месте разрушенной связи возникает электронная вакансия — дырка. Она также перемещается по кристаллу и ведет себя подобно положительной частице.

Зависимость удельного сопротивления полупроводников от температуры и внешнего излучения показана на графике.

В полупроводниках также может осуществляться примесная проводимость.

Донорные примеси — это элементы пятой группы таблицы химических элементов Д.И. Менделеева. Только 4 из 5 валентных электрона участвуют в создании ковалентных связей. Остальные сразу становятся свободными. Полупроводник, основными носителями в котором являются отрицательные электроны, относятся к полупроводникам n-типа.

Акцепторные примеси — элементы третьей группы таблицы химических элементов Д.И. Менделеева. Три валентных электрона устанавливают ковалентные связи, а не месте четвертой появляется дырка. Полупроводник с положительными носителями относится к полупроводникам p-типа.

Применение полупроводниковых приборов

Термисторы — приборы, сопротивление которых изменяется при нагревании. Они позволяют определять малые изменения температуры.

Фоторезисторы — приборы, аналогичные термисторам, но сопротивление в них изменяется не при изменении температуры, а при изменении освещенности.

Полупроводниковый диод — соединение полупроводников двух типов. Обладает односторонней проводимостью.

Принцип функционирования диода вакуумного типа

Что такое диод — принцип работы и устройство

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.

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.

Теория

Цель работы

Ознакомиться с основными фотометрическими
величинами; ознакомиться с принципом работы
фотометра; проверить
выполнение закона Ламберта для источника света

Полупроводниковые диоды и стабилитроны

Выпрямительные диоды и стабилитроны представляют
собой полупроводниковые
приборы с одним электронно-дырочным переходом
(p–n-переходом).

Одним из свойств p–n-перехода является способность
изменять свое сопротивление в зависимости от
полярности
напряжения внешнего источника. Причем разница
сопротивлений при прямом и обратном направлениях тока
через
p–n-переход может быть
настолько велика, что в ряде случаев, например для
силовых диодов, можно считать, что
ток протекает через диод только в одном направлении –
прямом, а в обратном направлении ток настолько мал,
что им
можно пренебречь. Прямое направление – это когда
электрическое поле внешнего источника направлено
навстречу
электрическому полю p–n-
перехода, а обратное – когда направления этих
электрических полей совпадают.
Полупроводниковые диоды, использующие вентильное
свойство p–n-перехода, называются выпрямительными
диодами и
широко используются в различных устройствах для
выпрямления переменного тока.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) идеализированного
p–n-перехода описывается известным уравнением

где \(I_0\) – обратный ток p–n-перехода; \(q\) –
заряд электрона \(q=1,6\cdot 10^{-19}\ Кл\); \(k\) –
постоянная
Больцмана \(k = 1,38⋅10^{-23} Дж\cdot град\); \(T\) –
температура в градусах Кельвина.

Графическое изображение этой зависимости
представлено на рис. 1.1.

Вольт-амперная характеристика имеет явно выраженную
нелинейность, что предопределяет зависимость
сопротивления
диода от положения рабочей точки.

Различают сопротивление статическое \(R_{ст}\) и
динамическое \(R_{дин}\). Статическое сопротивление
\(R_{ст}\),
например в точке А (рис. 1.1), определяется как
отношение напряжения \(U_A\) и тока \(I_A\),
соответствующих этой точке: \(R_{ст} =
\frac{U_A}{I_A} = tg{\alpha}\)

Динамическое сопротивление определяется как отношение
приращений напряжения и тока (рис. 1.1):
\(R_{дин} = \frac{\Delta U}{\Delta I}\);

Рис. 1.1

При малых значениях отклонений \(∆U\) и \(ΔI\)
можно пренебречь нелинейностью
участка АВ характеристики и считать его гипотенузой
прямоугольного треугольника
АВС, тогда \(R_{дин} = tgβ\).

