Прямое и обратное напряжение

Когда диод открыт, на нем имеется прямое напряжение. Обратным напряжением считается величина во время закрытия диода и прохождения через него обратного тока. Сопротивление диода при прямом напряжении очень мало, в отличие от обратного напряжения, возрастающего до тысяч кОм.

Если диоды использовать в работе с переменным током, то при плюсовой полуволне синуса напряжения он будет открыт, а при минусовой – закрыт. Такое свойство диодов применяют для выпрямления напряжения. Поэтому такие устройства называются выпрямителями.

4.3. Вольт-амперная характеристика диода Слайд № 11

Зависимость U = f(I) называется вольт-амперной характеристикой диода.

Характеристика диода выражается графиком, на котором видна зависимость тока, напряжения и его полярности. Вертикальная ось координат в верхней части определяет прямой ток, в нижней части – обратный.

Горизонтальная ось справа обозначает прямое напряжение, слева – обратное. Прямая ветка графика выражает ток пропускания диода, проходит рядом с вертикальной осью, так как выражает повышение прямого тока.

Вторая ветка графика показывает ток при закрытом диоде, и проходит параллельно горизонтальной оси. Чем круче график, тем лучше диод выпрямляет ток. После возрастания прямого напряжения, медленно повышается ток. Достигнув области скачка, его величина резко нарастает.

На обратной ветви графика видно, что при повышении обратного напряжения, величина тока практически не возрастает. Но, при достижении границ допустимых норм происходит резкий скачок обратного тока. Вследствие этого диод перегреется и выйдет из строя.

4.4. Пробой р-n-перехода Слайд № 12

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.

Электрический пробой

Электрический пробой возникает в результате воздействия сильного электрического поля в p-n-переходе. Такой пробой является обратимым, то есть он не приводит к повреждению перехода, и при снижении обратного напряжения свойства диода сохраняются. Благодаря этому электрический пробой используют в качестве рабочего режима в полупроводниковых диодах.

В свою очередь, электрический пробой разделяется на туннельный и лавинный пробои.

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. Р-n-переходы малой толщины возможны только при высокой концентрации примесей в молекуле полупроводника.

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.

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

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

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

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

Типовая вольт-амперная характеристика диода.

Схема замещения фотодиода.| Семейство вольт-амперных характеристик фотодиода.| Относительная спектральная чувствительность г германиевых и кремниевых фотодиодов.

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

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

А.Н. Морковин

Исследование вольт-амперной характеристики полупроводникового диода

Мариуполь, 2012 г.

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

Теоретическое введение

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

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

Изучим терминологический аппарат.

Полупроводник — это материал

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

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

При легировании 4-валентного полупроводника (например, кремния) 3-валентной примесью (например, бором) получим полупроводник

p-типа . В этом случае примесь называется акцепторной . Поскольку 3-валентная примесь, для обеспечения нормальной ковалентной связи в кристаллической решетке, забирает один недостающий электрон кремния, в валентной зоне возникает дырка. Вследствие чего перенос заряда в полупроводнике p-типа имеет дырочную природу.

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

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

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

Рис. 1. Легирование полупроводника n-типа примесью p-типа для образования p-n-перехода.

Равновесное состояние p-n-перехода

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

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

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

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

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

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

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

Прямое и обратное смещение p-n-перехода

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

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

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

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

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

Прямой и обратный токи p-n-перехода

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

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

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

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

Ход работы:

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

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

Примечание:

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

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

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

Напряжение на диоде (V), В

Показания амперметра (А)

Придел шкалы амперметра (А), мА

0,1

0,2

…

0,1

0,2

…

0,1

0,2

…

0,1

0,2

…

Таблица 2. Напряжение на диоде, В

Ток в схеме, мА

Диод №1. Полярность на входе (а).

0,1

0,2

…

Диод №1. Полярность на входе (б).

0,1

0,2

…

Диод №2. Полярность на входе (а).

0,1

0,2

…

Диод №2. Полярность на входе (б).

0,1

0,2

…

Контрольные вопросы:

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

Существует три вида диодов:

Газонаполненные;

Электровакуумные;

Полупроводниковые диоды, про которые и будет идти речь дальше.

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

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

Рисунок 1 – Проводимость полупроводникового диода

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

Различают два типа перехода:

Плоскостной;

Точечный.

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

На основании представленных характеристик материалов создан полупроводниковый прибор – диод.

Рисунок 2 – Обозначение диода

в электрических схемах – VD .

Основные электрические параметры диода:

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

2. Максимальный импульсный ток – І і. max .

3. Обратное максимальное напряжение U обр.

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

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

Рисунок 3 – Ток и напряжение на диоде

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

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

Специальные диоды

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

Рисунок 4 – Вольт-амперная характеристика (ВАХ) стабилитрона

Предназначается для работы в источниках питания для стабилизации напряжения.

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

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

Рисунок 5 – ВАХ туннельного диода

Используются в схемах переключения и генераторах электрических колебаний.

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

Рисунок 6 – Вольт-амперная характеристика динистора

Используют в схемах автоматики и генераторах переменно-линейного напряжения.

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

Рисунок 7 – ВАХ варикапа

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

Характерные для варикапа параметры:

Общая емкость – измеренная емкость при определенном обратном напряжении;

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

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

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

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

Рисунок 8 – ВАХ фотодиода

Используются в измерителях светового потока и приборах автоматики.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Совсем другая картина будет если вместо резистора будет цепочка диодов.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Наибольшее обратное напряжение — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 3

Наибольшее обратное напряжение

Cтраница 3

Диоды на основе коллекторного перехода ( рис. 12.2, б, д) имеют наибольшее обратное напряжение, диоды на основе эмиттерного перехода ( рис. 12.2, а, г) — наибольшее быстродействие и наименьший обратный ток, а диоды на основе параллельного включения переходов ( рис. 12.2, в) — наименьшее быстродействие и наибольший прямой ток. Структура диода рис. 12.2, а характерна для интегральных стабилитронов.  [31]

Свойства лампы характеризуются ее параметрами. Параметрами диода являются крутизна, внутреннее сопротивление, допустимая мощность, рассеиваемая анодом, наибольшее обратное напряжение, срок службы, напряжение и ток накала.  [32]

Свойства лампы характеризуются ее параметрами. Параметрами диода являются крутизна характеристики, внутреннее сопротивление, допустимая мощность, рассеиваемая анодом, наибольшее обратное напряжение, срок службы, напряжение и ток накала.  [34]

При управляющем напряжении t / зи 0 и подключении источника напряжения между стоком и истоком UCA по каналу течет ток, который зависит от сопротивления канала. Напряжение ( 7си равномерно приложено по длине канала, это напряжение вызывает обратное смещение р-п перехода между каналом р-типа и n — слоем, причем наибольшее обратное напряжение на р-п переходе существует в области, прилегающей к стоку, а вблизи истока р-п переход находится в равновесном состоянии. При увеличении напряжения [ / си область двойного электрического слоя р-п перехода, обедненная подвижными носителями заряда, будет расширяться, как показано на рис. 1.10, а. Особенно сильно расширение перехода проявляется вблизи стока, где больше обратное напряжение на переходе. Расширение р-п перехода приводит к сужению проводящего ток канала транзистора, и сопротивление канала возрастает. При некотором напряжении С / си границы р-п перехода смыкаются ( пунктир на рис. 1.10, а), и рост тока / с при увеличении С / с i прекращается.  [35]

В некоторых конструкциях газотронов для наполнения используют аргон или ксенон. Для лампы типа Тунгар пользуются аргоном под давлением в 50 мм рт. ст. Такое относительно высокое давление газа уменьшает испарение катода, однако при этом также уменьшается и наибольшее обратное напряжение. Тунгары применяются в выпрямителях на рабочее напряжение до 100 в, служащих для зарядки аккумуляторов.  [36]

Действие канального транзистора можно представить себе как суперпозицию двух эффектов, которая дает конечный результат в виде полезного напряжения, возникающего в каждой точке канала. Одним из них является наличие напряжения источника на затворе. Наибольшее обратное напряжение приложено к переходу вблизи стока, а наименьшее — у истока.  [38]

Важным свойством газотрона является способность выдерживать без пробоя большие обратные напряжения. Для выпрямителей на 100 — 200 кв изготовляются многосекционные газотроны. Наибольшее обратное напряжение имеют газотроны с ртутным наполнением. Однако их опасно эксплуатировать при низких температурах и при недокале.  [39]

В непроводящую часть периода в любой выпрямительной схеме вентиль находится под обратным напряжением, которое в зависимости от схемы может значительно превышать амплитудное напряжение сети. Через вентиль в это время течет обратный ток, который в нормальном режиме очень мал. Но при слишком высоком обратном напряжении происходит пробой, сопровождающийся сильным током и часто разрушением самого выпрямителя. Пробой ионного выпря мителя в непроводящую часть периода называется обратным зажиганием. Наибольшее обратное напряжение ( U0sp) max, ПРИ котором можно еще считать исключенным обратное зажигание, является одним из параметров выпрямителя. Правильно сконструированный и изготовленный кенотрон характеризуется очень слабым обратным током и высокой вентильной прочностью.  [40]

Характеристики отдельных полупроводниковых диодов, даже одного и того же типа, всегда несколько отличаются друг от друга. Это обстоятельство необходимо учитывать при последовательном и параллельном соединении диодов. Любой диод обладает некоторым внутренним сопротивлением, имеющим существенно различные значения в проводящем и непроводящем состояниях. Например, при прямом смещении диода падение напряжения на его внутреннем сопротивлении составляет около 0 3 В. При последовательном соединении диодов важную роль играет их обратное сопротивление. Даже в диодах одной партии они различаются, и наиболее качественные диоды обладают большим обратным сопротивлением. В случае обратного смещения последовательно включенных диодов обратное напряжение распределяется по диодам неравномерно, и наибольшее обратное напряжение будет на том из них, который обладает более высоким обратным сопротивлением. Это может привести к пробою диода.  [41]

При замене в схеме вышедшего из строя диода новым диодом того же типа никогда не возникает необходимости каких-либо изменений в схеме. При отсутствии диода того же типа часто можно подобрать подходящий диод другого типа, так как номенклатура выпускаемых отечественной промышленностью диодов достаточно широка. При этом в первую очередь нужно учесть, что заменяющий диод должен относиться к той же группе, что и заменяемый: к выпрямительным диодам, к импульсным, высокочастотным или диодам СВЧ, стабилитронам, варикапам или туннельным диодам. Точечный диод заменяется также точечным, плоскостной — плоскостным. Такие параметры заменяющих диодов, как максимальный средний прямой ток и максимальное обратное напряжение, должны быть не меньше, чем у заменяемых. Емкость перехода высокочастотных заменяющих диодов не должна быть больше, чем у заменяемых. Пределы изменения емкости варикапов должны быть одинаковы. При необходимости подобрать для замены другой тип тиристора необходимо сравнить такие параметры, как наибольшее прямое напряжение на запертом тиристоре, наибольшее обратное напряжение и наибольшую силу тока в прямом направлении. Все эти параметры у заменяющего тиристора должны быть не меньшими, чем у заменяемого.  [42]

Страницы:      1    2    3

И.П. Жеребцов — Основы электроники, страница 16 » СтудИзба

быстрее, происходит заряд барьерной емкости. Иначе говоря, емкостное сопротивление с повышением частоты уменьшается и обратный ток соответственно увеличивается. Рассасывание зарядов, образованных инжектированными носителями, также происходит быстрее, и от этого импульс обратного тока также возрастает. На низкой частоте импульс обратного тока весьма мал и его длительность во много раз меньше полупериода. А на некоторой высокой частоте импульс обратного тока может иметь примерно такую же амплитуду, как импульс прямого тока, и длится он в течение всего полупериода. Если площадь импульсов прямого и обратного тока будет одинакова, то постоянная составляюшая (среднее значение) тока станет равной нулю, т.

