График вольт амперной характеристики полупроводникового диода. Вольт-амперная характеристика диода. I OP – обратный ток утечки

Полупроводниковый диод — это полупроводниковый прибор с одним p-n переходом и с двумя электродами. Принцип действия полупроводникового диода основан на явлении p-n перехода, поэтому для дальнейшего изучения любых полупроводниковых приборов нужно знать как работает .

Выпрямительный диод (также называют вентилем) — это разновидность полупроводникового диода который служит для преобразования переменного тока в постоянный.

У диода есть два вывода (электрода) анод и катод. Анод присоединён к p слою, катод к n слою. Когда на анод подаётся плюс, а на анод минус (прямое включение диода) диод пропускает ток. Если на анод подать минус, а на катод плюс (обратное включение диода) тока через диода не будет это видно из вольт амперной характеристики диода. Поэтому когда на вход выпрямительного диода поступает переменное напряжение через него проходит только одна полуволна.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода.

Вольт-амперная характеристика диода показана на рис. I. 2. В первом квадранте показана прямая ветвь характеристики, описывающая состояние высокой проводимости диода при приложенном к нему прямом напряжении, которая линеаризуется кусочно-линей­ной функцией

u = U 0 +R Д i

где: u — напряжение на вентиле при прохождении тока i; U 0 — пороговое напряжение; R д — динамическое сопротивление.

В третьем квадранте находится обратная ветвь вольт-амперной характеристики, описывающая состояние низкой проводимости при проложенном к диоду обратном напряжении. В состоянии низкой проводимости ток через полупроводниковую структуру практически не протекает. Однако это справедливо только до определённого значения обратного напряжения. При обратном напряжении, когда напряженность электрического поля в p-n переходе достигает порядка 10 s В/см, это поле может сообщить подвижным носителям заряда - электронам и дыркам, постоянно возникающим во всем объеме полупроводниковой структуры в результате термической генерации,- кинетическую энергию, достаточную для ионизации нейтральных атомов кремния. Образовавшиеся дырки и электроны проводимости, в свою очередь, ускоряются электрическим полем p-n перехода и также ионизируют нейтральные атомы кремния. При этом происходит лавинообразное нарастание обратного тока, .т. е. лавинный пробои.

Напряжение, при котором происходит резкое повышение обратного тока, называется напряжением пробоя U 3 .

Выпрямительные ПП диоды. Особенности конструкции. ВАХ. Основные параметры.

Уравнения коллекторных токов для схем включения ОБ и ОЭ.

Коэффициенты передачи тока, их соотношения.

1. Выпрямительные ПП диоды.

Выпрямительный диод предназначен для преобразования переменного напряжения в постоянное. Идеальный выпрямитель должен при одной полярности ток пропускать, при другой полярности не пропускать. Свойства полупроводникового диода близки к свойствам идеального выпрямителя, поскольку его сопротивление в прямом направлении на несколько порядков отличается от сопротивления в обратном. К основным недостаткам полупроводникового диода следует отнести: при прямом смещении -наличие области малых токов на начальном участке и конечного сопротивления rs ; при обратном - наличие пробоя.

Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока низкой частоты (менее 50 кГц).

Особенности конструкции.

По уровню рассеиваемой мощности различают диоды:

малой мощности (выпрямленный ток не более 300 мА);

средней мощности (выпрямленный ток от 400 мА до 10 А);

большой мощности (выпрямленный ток более 10 А);

По конструкции - точечные, плоскостные.

Применяемые полупроводниковые материалы: германий, кремний, селен, титан.

По способу изготовления : сплавные, диффузионные (рисунок 1).

Рис. 1. Структуры выпрямительных диодов.

Рисунок 2. Примеры конструкции диода.

На рисунке 2 показаны примеры конструкций диодов с различным сопротивлением: (слева-1,2-малой мощности) Rт = (100-200) °/Вт,
(справа-3-средней мощности) Rт = 1-10°/Вт.

Вольт-амперная характеристика выпрямительного диода.

Рисунок 3. ВАХ выпрямительного диода.

При электротехническом анализе схем с диодами отдельные ветви ВАХ представляют в виде прямых линий, что позволяет представить диод в виде различных эквивалентных схем. Выбор той или иной схемы замещения диода определяется конкретными условиями анализа и расчета устройства, включающего диоды.

Рисунок 4.1.

Рисунок 4.2.

Работа диода на активную нагрузку представлена на рисунке 4.1. Ток через диод описывается его вольтамперной характеристикой iд = f(uд) , ток через нагрузочное сопротивление, поскольку соединение последовательное, будет равен току через диод iд = iн = i и для него справедливо соотношение iн = (u(t) - uд)/Rн. На рисунке 4.2 в одном масштабе показаны линии, описывающие обе эти функциональные зависимости: ВАХ диода и нагрузочную характеристику.