Если продолжить линейный участок прямой ветви
вольт-амперной характеристики
до пересечения с осью абсцисс, то получим точку
\(U_0\) – напряжение отсечки, которое
отделяет начальный пологий участок характеристики,
где динамическое сопротивление
\(R_{дин}\) сравнительно велико от круто
изменяющегося участка, где \(R_{дин}\) мало.

При протекании через диод прямого тока
полупроводниковая структура нагревается,
и если температура превысит при этом предельно
допустимое значение, то произойдет
разрушение кристаллической решетки полупроводника и
диод выйдет из строя. Поэтому
величина прямого тока диода ограничивается предельно
допустимым значением
\(I_{пр.max}\) при заданных условиях охлаждения.

Если увеличивать напряжение, приложенное в обратном
направлении к диоду, то
сначала обратный ток будет изменяться незначительно,
а затем при определенной величине
\(U_{проб}\) начнется его быстрое увеличение (рис.
1.2), что говорит о наступлении пробоя p–n-перехода.
Существуют несколько видов пробоя p–n-перехода в
зависимости от
концентрации примесей в полупроводнике, от ширины
p–n-перехода и температуры:

обратимый (электрический пробой);
необратимые (тепловой и поверхностный пробои).

Необратимый пробой для полупроводникового прибора
является нерабочим и недопустимым режимом.

Рис. 1.2

Поэтому в паспортных данных диода всегда
указывается предельно допустимое
обратное напряжение \(U_{проб}\) (напряжение
лавинообразования), соответствующее началу
пробоя p–n-перехода. Обратное номинальное значение
напряжения составляет обычно
\(0,5\ U_{проб}\) и определяет класс прибора по
напряжению. Так, класс 1 соответствует 100 В
обратного напряжения, класс 2 – 200 В и т. д.

В некоторых случаях этот режим пробоя используют
для получения круто нарастающего
участка ВАХ, когда малому приращению напряжения
\(∆U\) соответствует большое изменение тока
\(ΔI\) (рис. 1.2). Диоды, работающие в таком режиме,
называются
стабилитронами, т. к. в рабочем диапазоне при
изменении обратного тока от \(i_{обр. min}\) до
\(i_{обр. max}\) напряжение на диоде остается почти
неизменным, стабильным. Поэтому для
стабилитронов рабочим является участок пробоя на
обратной ветви ВАХ, а напряжение
пробоя (напряжение стабилизации) является одним из
основных параметров.

Устройство

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

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

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

Диоды

Обозначаются на схемах вот так:

Треугольная часть является АНОД’ом, а черточка это КАТОД. Анод это плюс, катод – минус. Диоды например, используют в блоках питания для выпрямления переменного тока, при помощи диодного моста можно превратить переменной ток в постоянный, применяются для защиты разных устройств от неправильной полярности включения и т. п.

Диодный мост представляет собой 4 диода, которые подключаются последовательно, причем два диода из этих четырех включены встречно, посмотрите на рисунки ниже.

Именно так и обозначается диодный мост, правда в некоторых схемах обозначают сокращенным вариантом:

Вывода ~ подключаются к трансформатору, на схеме это будет выглядеть вот так:

Диодный мост предназначен для преобразования, чаще говорят для выпрямления переменного тока в постоянный. Такое выпрямление называется двухполупериодным. Принцип работы диодного моста заключается в пропускании положительной полуволны переменного напряжения положительными диодами и обрезании отрицательной полуволны отрицательными диодами. Поэтому на выходе выпрямителя образуется немного пульсирующее положительное напряжение с постоянной величиной.

Для того, чтобы этих пульсаций не было, ставят электролитические конденсаторы. после добавления конденсатора напряжение немного увеличивается, но отвлекаться не будем, про конденсаторы можете почитать здесь.