е. выпрямление прекратится. Практически диоды рекомендуется применять для выпрямленна только до такой предельной высокой частоты, при .которой постоянная составляющая выпрямленного тока снижается не более чем на 30% по сравнению с ее значением на низкой частоте. При повышении температуры сопротивления Як, и тт„р диодов уменьшаются, но это обычйо мало влияет на выпрямление, Дело в том, что прямой ток определяется сопротивлением нагрузки Я„, которое обычно во много раз больше тт„р, а й,ср даже у нагретого диода еще достаточно велико по сравнению с Я„, и поэтому обратный ток остается малым по сравнению с прямым. Работа диодов в низкочастотных выпрямляющих устройствах характеризуется несколькими параметрами, К ним относится средние за период значения прямого тока 1„, „ и соответствующего ему падения напряжения на диоде (Укр,р, обратного напряжения У,~р „ и соответствуюгцего ему обратного тока 1„, „.

Ток 1„,„ часто называют выпрямленным током, и весьма 49 важными являются максимальные допустимые (предельные) значения обратного напряжения У,ар„а„, прямого (или выпрямленного) тока 1„р „„и температуры корпуса г„ар,„, а также максимальная рабочая частота 1′ „„.

3.6. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ И ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ При выпрямлении более высоких напряжений приходится соединять диоды последовательно, с тем чтобы обратное напряжение на каждом диоде не превышало предельного. Но вследствие разброса обратных сопротивлений у различных экземпляров диодов одного и того же типа ‘ на отдельных диодах обратное напряжение может оказаться выше предельного, что повлечет пробой диодов.

Поясним это примером. Пусть в некотором выпрямителе амплитуда обратного напряжения составляет 1000 В и применены диоды с Уавр,„,„ — †4 В. Очевидно, что необходимо соединить последовательно не менее трех диодов. Предположим, что обратные сопротивления диодов К -р! = — Карр! — 1 МОм и ххарр! = 3 МОМ. Обратное напряжение распределяется пропорционально обратным сопротивле- НИЯЫ, И ПеэтОМУ ПОЛУ’!ИТСЯ Уабр!— =(1,~, =200 В и У„,!=600 В. На третьем диоде (кстати говоря, он является лучшим, так как у него наибольшее Я„рр) обратное напряжение выше предельного, н он может быть пробит. Если это произойдет, то напряжение 1000 В распределится между оставшимися диодами и на каждом из них будет 500 В.

Ясно, что любой из этих диодов может пробиться, после чего все обратное напряжение 1000 В будет приложено к одному диоду, который его не выдержит. Такой последовательный пробой диодов иногда происходит за доли секунды. Для того чтобы обратное напряже- ‘ Иногда обратные сопротивления у однотипных диодов могут отличаться друг от друга даже в десятки раз. 50 21! р(х р(з Рнс. 3.!3. Последовательное соединение ано- дов ние распределялось равномерно между диодами независимо от их обратных сопротивлений, применяют шунтирование диодов резисторами (рис.

3.13). Сопротивления К,„резисторов должны быть одинаковы и значительно меньше наименьшего из обратных сопротивлений диодов. Но вместе с тем Я,„не должно бьггь слишком малым, чтобы чрезмерно не возрос ток при обратном напряжении, т. е. чтобы не ухудшилось выпрямление. Для рассмотренного примера можно взять резисторы с сопротивлением 100 кОм. Тогда при обратном напряжении сопро»гивление каждого участка цепи, состоящего из диода и шунтирующего резистора, будет несколько меньше 100 кОм и общее обратное напряжение разделится между этими участками примерно на три равные части. На каждом участке это напряжение окажется меньше 400 В и диоды будут работать надежно. Обычно шунтирующие резисторы имеют сопротивление от нескольких десятков до нескольких сотен килоом.

Параллельное соединение диодов применяют в том случае, когда нужно получить прямой ток, больший предельного тока одного диода. Но если диоды одного типа просто соединить параллельно, то вследствие неодинаковости вольт-амперных характеристик они окажутся различно нагруженными и в некоторых ток будет больше предельного. Различие в прямом токе у однотипных диодов может составлять десятки процентов. Для примера на рис.

3.!4, и показаны характеристики прямого тока двух диодов одного н того же типа, у которых 1ар„ — — 0,2 А. Пусть от этих диодов требуется получить прямой ток 0,4 А. Если их соединить параллельно, то при токе 0,2 А на первом диоде напряжение равно 0,4 В (кривая 1). А на втором а) А а3 0>2 О( а 0,1 а,г ау 0,» 0,5 в Рис.

3.14. Параллельное соединение диодов диоле при таком же напряжении ток будет лишь 0,05 А (кривая 2). Таким образом, общий ток составит 0,25 А, а не 0,4 А. Увеличивать напряжение на диодах нельзя, так как в первом диоде ток станет больше предельного. Из характеристик видно, что для получения во втором диоде тока 0,2 А надо илгеть на нем напряжение 0,5 В, т.е, на 0,1 В больше, чем на первом диоде. Поэтому, чтобы установить правильный режим работы диодов, надо подвести к ним напряжение 0,5 В, но последовательно с первым диодом включить уравнительный резистор (рис.

3.14, б) — с целью поглощения излишнего для первого диода напряжения 0,1 В. Ясно, что сопротивление этого резистора Я„=0,1:0,2=0,5 Ом. При наличии такого резистора оба диода будут нагружены одинаково током в 0,2 А. Практически редко включают параллельно больше трех диодов. Уравнительные резисторы с сопротивлением в десятые доли ома или единицы ом обычно подбирают экспериментально до получения в рабочем режиме одинаковых токов в диодах. Иногда включают уравнительные резисторы с сопротивлением, в несколько раз большим, чем прямое сопротивление диодов, для того чтобы ток в каждом диоде определялся главным образом сопротивлением >гг Но в этом случае происходит дополнительное падение напряжения на Яп превышающее в несколько раз прямое напряжение диодов, и КПД, конечно, снижается. Если нежелательно включать уравнительные резисторы, то надо подобрать диоды с примерно одинаковыми характеристиками. Однако рекомендуется по возможности не прибегать к параллельному соединению диодов.

3.7. ИМПУЛЪСНЫЙ РЕЖИМ Во многих современных радиоэлектронных устройствах полупроводниковые диоды часто работают в импульсном режиме при длительности импульсов, равной единицам или долям микросекунды. Рассмотрим особенности этого режима на примере, когда диод соединен последовательно с нагрузкой, сопротивление которой )1„ во много раз больше прямого сопротивления диода ()(„ ~ й,р). Пусть такая цепь находится под действием импульсного напряжения, которое состоит из короткого импульса прямого напряжения (положительного импульса), отпирающего диод, и более длительного импульса обратного напряжения (отрицательного импульса), надежно запирающего диод до прихода следующего положительного импульса. Импульсы напряжения имеют прямоугольную форму (рис.

3.15, а). График тока, а следовательно, и пропорционального ему напряжения на )1„ показан для этого случая на рнс. 3.15, б. При прямом напряжении ток в цепи а) Рис. 3.15. Импульсный режим работы диода 51 определяется сопротивлением Я„. Хотя прямое сопротивление диода нелинейно, но оно почти не влияет на ток, так как во много раз меньше Я„. Поэтому импульсы прямого тока почти не искажены. Некоторые сравнительно небольшие искажения могут наблюдаться только при очень коротких (длительностью в доли микросекунды) импульсах.

При перемене полярности напряжения, т.е. при подаче обратного напряжения, диод запирается не сразу, а в течение некоторого времени проходит импульс обратного тока (рис. 3.15,б), значительно превосходящий по амплитуде обратный ток в установившемся режиме 1,ер,.

Причины возникновения импульса обратного тока такие же, как и при работе диода на высоких частотах (см. З.э). Главная причина — это разряд диффузионной емкости, т.е. рассасывание зарядов, образованных подвижными носителями в и- и р-областях. Поскольку концентрации примесей в этих областях обычно, весьма различны, то практически импульс обратного тока создается рассасываннем заряда, накопленного в базе, т.е. в области с относительно малой проводимостью. Например, если и-область является змиттером, а р-область — базой, то при прямом токе можно пренебречь потоком дырок из р-области в и-область и рассматривать только поток электронов из и- области в р-область.

Этот диффузионный поток через переход вызывает накопление электронов в р-области, так как они не могут сразу рекомбинировать с дырками или дойти до вывода от р-области. При перемене полярности напряжения накопленный в базе заряд начинает двигаться в обратном направлении и возникает импульс обратного тока.

Чем больше был прямой ток, тем больше электронов накапливалось в базе и тем сильнее импульс обратного тока. Двигаясь от базы обратно в эмиттер, электроны частично рекомбинируют с дырками, а частично проходят через и-область до металлического вывода от этой области. Исчезновение (рассасывание) заряда, накопленного в базе, длится некоторое время. К концу рассасывания обратный ток достигает своего установившегося, весьма малого, значения ),ер, Иначе можно сказать, что обратное сопротивление диода Я,ер сначала оказывается сравнительно небольшим, а затем постепенно возрастает до своего нормального установившегося значения.