Рисунок 4.3.

На рисунке 4.3 показано, что, чем круче характеристика диода и чем меньше зона малых токов ("пятка"), тем лучше выпрямительные свойства диода. Заход рабочей точки в предпробойную область приводит не только к выделению в диоде большой мощности и возможному его разрушению, но и к потере выпрямительных свойств.

Основными параметрами , характеризующими выпрямительные диоды, являются

Максимальный прямой ток I пр max (0.01…10 А);

Падение напряжения на диоде при заданном значении прямого тока I пр

(U пр » 0.3...0,7 В для германиевых диодов и U пр » 0,8...1,2 В -для кремниевых);

Максимально допустимое постоянное обратное напряжение диода U обр max ;

Обратный ток I обр при заданном обратном напряжении U обр (значение обратного тока германиевых диодов на два -три порядка больше, чем у кремниевых) (0.005…150 мА).;

Барьерная емкость диода при подаче на него обратного напряжения некоторой величины;

Диапазон частот, в котором возможна работа диода без существенного снижения выпрямленного тока;

Рабочий диапазон температур (германиевые диоды работают в диапазоне

60...+70°С, кремниевые - в диапазоне -60...+150°С, что объясняется малыми обратными токами кремниевых диодов).

2. Уравнения коллекторных токов.

Для схемы включения с ОБ.

Выражение для идеализированной выходной характеристики в активном режиме имеет вид:

i К =α · i Э + I КБ0 .

Для схемы включения с ОЭ.

Выражение для идеализированной выходной характеристики в активном режиме имеет вид:

i К =  · i Б + I КЭ0 .

Если разорвать цепь эмиттера, то под действием обратного напряжения на коллекторе через коллекторный переход из коллектора в базу будет протекать обратный ток I КБ0 . Его величина приводится в справочных данных транзистора.

I КЭ0 =α·I КБ0 - называется сквозным тепловым током транзистора.

Схема с общим эмиттером (ОЭ).

Такая схема изображена на рисунке 5.

Рис. 5. Схема включения транзистора с общим эмиттером

Усилительные свойства транзистора характеризует один из главных его параметров - статический коэффициент передачи тока базы или статический коэффициент усиления по току β . Поскольку он должен характеризовать только сам транзистор, его определяют в режиме без нагрузки (R к = 0).

Численно он равен:

при U к-э = const

Этот коэффициент бывает равен десяткам или сотням, но реальный коэффициент k i всегда меньше, чем β, т. к. при включении нагрузки ток коллектора уменьшается.

Схема с общей базой (ОБ) .

Схема ОБ изображена на рисунке 6.

Рис. 6. Схема включения транзистора с общей базой.

Статический коэффициент передачи тока для схемы ОБ обозначается α и определяется:

при U к-б = const

Этот коэффициент всегда меньше 1 и чем он ближе к 1, тем лучше транзистор.

Соотношения для коэффициентов передачи по току для схем ОБ и ОЭ имеют вид:

K iб = i к /i э = α, K iэ = i к /i б = α./(1- α.)

Коэффициент α > 1 и составляет 49 - 200.

Что такое идеальный диод?

Основная задача обычного выпрямительного диода – проводить электрический ток в одном направлении, и не пропускать его в обратном . Следовательно, идеальный диод должен быть очень хорошим проводником с нулевым сопротивлением при прямом подключении напряжения (плюс — к аноду, минус — к катоду), и абсолютным изолятором с бесконечным сопротивлением при обратном.

Вот так это выглядит на графике:

Такая модель диода используется в случаях, когда важна только логическая функция прибора. Например, в цифровой электронике.

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.

В большинстве случаев, для расчетов в электронных схемах, не используют точную модель диода со всеми его характеристиками. Нелинейность этой функции слишком усложняет задачу. Предпочитают использовать, так называемые, приближенные модели.

Приближенная модель диода «идеальный диод + V ϒ »

Самой простой и часто используемой является приближенная модель первого уровня. Она состоит из идеального диода и, добавленного к нему, напряжения порога проводимости V ϒ .

Приближенная модель диода «идеальный диод + V ϒ + r D »

Иногда используют чуть более сложную и точную приближенную модель второго уровня. В этом случае добавляют к модели первого уровня внутреннее сопротивление диода, преобразовав его функцию из экспоненты в линейную.

Для контроля направления электрического тока необходимо применять разные радио и электро детали. В частности, современная электроника использует с такой целью полупроводниковый диод, его применение обеспечивает ровный ток.

Устройство

Полупроводниковый электрический диод или диодный вентиль – это устройство, которое выполнено из полупроводниковых материалов (как правило, из кремния) и работает только с односторонним потоком заряженных частиц. Основным компонентом является кристаллическая часть, с p-n переходом, которая подключена к двум электрическими контактами. Трубки вакуумного диода имеют два электрода: пластину (анод) и нагретый катод.