Диодные мосты применяют для питания радиоаппаратуры, применяются в блоках питания и зарядных устройствах. Как уже говорил, диодный мост можно составить из четырех одинаковых диодов, но продаются и готовые диодные мосты, выглядят они вот так:

Это интересно: Как провести расчёт веса и определить конституцию человека: объясняем обстоятельно

Типы стандартных выпрямителей

Существуют различные силовые выпрямительные полупроводниковые диоды в зависимости от типа монтажа, материала, формы, количества диодов, уровня пропускаемого тока. Самыми распространенными считаются:

Устройства средней силы, которые могут передавать ток силы от 1 до 6 Ампер. При этом технические параметры большинства приборов говорят, что такие диоды могут изменить ток с напряжение до 1,3 килоВольт;
Выпрямительные диоды максимальной серии могут пропускать ток от 10 Ампер до 400, в основном они применяются как сверхбыстрые преобразователи, для контроля промышленной сферы деятельности. Эти устройства называются также высоковольтные;
Низкочастотные диоды или маломощные.

Перед тем, как купить какие либо устройств данного типа, очень важно правильно подобрать основные параметры выпрямительных диодов. К ним относятся: характеристики ВАХ (максимальный обратный ток, максимальный пиковый ток), максимальное обратное напряжение, прямое напряжение, материал корпуса и средняя сила выпрямленного тока. Мы предоставляем таблицу, где Вы сможете в зависимости от своих потребностей, осуществить выбор типа диода

Указанные технические характеристики могут изменяться по требованию производителя, поэтому перед покупкой уточняйте информацию продавца

Мы предоставляем таблицу, где Вы сможете в зависимости от своих потребностей, осуществить выбор типа диода. Указанные технические характеристики могут изменяться по требованию производителя, поэтому перед покупкой уточняйте информацию продавца.

Фото — Таблица низкочастотных диодов

Импортные (зарубежные) выпрямительные диоды (типа КВРС, SMD):

Фото — Таблица импортных диодов

Данные про силовые или высокочастотные диоды:

Фото — Силовые диоды

Выпрямительные схемы включения также бывают разные. Они могут быть однофазными (например, автомобильные и лавинные диоды) или многофазными (трехфазные считаются самыми популярными). Большинство выпрямители малой мощности для отечественного оборудования однофазны, но трехфазный очень важен для промышленного оборудования. Для генератора, трансформатора, станочных приспособлений.

Но при этом, для неконтролируемого мостового трехфазного выпрямителя используются шесть диодов. Поэтому его часто называют шестидиодным выпрямительным прибором. Мосты считаются импульсными и способны нормализовать и выпрямить даже нестабильный ток.

Для маломощных аппаратов (зарядного устройства) двойные диоды, соединенные последовательно с анодом первого диода, также соединены с катодом второго, а изготовлены в едином корпусе. Некоторые имеющиеся в продаже двойные диоды имеют в доступе все четыре терминала, которые можно настроить по своим потребностям.

Фото — Выпрямительный диод средней мощности

Для более высокой мощности одним дискретным устройством обычно используется каждый из шести диодов моста. Его можно применять как для поверхностного оборудования, так и для контроля более сложных приспособлений. Нередко шестидиодные мосты используют ограничительные схемы.

Видео: Принцип работы диодов

Электрические параметры

У каждого типа диодов есть свои рабочие и предельно допустимые параметры, согласно которым их выбирают для работы в той или иной схеме:

Iобр – постоянный обратный ток, мкА;
Uпр – постоянное прямое напряжение, В;
Iпр max – максимально допустимый прямой ток, А;
Uобр max – максимально допустимое обратное напряжение, В;
Р max – максимально допустимая мощность, рассеиваемая на диоде;
Рабочая частота, кГц;
Рабочая температура, С.

Здесь приведены далеко не все параметры диодов, но, как правило, если надо найти замену, то этих параметров хватает.