Время т, от момента возникновения обратного тока до момента, когда он принимает установившееся значение, называют временем восстановления обрарииого соирориивяеиия. Это время— важный параметр диодов, предназначенных для импульсной работы. У таких диодов т, не превышает десятых долей микросекунды. Чем оно меньше, тем лучше: тогда диод быстрее запирается. Вторая причина возникновения импульса обратного тока — заряд емкости диода под действием обратного напряжения. Зарядный ток этой емкости складывается с током рассасывания заряда, и в результате получается суммарный импульс обратного тока, который тем больше, чем больше емкость диода.

Время прямого восстановления диода — это… Что такое Время прямого восстановления диода?

Время прямого восстановления диода

34. Время прямого восстановления диода

Ндп. Время восстановления прямого сопротивления

D. Durchlasserholungszeit der Diode

E. Forward recovery time

F. Temps de recouvrement direct

t_вос.пр

Время, в течение которого происходит включение диода и прямое напряжение на нем устанавливается от значения, равного нулю, до заданного установившегося значения

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

• Время прохождения сигнала в фотоумножителе
• Время прямого восстановления тиристора

Смотреть что такое «Время прямого восстановления диода» в других словарях:

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

• время обратного восстановления диода — Ндп. время восстановления обратного сопротивления tвос, обр, trr Время переключения диода с заданного прямого тока на заданное обратное напряжение от момента прохождения тока через нулевое значение до момента, когда обратный ток, уменьшаясь от… …   Справочник технического переводчика

• Время обратного восстановления диода — 33. Время обратного восстановления диода Ндп. Время восстановления обратного сопротивления D. Sperrerholungszeit der Diode E. Reverse recovery time F. Temps de recouvrement inverse tвос,обр Время переключения диода с заданного прямого тока на… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

• время — 3.3.4 время tE (time tE): время нагрева начальным пусковым переменным током IА обмотки ротора или статора от температуры, достигаемой в номинальном режиме работы, до допустимой температуры при максимальной температуре окружающей среды. Источник …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

• Время восстановления — обратного сопротивления базы диода  это переходный процесс, возникающий при переключении диода из проводящего состояния (прямого) в закрытое. Процесс обратного восстановления (ОВ) в большей степени характерен диодам на p n переходе, в отличие от… …   Википедия

• время спада обратного тока выпрямительного диода — tсп tf Интервал времени между моментом, когда ток, изменив направление от прямого на обратное и пройдя нулевое значение, достигает амплитудного значения и моментом окончания времени обратного восстановления выпрямительного диода. [ГОСТ 25529 82]… …   Справочник технического переводчика

• Время спада обратного тока выпрямительного диода — 65. Время спада обратного тока выпрямительного диода tсп Интервал времени между моментом, когда ток, изменив направление от прямого на обратное и пройдя нулевое значение, достигает амплитудного значения и моментом окончания времени обратного… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

• обратное восстановление полупроводникового диода — Переходный процесс, в течение которого обратное сопротивление перехода полупроводникового диода восстанавливается до постоянного значения после быстрого переключения перехода с прямого направления на обратное. Примечание Под словом… …   Справочник технического переводчика

• ГОСТ 25529-82: Диоды полупроводниковые. Термины, определения и буквенные обозначения параметров — Терминология ГОСТ 25529 82: Диоды полупроводниковые. Термины, определения и буквенные обозначения параметров оригинал документа: 87. Временная нестабильность напряжения стабилизации стабилитрона D. Zeitliche Instabilitat der Z Spannung der Z… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

• ток — ((continuous) current carrying capacity ampacity (US)): Максимальное значение электрического тока, который может протекать длительно по проводнику, устройству или аппарату при определенных условиях без превышения определенного значения их… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Диод. Светодиод. Стабилитрон / Хабр

Не влезай. Убьет! (с)

Постараюсь объяснить работу с диодами, светодиодами, а также стабилитронами на пальцах. Опытные электронщики могут пропустить статью, поскольку ничего нового для себя не обнаружат. Не буду вдаваться в теорию электронно-дырочной проводимости pn-перехода. Я считаю, что такой подход обучения только запутает начинающих. Это голая теория, почти не имеющая отношения к практике. Впрочем, интересующимся теорией предлагаю

эту статью

. Всем желающим добро пожаловать под кат.

Это вторая статья из цикла электроники. Рекомендую к прочтению также

первую

, которая повествует о том, что такое электрический ток и напряжение.

Диод – полупроводниковый прибор, имеющий 2 вывода для подключения. Изготавливается, упрощенно говоря, путем соединения 2х полупроводников с разным типом примеси, их называют донорной и акцепторной, n и p соответственно, поэтому диод содержит внутри pn-переход. Выводы, обычно состоящие из луженой меди, называют анод (А) и катод (К). Эти термины пошли еще со времен электронных ламп и используются в письменном виде, для обозначения направленности диода. Гораздо проще графическое обозначение. Названия выводов диода запомнятся сами собой при применении на практике.

Как я уже писал, мы не будем использовать теорию электронно-дырочной проводимости диода. Просто инкапсулируем эту теорию до черного ящика с двумя зажимами для подключения. Примерно так же программисты инкапсулируют работу со сторонними библиотеками, не вдаваясь в е… подробности их работы. Или, например, когда, пользуясь пылесосом, мы не вдаёмся в подробности, как он устроен внутри, он просто работает и нам важно одно из свойств пылесоса – сосать пыль.

Рассмотрим свойства диода, самые очевидные:

• От анода к катоду, такое направление называется прямым, диод пропускает ток.
• От катода к аноду, в обратном направлении, диод ток не пропускает. (Вообще-то нет. Но об этом позже.)
• При протекании тока, в прямом направлении, на диоде падает некоторое напряжение.

Возможно эти свойства вам и так хорошо известны. Но есть некоторые дополнения. Что же считать прямым, а что обратным направлением? Прямым называют такое включение, когда на аноде напряжение больше, чем на катоде. Обратное, наоборот. Прямое и обратное включение – это условность. В реальных схемах напряжение на одном и том же диоде может меняться с прямого на обратное и наоборот.

Кремниевый диод начинает пропускать хоть какой-либо значимый ток только тогда, когда на аноде напряжение будет больше примерно на 0,65 В, чем на катоде. Нет, не так. При протекании хоть какого-либо тока, на диоде образуется падение напряжения, примерно равное 0,65 В и выше.

Напряжение 0,65 В – называют прямым падением напряжения на pn-переходе. Это лишь примерная средняя величина, она зависит от тока, температуры кристалла и технологии изготовления диода. При изменении протекающего тока, она изменяется нелинейно. Чтобы как-то обозначить эту нелинейность графически, производители снимают вольтамперные характеристики диода. В мощных высоковольтных диодах падение напряжения может быть больше в 2, 3 и т.д. раза. Это означает, что внутри диода включено несколько pn-переходов последовательно.

Для определения падения напряжения можно использовать вольтамперную характеристику (ВАХ) диода в виде графика. Иногда эти графики приводятся в дата-листах (datasheets) на реальные модели диода, но чаще их нет. На первом мне попавшемся графике ниже приведены ВАХ КД243А, хотя это не важно, они все примерно похожи.

На графике Uпр – это прямое падение напряжения на диоде. Iпр – протекающий через диод ток. График показывает какое падение напряжения на диоде будет, при протекании n-го тока. Но чаще всего в даталистах не показываются реальные ВАХ, а приводится прямое падение напряжения, указанное при определенном токе. В английской литературе падение напряжения обозначается как forward voltage.

Как применять

Падение напряжения на диоде – для нас плохая характеристика, поскольку это напряжение не совершает полезной работы и рассеивается в виде тепла на корпусе диода. Чем меньше падение, тем лучше. Обычно падение напряжения на диоде определяют исходя из тока, протекающего через диод. Например, включим диод последовательно с нагрузкой. По сути это будет защита схемы от переплюсовки, на случай, если блок питания отсоединяемый. На рисунке ниже в качестве защищаемой схемы взят резистор 47 Ом, хотя в реальности это может быть все, что угодно, например, участок большой схемы. В качестве блока питания – батарея на 12 В.

Допустим, нагрузка без диода потребляет 255 мА. В данном случае это можно посчитать по закону Ома: I= U / R = 12 / 47 = 0,255 А или 255 мА. Хотя обычно потребление сферической схемы в вакууме уже известно, хотя бы по максимальным характеристикам блока питания. Найдем на графике ВАХ, указанный выше, падение напряжения для диода КД243А при 0,255 А протекающего тока, при 25 градусах. Оно равно примерно 0,75 В. Эти 0,75 В упадут на диоде, и для питания схемы останется 12 — 0,75 = 11,25 В — иногда может и не хватить. Как бонус, можно найти мощность, в виде тепла и потерь выделяющуюся на диоде по формуле P = I * U = 0,75 * 0,255 = 0,19 Вт, где I и U – ток через диод и падение напряжения на диоде.

Что же делать, когда график ВАХ недоступен? Например, для популярного диода 1n4007 указано только прямое напряжения forward voltage 1 В при токе 1 А. Нужно и использовать это значение, либо измерить реальное падение. А если для какого-либо диода это значение не указано, то сойдет среднее 0,65 В. В реальности проще это падение напряжения измерить вольтметром в схеме, чем выискивать в графиках. Думаю, не надо объяснять, что вольтметр должен быть включен на постоянное напряжение, если через диод течет постоянный ток, а щупы должны касаться анода и катода диода.

Немного про другие характеристики

В предыдущем примере, если перевернуть батарейку, я имею ввиду поменять полярность, см. нижний рисунок, ток не потечет и падение напряжения на диоде в худшем случае составит 12 В — напряжение батареи. Главное, чтобы это напряжение не превышало напряжение пробоя нашего диода, оно же обратное напряжение, оно же breakdown voltage. А также важно еще одно условие: ток в прямом направлении через диод не превышал номинальный ток диода, он же forward current. Это два основных параметра по которых выбирается диод: прямой ток и обратное напряжение.

Иногда в даталистах также указывается рассеиваемая мощность диодом или номинальная мощность (power dissipation). Если она указана, то ее нельзя превышать. Как ее посчитать, мы уже разобрались на предыдущем примере. Но если мощность не указана, тогда надо ориентироваться по току.