Фото – полупроводниковый диод

Для создания полупроводниковых диодов используются германий и селен, как и более 100 лет назад. Их структура позволяет использовать детали для улучшения электронных схем, преобразования переменного и постоянного тока в однонаправленный пульсирующий и для совершенствования разных устройств. На схеме он выглядит так:

Фото – обозначение диода

Существуют разные виды полупроводниковых диодов, их классификация зависит от материала, принципа работы и области использования: стабилитроны, импульсные, сплавные, точечные, варикапы, лазер и прочие типы. Довольно часто используются аналоги мостов – это плоскостной и поликристаллический выпрямители. Их сообщение также производится при помощи двух контактов.

Основные преимущества полупроводникового диода:

1. Полная взаимозаменяемость;
2. Отличные пропускные параметры;
3. Доступность. Их можно купить в любом магазине электро-товаров или снять бесплатно со старых схем. Цена начинается от 50 рублей. В наших магазинах представлены как отечественные марки (КД102, КД103, и т. д.), так и зарубежные.

Маркировка

Маркировка полупроводникового диода представляет собой аббревиатуру от основных параметров устройства. Например, КД196В – кремниевый диод с напряжением пробоя до 0,3 В, напряжением 9,6, модель третьей разработки.

Исходя из этого:

1. Первая буква определяет материал, из которого изготовлен прибор;
2. Наименование устройства;
3. Цифра, определяющая назначение;
4. Напряжение прибора;
5. Число, которое определяет прочие параметры (зависит от типа детали).

Видео: применение диодов

Принцип работы

Полупроводниковые или выпрямительные диоды имеют довольно простой принцип работы. Как мы уже говорили, диод изготовлен из кремния таким образом, что один его конец p-типа, а другой конец типа n. Это означает, что оба контакта имеют различные характеристики. На одном наблюдается избыток электронов, в то время как другой имеет избыток отверстий. Естественно, в устройстве есть участок, в котором все электроны заполняют определенные пробелы. Это означает, что внешние заряды отсутствуют. В связи с тем, что эта область обедняется носителями заряда и известна как объединяющий участок.

Фото – принцип работы

Несмотря на то, что объединяющий участок очень мал, (часто его размер составляет несколько тысячных долей миллиметра), ток не может протекать в нем в обычном режиме. Если напряжение подается так, что площадь типа p становится положительной, а тип n, соответственно, отрицательной, отверстия переходят к отрицательному полюсу и помогают электронам перейти через объединяющий участок. Точно так же электроны движутся к положительному контакту и как бы обходят объединительный. Несмотря на то, что все частицы движутся с разным зарядом в разном направлении, в итоге они образуют однонаправленный ток, что помогает выпрямить сигнал и предупредить скачки напряжения на контактах диода.

Если напряжение прикладывается к полупроводниковому диоду в противоположном направлении, ток не будет проходить по нему. Причина заключается в том, что отверстия привлекаются отрицательным потенциалом, который находится в области р-типа. Аналогично электроны притягиваются к положительному потенциалу, который применяется к области n-типа. Это заставляет объединяющий участок увеличиваться в размере, из-за чего поток направленных частиц становится невозможным.

Фото – характеристики полупроводников

ВАХ-характеристики

Вольт амперная характеристика полупроводникового диода зависит от материала, из которого он изготовлен и некоторых параметров. Например, идеальный полупроводниковый выпрямитель или диод имеет следующие параметры:

1. Сопротивление при прямом подключении – 0 Ом;
2. Тепловой потенциал – VG = +-0,1 В.;
3. На прямом участке RD > rD, т. е. прямое сопротивление больше, чем дифференциальное.

Если все параметры соответствуют, то получается такой график:

Фото – ВАХ идеального диода

Такой диод использует цифровая электротехника, лазерная индустрия, также его применяют при разработке медицинского оборудования. Он необходим при высоких требованиях к логическим функциям. Примеры – лазерный диод, фотодиод.

На практике, эти параметры очень отличаются от реальных. Многие приборы просто не способны работать с такой высокой точностью, либо такие требования не нужны. Эквивалентная схема характеристики реального полупроводника демонстрирует, что у него есть серьезные недостатки:

Фото – ВАХ в реальном полупроводниковом диоде

Данная ВАХ полупроводникового диода говорит о том, что во время прямого включения, контакты должны достигнуть максимального напряжения. Тогда полупроводник откроется для пропуска электронных заряженных частиц. Эти свойства также демонстрируют, что ток будет протекать нормально и без перебоев. Но до момента достижения соответствия всех параметров, диод не проводит ток. При этом у кремниевого выпрямителя вольтаж варьируется в пределах 0,7, а у германиевого – 0,3 Вольт.