Схема простого выпрямителя переменного тока на одном диоде

На вход выпрямителя подадим сетевое переменное напряжение, в котором положительные полупериоды выделены красным цветом, а отрицательные – синим. К выходу выпрямителя подключим нагрузку (Rн), а функцию выпрямляющего элемента будет выполнять диод (VD). При положительных полупериодах напряжения, поступающих на анод диода диод открывается. В эти моменты времени через диод, а значит, и через нагрузку (Rн), питающуюся от выпрямителя, течет прямой ток диода Iпр (на правом графике волна полупериода показана красным цветом).

При отрицательных полупериодах напряжения, поступающих на анод диода диод закрывается, и во всей цепи будет протекать незначительный обратный ток диода (Iобр). Здесь, диод как бы отсекает отрицательную полуволну переменного тока (на правом графике такая полуволна показана синей пунктирной линией).

В итоге получается, что через нагрузку (Rн), подключенную к сети через диод (VD), течет уже не переменный, поскольку этот ток протекает только в положительные полупериоды, а пульсирующий ток – ток одного направления. Это и есть выпрямление переменного тока. Но таким напряжением можно питать лишь маломощную нагрузку, питающуюся от сети переменного тока и не предъявляющую к питанию особых требований, например, лампу накаливания.

Будет интересно Диод 1n4007: характеристики, маркировка и datasheets

https://youtube.com/watch?v=Wx5gthJQQK8

Напряжение через лампу будет проходить только во время положительных полуволн (импульсов), поэтому лампа будет слабо мерцать с частотой 50 Гц. Однако, за счет тепловой инертности нить не будет успевать остывать в промежутках между импульсами, и поэтому мерцание будет слабо заметным. Если же запитать таким напряжением приемник или усилитель мощности, то в громкоговорителе или колонках мы будем слышать гул низкого тона с частотой 50 Гц, называемый фоном переменного тока. Это будет происходить потому, что пульсирующий ток, проходя через нагрузку, создает в ней пульсирующее напряжение, которое и является источником фона.

Этот недостаток можно частично устранить, если параллельно нагрузке подключить фильтрующий электролитический конденсатор (Cф) большой емкости. Заряжаясь импульсами тока во время положительных полупериодов, конденсатор (Cф) во время отрицательных полупериодов разряжается через нагрузку (Rн). Если конденсатор будет достаточно большой емкости, то за время между импульсами тока он не будет успевать полностью разряжаться, а значит, на нагрузке (Rн) будет непрерывно поддерживаться ток как во время положительных, так и во время отрицательных полупериодов. Ток, поддерживаемый за счет зарядки конденсатора, показан на правом графике сплошной волнистой красной линией.

Силовой выпрямительный диод.

Но и таким, несколько сглаженным током тоже нельзя питать приемник или усилитель потому, что они будут «фонить», так как уровень пульсаций (Uпульс) пока еще очень ощутим. В выпрямителе, с работой которого мы познакомились, полезно используется энергия только половины волн переменного тока, поэтому на нем теряется больше половины входного напряжения и потому такое выпрямление переменного тока называют однополупериодным, а выпрямители – однополупериодными выпрямителями. Эти недостатки устранены в выпрямителях с использованием диодного моста.

ВАХ для шотки

Одним из наиболее распространенных диодов на сегодняшний день является шоттки. Этот полупроводник был назван в честь физика из Германии Вальтера Шоттки. Для шоттки вольт-амперная характеристика будет иметь следующий вид.

Как видим, для шоттки характерно малое падение напряжения в ситуации прямого подключения. Сам график носит явный ассиметричный характер. В зоне прямых смещений наблюдается экспоненциальное увеличение тока и напряжения. При обратном и прямом смещении для данного элемента ток в барьере обусловлен электронами. В результате этого такие элементы характеризуется быстрым действием, поскольку у нет диффузных и рекомбинационных процессов. При этом несимметричность ВАХ будет типичной для структур барьерного типа. Здесь зависимость тока от напряжения определена изменением количества носителей, которые берут участие в зарядопереносных процессах.

Вольт амперная характеристика тока в разных средах