Говорят, что в обратном направлении ток через диод не течет, ну или почти не потечет. На самом деле через него протекает ток утечки, reverse current в английской литературе. Этот ток очень маленький, от нескольких наноампер у маломощных диодов до нескольких сот микроампер, у мощных. Также этот ток зависит от температуры и приложенного напряжения. В большинстве случаем ток утечки не играет никакой роли, например, в как в предыдущем примере, но, когда вы будете работать с наноамперами и поставите какой-либо защитный диод на входе операционного усилителя, тогда может случиться ой… Схема поведет себя совсем не так, как задумывалась.

У диодов так же есть некоторая маленькая паразитная емкость capacitance. Т.е., по сути, это конденсатор, параллельно включенный с диодом. Эту емкость надо учитывать при быстрых процессах при работе диода в схеме с десятками-сотнями мегагерц.

Также несколько слов по поводу термина «номинал». Обычно номинальные ток и напряжение обозначают, что при превышении этих параметров производитель не гарантирует работу изделия, если не сказано другое. И это для всех электронных компонентов, а не только для диода.

Что еще можно сделать

Применений диодов существует множество. Разработчики-радиоэлектронщики обычно выдумывают свои схемы из кусочков других схем, так называемых строительных кирпичиков. Вот несколько вариантов.

Например, схема защиты цифровых или аналоговых входов от перенапряжения:

Диоды в этой схеме при нормальной работе не пропускают ток. Только ток утечки. Но когда по входу возникает перенапряжение с положительной полуволной, т.е. напряжение входа становится больше чем Uпит плюс прямое падение напряжения на диоде, то верхний диод открывается и вход замыкается на шину питания. Если возникает отрицательная полуволна напряжения, то открывается нижний диод и вход замыкается на землю. В этой схеме, кстати, чем меньше утечки и емкость у диодов, тем лучше. Такие схемы защиты уже, как правило, стоят во всех современных цифровых микросхемах внутри кристалла. А внешними мощными сборками TVS-диодов защищают, например, USB порты на материнских платах.

Также из диодов можно собрать выпрямитель. Это очень распространённый тип схем и вряд ли кто-то из читателей про них не слышал. Выпрямители бывают однополупериодные, двухполупериодные и мостовые. С однополупериодным выпрямителем мы уже познакомились в нашем самом первом многострадальном примере, когда рассматривали защиту от переплюсовки. Никакими особыми плюсами не обладает, кроме плюса на батарейке. Один из самых важных минусов, который ограничивает применение схемы однополупериодного выпрямителя на практике: схема работает только с положительной полуволной напряжения. Отрицательное напряжение напрочь отсекает и ток при этом не течет. «Ну и что?», скажете вы, «Такой мощности мне будет достаточно!». Но нет, если такой выпрямитель стоит после трансформатора, то ток будет протекать только в одну сторону через обмотки трансформатора и, таким образом, трансформаторное железо будет дополнительно подмагничиваться. Трансформатор может войти в насыщение и греться намного больше положенного.

Двухполупериодные выпрямители этого недостатка лишены, но им необходим средний вывод обмотки трансформатора. Здесь при положительной полярности переменного напряжения открыт верхний диод, а при отрицательной – нижний. КПД трансформатора используется не полностью.

Мостовые схемы лишены обоих недостатков. Но теперь на пути тока включены два диода в любой момент времени: прямой диод и обратный. Падение напряжения на диодах удваивается и составляет не 0,65-1В, а в среднем 1,3-2В. С учетом этого падения считается выпрямленное напряжение.

Например, нам надо получить 18 вольт выпрямленного напряжения, какой трансформатор для этого выбрать? 18 вольт плюс падение на диодах, возьмем среднее 1,4 В, равно 19,4 В. Мы знаем из

предыдущей статьи

, что амплитудное значение переменного напряжения в корень из 2 раз больше его действующего значения. Поэтому во вторичной цепи трансформатора переменное действующее напряжение равно 19,4 / 1,41 = 13,75В. С учетом того, что напряжение в сети может гулять на 10%, а также под нагрузкой напряжение немного просядет, выберем трансформатор 230/15 В.

Мощность требуемого нам трансформатора можно посчитать от тока нагрузки. Например, мы собираемся подключать к трансформатору нагрузку в один ампер. Это если с запасом. Всегда оставляйте небольшой запас, в 20-40%. Просто по формуле мощности можно найти P = U * I = 15 * 1 = 15 ВА, где U и I – напряжение и ток вторичной обмотки. Если вторичных обмоток несколько, то их мощности складываются. Плюс потери на трансформацию, плюс запас, поэтому выберем трансформатор 20-40 ВА. Хотя часто трансформаторы продаются с указанием тока вторичных обмоток, но проверить по габаритной мощности не помешает.

После выпрямительного моста необходим сглаживающий конденсатор, на рисунке не показан. Не забывайте про него! Есть умные формулы по расчету этого конденсатора в зависимости от количества пульсаций, но порекомендую такое правило: ставить конденсатор 10000мкФ на один ампер потребления тока. Вольтаж конденсатора не меньше, чем выпрямленное без нагрузки напряжение. В данном примере можно взять конденсатор с номиналом 25В.

Диоды в этой схеме выберем на ток >=1А и обратное напряжение, с запасом, больше 19,4 В, например, 50-1000 В. Можно применить диоды Шоттки. Это те же диоды, только с очень маленьким падением напряжения, которое часто составляет десятки милливольт. Но недостаток диодов Шоттки – их не выпускают на более-менее высокие напряжения, больше 100В. Точнее с недавнего времени выпускают, но их стоимость заоблачная, а плюсы уже не так очевидны.

Светодиод

Внутри устроен совсем по другому, чем диод, но имеет те же самые свойства. Только еще и светится при протекании тока в прямом направлении.

Все отличие от диода в некоторых характеристиках. Самое важное – прямое падение напряжения. Оно гораздо больше, чем 0,65 В у обычного диода и зависит в основном от цвета светодиода. Начиная от красного, падение напряжения которого составляет в среднем 1,8 В, и заканчивая белым или синим светодиодом, падение у которых около 3,5 В. Впрочем, у невидимого спектра эти значения шире.

По сути падение напряжения здесь – минимальное напряжение зажигания диода. При меньшем напряжении, у источника питания, тока не будет и диод просто не загорится. У мощных осветительных светодиодов падение напряжения может составлять десятки вольт, но это значит лишь, что внутри кристалла много последовательно-параллельных сборок диодов.

Но сейчас поговорим об индикаторных светодиодах, как наиболее простых. Их выпускают в различных корпусах, наиболее часто в полуокруглых, диаметром 3, 5, 10 мм.

Любой диод светится в зависимости от протекающего тока. По сути это токовый прибор. Падение напряжения получается автоматически. Ток мы задаем сами. Современные индикаторные диоды более-менее начинают светиться при токе 1 мА, а при 10 мА уже выжигают глаза. Для мощных осветительных диодов надо смотреть документацию.

Применение светодиода

Имея лишь соответствующий резистор можно задать нужный ток через диод. Конечно, понадобится еще и блок питания постоянного напряжения, например, батарейка 4,5 В или любой другой БП.

Например, зададим ток 1мА через красный светодиод с падением напряжения 1,8 В.

На схеме показаны узловые потенциалы, т.е. напряжения относительно нуля. В каком направлении включать светодиод нам подскажет лучше всего мультиметр в режиме прозвонки, поскольку иногда попадаются напрочь китайские светодиоды с перепутанными ногами. При касании щупов мультиметра, в правильном направлении, светодиод должен слабо светиться.

Поскольку применен красный светодиод, то на резисторе упадет 4,5 — 1,8 = 2,7В. Это известно по второму закону Кирхгофа: сумма падений напряжения на последовательных участках схемы равно ЭДС батарейки, т.е. 2,7 + 1,8 = 4,5В. Чтобы ограничить ток в 1мА, резистор по закону Ома должен обладать сопротивлением R = U / I = 2,7 / 0,001 = 2700 Ом, где U и I – напряжение на резисторе и необходимый нам ток. Не забываем переводить величины в единицы СИ, в амперы и вольты. Поскольку выпускаемые номиналы сопротивлений стандартизованы выберем ближайший стандартный номинал 3,3кОм. Конечно, при этом ток изменится и его можно пересчитать по закону Ома I = U / R. Но зачастую это не принципиально.

В этом примере ток, отдаваемый батарейкой, мал, так что внутренним сопротивлением батареи можно пренебречь.

С осветительными светодиодами все тоже самое, только токи и напряжения выше. Но иногда им уже не требуется резистор, надо смотреть документацию.

Что-то еще про светодиод

По сути, светить – это основное назначение светодиода. Но есть и другое применение. Например, светодиод может выступать в качестве источника опорного напряжения. Они необходимы, например, для получения источников тока. В качестве источников опорного напряжения, как менее шумные, применяют красные светодиоды. Их включают в схему так же, как и в предыдущем примере. Поскольку напряжение батарейки относительно постоянное, ток через резистор и светодиод тоже постоянный, поэтому падение напряжения остается постоянным. От анода светодиода, где 1,8В, делается отвод и используется это опорное напряжение в других участках схемы.

Для более надежной стабилизации тока на светодиоде, при пульсирующем напряжении источника питания, вместо резистора в схему ставят источник тока. Но источники тока и источники опорного напряжения – это тема еще одной статьи. Возможно, когда-нибудь я ее напишу.

Стабилитрон

В английской литературе стабилитрон называется Zener diode. Все тоже самое, что и диод, в прямом включении. Но сейчас поговорим только про обратное включение. В обратном включении под действием определенного напряжения на стабилитроне возникает обратимый пробой, т.е. начинает течь ток. Этот пробой полностью штатный и рабочий режим стабилитрона, в отличие от диода, где при достижении номинального обратного напряжения диод просто выходил из строя. При этом, ток через стабилитрон в режиме пробоя может меняться, а падение напряжение на стабилитроне остается практически неизменным.

Что нам это дает? По сути это маломощный стабилизатор напряжения. Стабилитрон имеет все те же характеристики, что и диод, плюс добавляется так же напряжение стабилизации Uст или nominal zener voltage. Оно указывается при определенном токе стабилизации Iст или test current. Также в документации на стабилитроны указываются минимальный и максимальный ток стабилизации. При изменении тока от минимального до максимального, напряжение стабилизации несколько плавает, но незначительно. См. вольт-амперные характеристики.