Работа прибора очень зависит от уровня максимального прямого тока, который может пройти через диод. На схеме он определяется ID_MAX. Прибора так устроен, что во время включения прямым путем, он может выдержать только электрический ток ограниченной силы. В противном случае, выпрямитель перегреется и перегорит, как самый обычный светодиод. Для контроля температуры используются разные виды устройств. Естественно, некоторые из них влияют на проводимость, но зато продлевают работоспособность диода.

Еще одним недостатком является то, что при пропуске переменного тока, диод не является идеальным изолирующим устройством. Он работает только в одном направлении, но всегда нужно учитывать ток утечки. Его формула зависит от остальных параметров используемого диода. Чаще всего схемы его обозначают, как I OP . Исследование независимых экспертов установило, что германиевые пропускают до 200 µА, а кремниевые до 30 µА. При этом многие импортные модели ограничиваются утечкой в 0.5 µА.

Фото – отечественные диоды

Все разновидности диодов поддаются напряжению пробой. Это свойство сети, которое характеризуется ограниченным напряжением. Любой стабилизирующий прибор должен его выдерживать (стабилитрон, транзистор, тиристор, диодный мост и конденсатор). Когда внешняя разница потенциалов контактов выпрямительного полупроводникового диода значительно выше ограниченного напряжения, то диод становится проводником, в одну секунду снижая сопротивление до минимума. Назначение устройства не позволяет ему делать такие резкие скачки, иначе это исказить ВАХ.

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним p-n переходом и двумя выводами.

По функциональному назначению различают:

1) Выпрямительные диоды.

2) Стабилитроны.

3) Импульсные и высокочастотные диоды.

4) Туннельные диоды.

5) Варикапы.

Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока частотой 50 Гц в постоянный. Используется основное свойство электронно-дырочного перехода - односторонняя проводимость.

Представляет собой один p-n переход в герметичном корпусе с двумя выводами. Вывод положительной области называется анод, вывод отрицательной – катод.

На рисунке 19 изображена структура выпрямительного диода.

Рисунок 19 – Структура выпрямительного диода

Диод в электрических схемах обозначается в соответствии с рисунком 20.

Рисунок 20 - Изображение диода в электрических схемах

График зависимости между током и напряжением называется вольтамперной характеристикой (ВАХ). Выпрямительный диод имеет нелинейную ВАХ.

Характеристика для прямого включения диода вначале имеет значительную нелинейность, т.к. при увеличении прямого напряжения сопротивление запирающего слоя увеличивается постепенно. При определенном напряжении запирающий слой практически исчезает и далее характеристика становится почти линейной.

При обратном включении ток резко увеличивается. Это происходит за счет резкого увеличения потенциального барьера в p-n переходе, резко снижается диффузионный ток, а ток дрейфа увеличивается. Однако при дальнейшем увеличении обратного напряжения рост тока незначителен.

Нар рисунке 21 приведена вольтамперная характеристика выпрямительного диода.

Рисунок 21 – ВАХ выпрямительного диода

Параметры выпрямительных диодов – это величина, характеризующая наиболее существенные свойства прибора.

Различают: статические и предельные параметры.

Статические : Определяются по статическим характеристикам (см. рисунок 22).

Рисунок 22 – Дополнительные построения для определения статических параметров выпрямительного диода

1. Крутизна вольтамперной характеристики:

S = DI / DU , мА / В

где DI – приращение тока;

DU – приращение напряжения.

Крутизна вольтамперной характеристики показывает, на сколько миллиампер изменится ток при увеличении напряжения на 1 вольт.

2. Внутреннее сопротивление диода переменному току.

Ri = DU / DI , Ом

3. Сопротивление диода постоянному току.

R 0 = U / I , Ом

Параметры предельного режима :

Их превышение приводит к выходу прибора из строя. С учетом этих параметров строится электрическая схема.

1. I ПР.ДОП - допустимое значение прямого тока;

2. U ОБР.ДОП - допустимое значение обратного напряжения;

3. Р РАСС - допустимая мощность рассеивания.

Основным недостатком всех полупроводниковых приборов является зависимость их параметров от температуры. С увеличением температуры увеличивается концентрация носителей зарядов и проводимость перехода растет. Сильно увеличивается обратный ток. При увеличении температуры ранее наступает электрический пробой. На рисунке 23 приведено влияние температуры на ВАХ.

Рисунок 23 – Влияние температуры на ВАХ диода

На базе выпрямительного диода можно построить схему простейшего однополупериодного выпрямителя (см. рисунок 24).

Рисунок 24 - Схема простейшего выпрямителя

Схема состоит из трансформатора Т, который служит для преобразования исходного напряжения в напряжение нужной величины; Выпрямительного диода VD, который служит для выпрямления переменного тока, конденсатора С, который служит для сглаживания пульсаций и нагрузки R н.