Рабочая зона стабилитрона обозначена зеленым цветом. На рисунке видно, что напряжение на рабочей зоне практически неизменно, при широком диапазоне изменения тока через стабилитрон.

Чтобы выйти на рабочую зону, нам надо установить ток стабилитрона между [Iст. min – Iст. max] с помощью резистора точно так же, как это делалось в примере со светодиодом (кстати, можно также с помощью источника тока). Только, в отличие от светодиода, стабилитрон включен в обратном направлении.

При меньшем токе, чем Iст. min стабилитрон не откроется, а при большем, чем Iст. max – возникнет необратимый тепловой пробой, т.е. стабилитрон просто сгорит.

Расчёт стабилитрона

Рассмотрим на примере нашего рассчитанного трансформаторного БП. У нас есть блок питания, выдающий минимум 18 В (по сути там больше, из-за трансформатора 230/15 В, лучше мерить в реальной схеме, но суть сейчас не в этом), способный отдавать ток 1 А. Нужно запитать нагрузку с максимальным потреблением 50 мА стабилизированным напряжением 15 В (например, пусть это будет какой-нибудь абстрактный операционный усилитель – ОУ, у них примерно такое потребление).

Такая слабая нагрузка выбрана неспроста. Стабилитроны довольно маломощные стабилизаторы. Они должны проектироваться так, чтобы через них мог проходить без перегрева весь ток нагрузки плюс минимальный ток стабилизации Iст. min. Это необходимо, потому что ток после резистора R1 делится между стабилитроном и нагрузкой. В нагрузке ток может быть непостоянным, либо нагрузка может выключаться из схемы совсем. По сути это параллельный стабилизатор, т.е. весь ток, который не уйдет в нагрузку, примет на себя стабилитрон. Это как первый закон Кирхгофа I = I1 + I2, только здесь I = Iнагр + Iст. min.

Итак, выберем стабилитрон с напряжением стабилизации 15 В. Для установки тока через стабилитрон всегда необходим резистор (или источник тока). На резисторе R1 упадет 18 – 15 = 3 В. Через резистор R1 будет протекать ток Iнагр. + Iст. min. Примем Iст. min = 5 мА, это примерно достаточный ток для всех стабилитронов с напряжением стабилизации до 100 В. Выше 100 В можно принимать 1мА и меньше. Можно взять Iст. min и больше, но это только будет бесполезно греть стабилитрон.

Итак, через R1 течет Ir1 = Iнагр. + Iст. min = 50 + 5 = 55 мА. По закону Ома находим сопротивление R1 = U / I = 3 / 0,055 = 54,5 Ом, где U и I – напряжение на резисторе и ток через резистор. Выберем из ближайшего стандартного ряда сопротивление 47 Ом, будет чуть больше ток через стабилитрон, но ничего страшного. Его даже можно посчитать, общий ток: Ir1 = U / R = 3 / 47 = 0,063А, далее минимальный ток стабилитрона: 63 — 50 = 13 мА. Мощность резистора R1: P = U * I = 3 * 0,063 = 0,189 Вт. Выберем стандартный резистор на 0,5 Вт. Советую, кстати, не превышать мощность резисторов примерно Pmax/2, дольше проживут.

На стабилитроне тоже рассеивается мощность в виде тепла, при этом в самом худшем случае она будет равна P = Uст * (Iнагр + Iст.) = 15 * (0,050 + 0,013) = 0,945 Вт. Стабилитроны выпускают на разную мощность, ближайшая 1Вт, но тогда температура корпуса при потреблении около 1Вт будет где-то 125 градусов С, лучше взять с запасом, на 3 Вт. Стабилитроны выпускают на 0,25, 0,5, 1, 3, 5 Вт и т.д.

Первый же запрос в гугле «стабилитрон 3Вт 15В» выдал 1N5929BG. Далее ищем «datasheet 1N5929BG». По даташиту у него минимальный ток стабилизации 0,25 мА, что меньше 13 мА, а максимальный ток 100 мА, что больше 63 мА, т.е. укладывается в его рабочий режим, поэтому он нам подходит.

В общем-то, это весь расчёт. Да, стабилизатор это неидеальный, внутреннее сопротивление у него не нулевое, но он простой и дешевый и работает гарантировано в указанном диапазоне токов. А также поскольку это параллельный стабилизатор, то ток блока питания будет постоянным. Более мощные стабилизаторы можно получить, умощнив стабилитрон транзистором, но это уже тема следующей статьи, про транзисторы.

Проверить стабилитрон на пробой обычным мультиметром, как правило, нельзя. При более-менее высоковольтном стабилитроне просто не хватит напряжения на щупах. Единственное, что удастся сделать, это прозвонить его на наличие обычной диодной проводимости в прямом направлении. Но это косвенно гарантирует работоспособность прибора.

Еще стабилитроны можно использовать как источники опорного напряжения, но они шумные. Для этих целей выпускают специальные малошумящие стабилитроны, но их цена в моем понимании зашкаливает за кусочек кремния, лучше немного добавить и купить интегральный источник с лучшими параметрами.

Также существует много полупроводниковых приборов, похожих на диод: тиристор (управляемый диод), симистор (симметричный тиристор), динистор (открываемый импульсно только по достижении определенного напряжения), варикап (с изменяемой емкостью), что-то еще. Первые вам понадобятся в силовой электронике при постройки управляемых выпрямителей или регуляторов активной нагрузки. А с последними я уже лет 10 не сталкивался, поэтому оставляю эту тему для самостоятельного чтения в вики, хотя бы про тиристор.

Биполярные транзисторы

Биполярные транзисторы

Транзистор – это трех электродный полупроводниковый прибор, который содержит передающие области с разным типом проводимости и служит для усиления электрического сигнала. Усиление сигнала транзисторов происходит за счет изменения электрического сопротивления под действием управляющего сигнала.

Транзисторы бывают:

– биполярные (БТ)

– полевые (униполярные) (ПТ).

1. Определение и структура биполярного транзистора

БТ имеет в своей структуре два p-n-перехода и 3 вывода. Ток в БТ создается движением носителей зарядов двух типов: основных и не основных.

Структура БТ:

УГО:

Выводы транзистора называются эмиттер (Э), коллектор (К) и база (Б). Соответственно называются и области у выводов.

Область базы намного тоньше коллекторной и эмиттерной области и концентрация основных зарядов очень мала. Концентрация основных носителей заряда самая большая.

П1 называется эмиттерным, а П2 – коллекторным.

В схемах усиления транзисторы всегда включаются так, чтобы к эмиттерному переходу было приложено прямое напряжение, а к коллекторному – прямое.

2. Принципы работы БТ

При подключении прямого напряжения к эмиттерному переходу возникает ток эмиттерный.

Дырки, образующие этот ток в эмиттерной области пересекают p-n-переход и попадают в область базы. В базе они не являются основными носителями зарядов. Поскольку область базы имеет малую ширину и низкую концентрацию основных носителей зарядов, то небольшая часть дырок, попав в базу через эмиттерную область, рекомбинирует с электронами. Образуется ток базы. Большая часть дырок пересекает базу и приближается к коллекторному переходу. К коллекторному переходу прикладывается обратное напряжение, намного большее, чем к эмиттерному переходу (раз в 20). Дырки, приблизившиеся к К переходу, подхватываются обратным напряжением и переносятся в область коллектора. Образующийся ток коллектора.

 

 

 

 

 

 

При этом .

мал, , где – коэффициент передачи тока.

– в большинстве случаев.

3. Усилительные свойства транзисторов

Усилительные свойства объясняются тем, что ток коллектора всегда много больше тока базы: . Если подавать переменное напряжение в цепь базы транзистора, то в соответствии с этим напряжением будет изменяться ток базы. За счет изменения сопротивления эмиттерного перехода. В свою очередь изменения сопротивления приводят к изменению тока эмиттера, а значит и тока коллектора. Причем изменение тока коллектора будет во много раз больше, чем изменение тока базы. Если цепь коллектора подключить к сопротивлению нагрузки, то мощность, выделяемая на нем будет во много раз больше мощности входного сигнала.

Следует иметь ввиду, что увеличение мощности выходного сигнала происходит за счет мощности внешних источников, которые являются источниками питания транзистора.

Принцип действия транзистора n-p-n типа аналогичен рассматриваемому только полярность источников питания изменится на противоположную.

4. Схемы включения БТ

В зависимости от того, какой вывод транзистора является общим для двух внешних источников различают три схемы включения БТ:

— с общим эмиттером (ОЭ)

— с общей базой (ОБ)

— общим коллектором (ОК)

 

Схемы включения БТ p-n-p-типа такие же, только полярность источника противоположная.

Во всех схемах выделяют входную и выходную цепь, которые характеризуются своим током и своим напряжением.

Схема	Вход	Выход
ОЭ
ОБ
ОК

5. ВАХ БТ

Различают входные и выходные характеристики.

Входные: , при .

Выходные: , при .

Конкретный вид этих характеристик зависит от схемы включения транзистора, например для схемы с ОЭ:

Входные: , при .

Выходные: , при .

 

 

 

 

Входные характеристики определяют зависимость тока, протекающего через переход, к которому приложено прямое напряжение. Поэтому входная характеристика – прямая ветвь p—n перехода. Величина обратного напряжения, приложенного следующему p—n переходу влияет на этот ток:

Чем больше это обратное напряжение, тем меньше ток базы. Следует отметить, что это обратное напряжение влияет на характеристики незначительно, поэтому допустимо в качестве входной характеристики брать какое-либо одно.

Выходные характеристики определяют зависимость выходного тока от обратного напряжения, приложенного к переходу. Поэтому эти характеристики аналогичны обратной ветви ВАХ p-n-перехода. Влияние входного тока на эти характеристики здесь будет более значительное: чем больше входной ток, тем больше и выходной ток.

 

 

 

 

Если учесть что , то небольшие изменения входного тока приводят к существенным изменениям выходного.

Для входных характеристик используют понятие дифференциального сопротивления, аналогично полупроводниковому диоду, т. е.

На выходных характеристиках транзистора выделяют области:

– активной работы

– насыщения

– отсечки.

Область насыщения ограничивается характеристикой, при которых увеличение тока базы становится невозможным, из-за того, что все носители зарядов переносятся через переход и достигают следующего p-n-перехода.

Область отсечки определяется максимально допустимой мощностью коллекторного перехода.

6. Параметры биполярного транзистора

Свойства транзистора характеризуются их параметрами с помощью которых можно выбирать транзисторы, решать задачи, связанные с применением транзистора и рассчитывать схемы, содержащие транзисторы.

Для анализа работы транзистора в активном режиме допустимо представлять его в виде линейного четырехполюсника.

Уравнения, которые описывают работу такого четырехполюсника имеют вид:

– h-параметры транзистора, они однозначно определяют каждый транзистор и задаются в справочниках или рассчитываются по характеристикам транзистора.

Вид уравнений в h-параметрах и физический смысл h-параметров зависит от схемы включения биполярного транзистора.

Пример:

Схема с общим эмиттером (ОЭ):

Усиление сигнала транзистора заключается в том, что сигнал усиливается при своем изменении. То есть небольшое увеличение сигнала на входе приводит к большому изменению выходного сигнала. Следовательно, в уравнениях с h-параметрами вместо значений напряжений и токов берут их изменения:

И так далее.

h-параметры имеют конкретный физический смысл.

Пусть .

– дифференциальное входное сопротивление.

– коэффициент передачи тока.

Пусть

– коэффициент обратной связи по направлению.

– дифференциальная выходная проводимость.

Пример:

Для маломощных транзисторов до 0,3 Вт:

от 1000 до 10000 Ом

от 20 до 200 Ом

10-6 См

от до

Какое время обратного восстановления в диоде?

Для прохождения прямого тока необходимо установить пространственный заряд внутри P-N перехода. (Если первое предложение заставляет вас спросить почему, это действительно отдельный вопрос — возможно, это может помочь. Давайте просто посмотрим на динамику установления и нейтрализации этого пространственного заряда.)

От нуля этот объемный заряд может быть установлен довольно быстро, потому что приложенное извне прямое напряжение смещения может направлять электроны извне.Электроны диффундируют из материала n-типа в край материала p-типа, отверстия в материале p-типа диффундируют в край материала n-типа, а на границах раздела металлов новые электроны инжектируются в материал n-типа. На конце p-типа образуются отверстия для образования свободных электронов, которые могут течь во внешней цепи. Все эти потоки представляют собой потоки , большинство из которых составляет носителей в соответствующих материалах, поэтому диффузия происходит быстро за счет гораздо больших градиентов концентрации.Объемный заряд развивается быстро, потому что для включения диода текут основные носители — электроны в материале n-типа и дырки в материале p-типа.

Однако, если внешнее напряжение затем меняется на обратное, пространственный заряд притягивается к себе, чтобы рекомбинировать. Но эта рекомбинация происходит только за счет диффузии неосновных носителей. Эта диффузия неосновных носителей имеет гораздо меньшие градиенты концентрации и поэтому распространяется на порядки медленнее.Внешняя схема, обеспечивающая обратное смещение, может помочь в ускорении этой рекомбинации, поскольку она может обеспечить более быструю нейтрализацию избыточных дырок, которые мигрировали обратно в материал p-типа, и удаление избыточных электронов, которые мигрировали обратно в материал n-типа. Предполагается, что эта рекомбинация дырка-электрон или нейтрализация заряда происходит практически мгновенно на границах раздела полупроводник-металл, поэтому, если внешний ток может подавать и удалять электроны при обратном смещении, он будет происходить намного быстрее, чем «нормальная» рекомбинация дырка-электрон. скорость в основной массе полупроводника.Вот почему во время обратного восстановления могут возникать огромные обратные токи.

Я собрал небольшую имитацию времени обратного восстановления в диоде 1N4007 по сравнению с 1N4148:

Демонстрация показывает, как диоды переключаются в виде прямоугольной волны, и показывает, что 1N4007 полностью выключается за несколько микросекунд!

(См. Также PDF-файл «Время рекомбинации в полупроводниковых диодах».)

Работа диода — Energy Education

Рисунок 1.P-n переход диода вместе с его соответствующими схематическими и реальными компонентами. ^[1] Катод и анод диода помечены так, что обычный ток течет от анода к катоду через диод.

Принцип работы диода может быть трудным для понимания, поскольку он основан на довольно продвинутой квантовой механике. Однако на простейшем уровне работу диода можно понять, взглянув на поток положительных зарядов (или «дырок») и отрицательных зарядов (электронов).Технически полупроводниковый диод упоминается как p-n переход . Эти p-n-переходы также важны для работы фотоэлементов. Для правильной работы диода требуется процесс, известный как легирование. Полупроводники могут быть легированы материалами так, чтобы они имели избыток легко смещаемых электронов — обычно это называется областью отрицательной или n-типа . Кроме того, они могут быть легированы элементами, которые создают избыток дырок, которые легко поглощают эти электроны — обычно называемые положительной областью или p-типа . ^{[2] [3]} Отрицательная и положительная области диода также являются катодом и анодом компонента соответственно (см. Рисунок 1).

Различия между этими двумя материалами и их взаимодействие на очень коротких расстояниях (менее миллиметра) приводят к образованию диода при соединении двух типов. Соединение этих двух типов создает p-n-переход, а область между двумя сторонами называется обедненной областью, поскольку электроны из области n-типа диффундируют и заполняют некоторые дыры в области p-типа.Это создает отрицательные ионы в области p-типа и оставляет положительные ионы в области n-типа (см. Рисунок 2). ^[4] Он по-разному реагирует на электрические поля в зависимости от направления электрического поля. Это приводит к полезному поведению электроники в зависимости от того, каким образом приложено напряжение (или электрическое поле), это называется смещением.

Смещение

Диод (PN переход) в электрической цепи позволяет току течь легче в одном направлении, чем в другом.Прямое смещение означает подачу напряжения на диод, позволяющее легко протекать току, в то время как обратное смещение означает подачу напряжения на диод в противоположном направлении. Напряжение с обратным смещением не вызывает протекания заметного тока. Это полезно для изменения переменного тока на постоянный. У него есть и другие применения для управления электронными сигналами.

Обратное смещение

Рис. 2. Обратносмещенный p-n-переход с черными кружками, представляющими легко перемещаемые электроны, и белыми кружками, представляющими электронно-дефицитные «дырки».«В таком соединении с обратным смещением, как этот, электроны покидают черные кружки и движутся к внешней цепи, оставляя больше положительных ионов, в то время как электроны из внешней цепи« заполняют дыры », создавая больше отрицательных ионов.

Если на диод подается напряжение таким образом, что половина диода n-типа была подключена к положительной клемме источника напряжения, а половина p-типа была подключена к отрицательной клемме, электроны из внешней цепи создаст больше отрицательных ионов в области p-типа, «заполняя дыры», и больше положительных ионов будет создано в области n-типа, поскольку электроны смещаются к положительному выводу источника напряжения (см. рисунок 2).Следовательно, область обеднения будет увеличиваться, и напряжение между областями p-типа и n-типа также будет увеличиваться, поскольку общий заряд на каждой стороне перехода увеличивается по величине до тех пор, пока напряжение на диоде не станет равным и противодействует приложенному напряжению и не компенсирует его, прекращая ток через цепь. Этот процесс происходит почти мгновенно и практически не приводит к протеканию тока через цепь, когда напряжение подается в этом направлении через диод. Это известно как p-n-переход с обратным смещением. ^[5]

Прямой сдвиг

Рис. 3. Частично и полностью смещенный в прямом направлении p-n переход. Обратите внимание, что для сжатия обедненной области требуется минимальное напряжение.

Когда на диод подается напряжение в противоположном направлении, область обеднения начинает сокращаться (см. Рисунок 3). В диоде с обратным смещением электроны и дырки будут отводиться от перехода, но сценарий с прямым смещением гарантирует, что электроны и дырки движутся к переходу, поскольку они отталкиваются от положительных и отрицательных выводов источника напряжения соответственно. . ^{[1] [6]} При достаточно большом приложенном напряжении и дырки, и электроны преодолеют область истощения и встретятся около перехода, где они могут объединиться в непрерывном процессе, замыкая цепь и позволяя течь току. .

Прямое напряжение и напряжение пробоя

Существует минимальное пороговое напряжение, необходимое для преодоления области истощения, которое для большинства кремниевых диодов составляет значительные 0,7 вольт. Кроме того, напряжение обратного смещения индуцирует через диод небольшой ток, называемый током утечки, которым можно пренебречь для большинства целей.Наконец, достаточно большое обратное напряжение приведет к полному электрическому пробою диода и позволит току течь через диод в обратном направлении. ^[1]

Для получения дополнительной информации о диодах см. Все о схемах или гиперфизике.

Для дальнейшего чтения

Для получения дополнительной информации см. Соответствующие страницы ниже:

Список литературы

PN Характеристики переходного диода и диода

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

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

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

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

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

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

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

Обозначение соединительного диода и статические вольт-амперные характеристики

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

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

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

Диод с нулевым смещением

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

.

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

Переходный диод PN с нулевым смещением

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

Тогда «Равновесие» или баланс будет установлен, когда основные несущие равны и оба движутся в противоположных направлениях, так что конечный результат — нулевой ток, текущий в цепи. Когда это происходит, соединение считается находящимся в состоянии « Dynamic Equilibrium ».

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

Обратно смещенный PN диод

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

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

В результате обедненный слой становится шире из-за недостатка электронов и дырок и представляет собой путь с высоким импедансом, почти изолятором и высоким потенциальным барьером, создаваемым поперек перехода, предотвращая протекание тока через полупроводниковый материал.

Увеличение слоя истощения из-за обратного смещения

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

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

Кривая обратной характеристики

для переходного диода

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

Прямо смещенный диод PN

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

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

Кривая прямой характеристики

для переходного диода

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

Снижение уровня истощения из-за прямого смещения

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

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

Краткое описание переходных диодов

Область PN-перехода диода Junction имеет следующие важные характеристики:

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

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

Идеальные и реальные характеристики соединительного диода

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

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

Твердотельные диоды и характеристики диодов [Analog Devices Wiki]

В электронике диод — это двухконтактный компонент с несимметричным током vs.характеристика напряжения, с низким (в идеале нулевым) сопротивлением току в одном направлении и высоким (идеально бесконечным) в другом. Кремниевый полупроводниковый диод, наиболее распространенный тип, представляет собой монокристаллический кусок полупроводникового материала с PN-переходом, подключенным к двум электрическим выводам.

5.1 PN-переход

PN-переход формируется путем соединения полупроводников p-типа и n-типа вместе в монокристаллической решетке. Термин переход относится к границе раздела, где встречаются две области полупроводника.Если переход был построен из двух отдельных частей, это привело бы к разрыву в кристаллической решетке, поэтому PN-переходы создаются в монокристалле полупроводника путем введения определенных примесей, называемых легирующими добавками, например, ионной имплантацией, диффузией или эпитаксией (выращиванием). слой кристалла, легированного примесями n-типа, поверх слоя кристалла, легированного примесями p-типа, например).

PN-переходы являются элементарными строительными блоками почти всех полупроводниковых электронных устройств, таких как диоды, транзисторы, солнечные элементы, светодиоды и интегральные схемы; они являются активными сайтами, где происходит электронное действие устройства.Например, обычный тип транзистора, транзистор с биполярным соединением, состоит из двух последовательно соединенных PN-переходов в форме NPN или PNP.

5.1.1 Свойства PN-перехода

PN-переход демонстрирует некоторые интересные свойства, которые находят полезное применение в твердотельной электронике. Полупроводник, легированный p-примесью, относительно проводящий. То же самое верно и для полупроводника с примесью n-типа, но переход между областями p- и n-типа является непроводником. Этот непроводящий слой, называемый обедненным слоем, возникает из-за того, что электрически заряженные носители, электроны в кремнии n-типа и дырки в кремнии p-типа, диффундируют в материал другого типа ( i.е. электронов в p-типе и дырках в n-типе) и устраняют друг друга в процессе, называемом рекомбинацией. Эта диффузия заряда вызывает встроенную разность потенциалов в обедненной области. Путем манипулирования этим непроводящим слоем PN-переходы обычно используются как диоды: элементы схемы, которые пропускают электрический ток в одном направлении, но не в другом (противоположном) направлении. Это свойство объясняется в терминах прямого смещения и обратного смещения, где термин смещение относится к приложению электрического напряжения к PN-переходу.PN-переход будет проводить ток, когда приложенное внешнее напряжение превышает встроенный потенциал перехода.

5.1.2 Равновесие (нулевое смещение)

В PN-переходе без внешнего приложенного напряжения достигается состояние равновесия, при котором на переходе образуется разность потенциалов. Эта разность потенциалов называется встроенным потенциалом, В _BI .

На стыке полупроводников p-типа и n-типа более высокая концентрация электронов в области n-типа вблизи интерфейса PN имеет тенденцию диффундировать в область p-типа.По мере того, как электроны диффундируют, они оставляют положительно заряженные ионы (доноры) в n-области. Точно так же более высокая концентрация дырок на стороне p-типа вблизи интерфейса PN начинает диффундировать в область n-типа, оставляя фиксированные ионы (акцепторы) с отрицательным зарядом. Области, непосредственно прилегающие по обе стороны от интерфейса PN, теряют свою нейтральность и становятся заряженными, образуя область пространственного заряда или обедненный слой (см. Рисунок 5.1).

Рисунок 5.1 PN-переход в состоянии равновесия.

Электрическое поле, создаваемое областью пространственного заряда, препятствует процессу диффузии как для электронов, так и для дырок.Есть два одновременных явления: процесс диффузии, который имеет тенденцию генерировать больший объемный заряд, и электрическое поле, создаваемое объемным зарядом, которое стремится противодействовать диффузии. В состоянии равновесия эти две силы уравновешивают друг друга. Профиль концентрации носителей в состоянии равновесия показан на рисунке 5.1 синими и красными линиями. Также показаны два уравновешивающих явления, которые устанавливают равновесие.

Область пространственного заряда — это зона с чистым зарядом, обеспечиваемым фиксированными ионами (донорами или акцепторами), которые остались открытыми в результате диффузии основных носителей заряда.Когда равновесие достигнуто, плотность заряда аппроксимируется ступенчатой ​​функцией, отображаемой на графике Q (x) на рисунке 5.2. Фактически, область полностью обеднена основными носителями (оставляя плотность заряда равной чистому уровню легирования), а граница между областью пространственного заряда и нейтральной областью довольно резкая. Область пространственного заряда имеет одинаковый заряд по обе стороны от интерфейса PN, поэтому она простирается дальше на менее легированную сторону (сторона n на рисунках 5.1 и 5.2).

5.1.3 Прямое смещение

При прямом смещении положительное напряжение прикладывается к стороне p-типа по отношению к стороне n-типа перехода. При приложении напряжения таким образом дырки в области p-типа и электроны в области n-типа вытесняются в сторону перехода. Это уменьшает ширину истощающего слоя. Положительный заряд, приложенный к материалу p-типа, отталкивает дырки, в то время как отрицательный заряд, приложенный к материалу n-типа, отталкивает электроны.Расстояние между электронами и дырками уменьшается по мере того, как они движутся к стыку. Это снижает встроенный потенциальный барьер. С увеличением напряжения прямого смещения обедненный слой в конечном итоге становится достаточно тонким, чтобы встроенное электрическое поле больше не могло противодействовать движению носителей заряда через PN-переход, что, в свою очередь, снижает электрическое сопротивление. Электроны, которые пересекают PN-переход в материал p-типа (или дырки, которые проникают в материал n-типа), будут диффундировать в почти нейтральную область.Следовательно, степень диффузии неосновной части в зонах, близких к нейтральной, определяет величину тока, который может протекать через диод.

Только основные носители (электроны в материале n-типа или дырки в материале p-типа) могут протекать через полупроводник на макроскопическую длину. Имея это в виду, рассмотрим поток электронов через переход. Прямое смещение вызывает силу на электронах, толкающую их со стороны N в сторону P. При прямом смещении область обеднения достаточно узкая, чтобы электроны могли пересекать переход и инжектироваться в материал p-типа.Однако они не продолжают течь через материал p-типа бесконечно, потому что для них энергетически выгодно рекомбинировать с дырками. Средняя длина, которую электрон проходит через материал p-типа до рекомбинации, называется диффузионной длиной, и обычно она составляет порядка микрон.

Хотя электроны проникают в материал p-типа только на короткое расстояние до рекомбинации, электрический ток продолжается непрерывно, потому что дырки (основные носители) начинают течь в противоположном направлении, заменяя те, с которыми рекомбинируются электроны неосновных носителей.Полный ток (сумма токов электронов и дырок) постоянен в пространстве, потому что любое изменение вызовет накопление заряда с течением времени (это текущий закон Кирхгофа). Поток дырок из области p-типа в область n-типа в точности аналогичен потоку электронов от N к P (электроны и дырки меняются ролями, и знаки всех токов и напряжений меняются местами).

Следовательно, макроскопическая картина протекания тока через диод включает в себя электроны, протекающие через область n-типа к переходу, дырки, протекающие через область p-типа в противоположном направлении к переходу, и два типа носителей, постоянно рекомбинирующих в окрестность (определяемая диффузионной длиной) перехода.Электроны и дырки движутся в противоположных направлениях, но они также имеют противоположные заряды, поэтому общий ток идет в одном направлении с обеих сторон диода, если требуется.

5.1.4 Обратное смещение

Обратное смещение обычно относится к тому, как диод используется в цепи. Если диод смещен в обратном направлении, напряжение на катоде выше, чем на аноде. Следовательно, ток не будет течь, пока электрическое поле не станет настолько сильным, что диод не сломается.

Поскольку материал p-типа теперь подключен к отрицательной стороне приложенного напряжения, отверстия в материале p-типа отодвигаются от перехода, что приводит к увеличению толщины обедненного слоя.Точно так же, поскольку область n-типа подключена к положительной стороне, электроны также будут отводиться от перехода. Следовательно, обедненный слой расширяется и увеличивается с увеличением напряжения обратного смещения. Это увеличивает барьер напряжения, вызывая высокое сопротивление потоку носителей заряда, таким образом, позволяя только очень небольшому электрическому току протекать через PN-переход.

Напряженность электрического поля обедненного слоя увеличивается по мере увеличения напряжения обратного смещения.Как только напряженность электрического поля превышает критический уровень, слой истощения PN-перехода разрушается, и начинает течь ток, обычно в результате процессов пробоя Зенера или лавинного пробоя. Оба эти процесса пробоя являются неразрушающими и обратимыми, пока величина протекающего тока не достигает уровней, которые вызывают перегрев полупроводникового материала и термическое повреждение.

Этот эффект используется в схемах стабилизаторов на стабилитронах.Стабилитроны имеют четко определенное низкое обратное напряжение пробоя по своей конструкции. Типичное значение напряжения пробоя составляет, например, 6,2 В. Это означает, что напряжение на катоде никогда не может быть более чем на 6,2 В выше, чем напряжение на аноде, потому что диод выйдет из строя и, следовательно, станет проводящим, если напряжение станет выше. Это эффективно ограничивает напряжение на диоде.

Другое применение, где используются диоды с обратным смещением, — это варакторные диоды (переменные конденсаторы).Слой обеднения действует как изолятор между двумя проводящими пластинами или выводами диода. Емкость зависит от ширины изоляционного слоя и его площади. Ширина зоны истощения любого диода изменяется в зависимости от приложенного напряжения. Это изменяет емкость диода. Варакторы специально спроектированы так, чтобы одна сторона PN-перехода была слегка легированной, поэтому на этой стороне диода будет большая область обеднения. Эта более толстая область также будет больше зависеть от приложенного напряжения смещения, и, таким образом, изменение емкости диода (ΔC / ΔV) будет сильно зависеть от приложенного напряжения смещения.

Сводка раздела

Свойства прямого смещения и обратного смещения PN-перехода предполагают, что он может использоваться в качестве диода. Диод с PN-переходом позволяет электрическим зарядам течь в одном направлении, но не в противоположном; отрицательные заряды (электроны) могут легко проходить через переход от N к P, но не от P к N, и обратное верно для дырок. Когда PN-переход смещен в прямом направлении, электрический заряд течет свободно из-за пониженного сопротивления PN-перехода.Однако, когда PN-переход имеет обратное смещение, барьер перехода (и, следовательно, сопротивление) становится больше, а поток заряда очень мал.

5.2 Фактические диоды

На рисунке 5.3 ниже схематично изображен диод (a) и показан типичный лабораторный диод (b). Диоды — довольно распространенные и полезные устройства. Можно представить себе диод как устройство, которое позволяет току течь только в одном направлении. Это чрезмерное упрощение, но хорошее приближение.

Рисунок 5.3: (a) Схематический символ диода (b) малосигнальный диод.

Как обсуждалось ранее, полупроводниковые диоды изготавливаются в виде двухслойной структуры, образующей PN переход. Полупроводники, такие как кремний или германий, можно легировать небольшими концентрациями определенных примесей, чтобы получить материал, который проводит электричество посредством переноса электронов (n-тип) или через дырки (p-тип). Когда слои из этих двух типов легированного полупроводника построены так, чтобы сформировать PN-переход, электроны мигрируют от стороны n-типа, а дырки мигрируют от стороны p-типа, как показано на рисунке.5.1. Это перераспределение заряда приводит к появлению потенциального промежутка В _BI через переход, как показано на рисунке. Этот зазор равен VBI ~ 0 . 7 В для кремния и ~ 0 . 3 В для германия.

Рисунок 5.4 PN-переход, образующий промежуток напряжения на переходе.

Когда этот диод с PN-переходом теперь подключен к внешнему напряжению, это может эффективно увеличивать или уменьшать встроенный потенциальный зазор.Это приводит к очень разному поведению, в зависимости от полярности этого внешнего напряжения, как показано на типичном графике В — I на рисунке. 5.5. Когда диод смещен в обратном направлении, как показано на рисунке 5.6, зазор увеличивается, и через переход проходит очень небольшой ток (пока в конечном итоге в этом примере не произойдет пробой поля при ~ 6,2 В). Напротив, конфигурация с прямым смещением уменьшает зазор, приближаясь к нулю для внешнего напряжения, равного напряжению зазора, и ток может течь легко.

Выражение для напряжения на диоде (прямое смещение) В _D выглядит следующим образом:

(5.1)

Где:
В _D = приложенное напряжение на диоде
k = постоянная Больцмана (1,38E-23 Дж / Кельвин)
T = абсолютная температура в Кельвинах
q = заряд электрона (1,6E-19 Кулонов)
I _D = фактический ток через диод
I _S = ток диффузии (постоянная, зависящая от устройства)
(Так называемое тепловое напряжение, В _T , составляет кТ / q = 26 мВ при комнатной температуре.)

Приведенное выше уравнение можно изменить, чтобы получить I _D :

(5.2)

Таким образом, при обратном смещении диод ведет себя как разомкнутый переключатель; и при прямом смещении для токов примерно 10 мА или больше диод дает почти постоянное падение напряжения ~ 0,7 В . Диффузионный ток I _S, зависит от уровня легирования примесей n-типа и p-типа, площади диода и (в очень большой степени) от температуры.Разумной отправной точкой для диода интегральной схемы с малой геометрией является I _S = 1E ^-16 .

Рисунок 5.5: Зависимость напряжения В _D от тока, поведение диода I _D

Противоположные заряды в полупроводниковом переходе не отличаются от зарядов на пластинах конденсатора. Итак, у каждого перехода есть емкость; но поскольку расстояние между электронами и дырками, обедненный слой, изменяется с приложенным напряжением, емкость зависит от приложенного напряжения.Чем ниже напряжение, тем выше емкость, и она будет увеличиваться прямо в область прямого смещения.

Рисунок 5.6 Характеристики напряжения в зависимости от тока стабилитрона на 6,2 В

Еще одна вещь, на которую следует обратить внимание в отношении реальных диодов, — это последовательное сопротивление в полупроводниковом материале, не принимаемое областью обеднения. Для обычной концентрации 5E ¹⁵ (количество атомов примеси на кубический сантиметр, что дает практическое напряжение пробоя в ИС около 25 В), объемное удельное сопротивление составляет около 1 Ом · см для кремния, легированного фосфором (n-типа), и 3 Ом-см для бора (р-тип).Для сравнения, такой металл, как алюминий, имеет удельное сопротивление 2,8 мкОм-см, медь — 1,7 мкОм-см. Объемное удельное сопротивление (ρ или rho) измеряется между противоположными поверхностями куба материала с длиной стороны (w, h, l) 1 см (10 мм).

5.3 Температурное поведение диодов

Из уравнения напряжения диода 5.1 мы можем видеть, что оно содержит член абсолютной температуры T. Кроме того, диффузионный ток I _S не является на самом деле постоянным, но сильно зависит от температуры.В нижнем наборе графиков на рисунке 5.7 смоделированное напряжение диода в зависимости от температуры показано для четырех различных токов диода (зеленый = 1 мА , синий = 2 мА , красный = 5 мА и голубой = 10 мА). Из графиков видно, что напряжение на диоде имеет довольно сильную отрицательную температурную зависимость.

На верхнем графике показана разница между кривыми 2 мА и 1 мА вместе с разницей между кривыми 5 мА и 10 мА. Эти два результата лежат точно друг на друге.Причина этого станет очевидной, если мы рассмотрим уравнение напряжения на диоде более внимательно.

Рисунок 5.7 Зависимость напряжения диода от температуры при 1 мА, 2 мА, 5 мА и 10 мА

(5,3)

Переставляя и принимая I _S1 = I _S2 , получаем:

(5,4)

Теперь сильный температурный эффект I _S выпадает из уравнения, и у нас остается только член абсолютной температуры, T, который делает ΔV _D пропорциональным абсолютной температуре (PTAT).Оба V _D2 — V _D1 и V _D4 — V _D3 имеют одинаковое соотношение 2: 1 для своих токов, и, таким образом, кривые ΔV _D будут точно лежать на друг над другом. При комнатной температуре тепловое напряжение В _T составляет около 26 мВ , что при умножении на ln (2) составляет примерно 18 мВ, видимых на графике при 25 градусах.

5.4 Линейная модель

Линейная модель диода аппроксимирует экспоненциальную характеристику I — V прямой линией, касательной к реальной кривой в точке смещения постоянного тока.На рисунке 5.8 показана кривая с касательной в точке ( V _D , I _D ). Кривая пересекает горизонтальную ось при напряжении В _D0 . Для небольших изменений в V _D и I _D относительно точки касания касательная линия дает хорошее приближение к реальной кривой.

Рисунок 5.8 Характеристики I — V с касательной при ( V _D , I _D )

Наклон касательной определяется по формуле:

(5.5)

I _D часто намного больше, чем I _S , поэтому уравнение часто упрощается до:

(5,6)

Уравнение касательной:

(5,7)

5.5 Модель слабого сигнала

Поскольку уравнение диода для I _D как функции V _D является нелинейным, инструменты анализа линейных цепей не могут быть применены к схемам, содержащим диоды, так же, как это было бы для схемы, содержащей только резисторы.Однако, если ток диода известен для конкретного напряжения, можно использовать линейный анализ цепи для прогнозирования изменения тока при заданном изменении напряжения, при условии, что это изменение будет постепенно небольшим. Такой подход называется анализом слабого сигнала. Несколько слов об обозначениях:

Где:
V _D и I _D — значения смещения постоянного тока, а v _d и i _d — малосигнальные изменения значений смещения.

Сопротивление слабого сигнала определяется как отношение v _d к i _d и определяется как:

(5,8)

Это приводит к тому же r _d , что и в модели линейного касательного диода на рисунке 5.8. Таким образом, слабосигнальная модель диода при прямом смещении представляет собой резистор номиналом r _d . Значение r _d обратно пропорционально протекающему через него току. Каждый раз, когда ток удваивается, сопротивление уменьшается вдвое.Из модели линейного диода следует, что r _d можно интерпретировать графически как обратную величину наклона кривой i _D относительно v _D в точке ( V _D , I _D ) .

Сводка раздела

1. Полупроводники содержат два типа мобильных носителей заряда: положительно заряженные дырки и отрицательно заряженные электроны.
   

2. Полупроводник может быть легирован донорными примесями (легирование n-типа) так, чтобы он содержал подвижные заряды, являющиеся электронами.
   

3. Полупроводник может быть легирован акцепторными примесями (легирование p-типа), так что он содержит подвижные заряды, которые являются дырками.
   

4. Есть два важных механизма протекания тока в полупроводнике:
   

   1. диффузия носителей в результате градиента концентрации; и
      

   2. дрейф носителей в электрическом поле.
      

5. В состоянии равновесия через PN-переход создается встроенный потенциальный или потенциальный барьер В _BI вольт.
   
6. При приложении напряжения прямого смещения В _DF встроенный потенциал снижается до В _BI — В _D , и ток течет через диод, когда В _DF больше В _BI .
   
7. При приложении напряжения обратного смещения В _DR высота потенциального барьера увеличивается до В _BI + В _DR , и может течь небольшой ток.
   
8. Когда В _BI + В _DR больше некоторого критического напряжения, когда электрическое поле выше диэлектрической прочности полупроводника, происходит обратный пробой перехода и течет ток.
   
9. Полный ток диода I _D связан с приложенным напряжением В _D соотношением

ADALM1000 Лабораторное занятие 2. Диод I vs.Кривые напряжения V
ADALM1000 Lab Activity, емкость PN перехода, зависящая от напряжения

Лабораторное занятие ADALM2000 2. Кривые зависимости диода I от V
Лабораторное занятие ADALM2000, зависящая от напряжения емкость PN-перехода
Лабораторное занятие ADALM2000: датчик дифференциальной температуры

Вернуться к предыдущей главе

Перейти к следующей главе

Вернуться к содержанию

Как работают диоды Шоттки | ОРЕЛ

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

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

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

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

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

( Источник изображения )

Диод Шоттки: преимущества и недостатки

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

( Источник изображения )

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

( Источник изображения )

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

Другие преимущества использования диода Шоттки по сравнению с обычным диодом:

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

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

Диоды Шоттки

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

Как работает диод Шоттки

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

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

( Источник изображения )

Беспристрастное состояние

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

( Источник изображения )

Состояние с прямым смещением

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

( Источник изображения )

Состояние с обратным смещением

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

( Источник изображения )

Производство диодов Шоттки и параметры

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

( Источник изображения )

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

( Источник изображения )

Параметры диода Шоттки

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

Примеры диодов Шоттки

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

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

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

Управляйте потоком

Планируете работать с ВЧ или силовым приложением, требующим работы от низкого напряжения? Диоды Шоттки — это то, что вам нужно! Эти диоды известны своим низким прямым падением напряжения и быстрой скоростью переключения. Независимо от того, используются ли они в солнечных элементах или в выпрямлении энергии, вы не сможете превзойти низкое падение напряжения 0,3 В и дополнительную эффективность.Autodesk EAGLE уже включает в себя массу бесплатных библиотек диодов Шоттки, готовых к использованию. Не нужно делать свое собственное. Загрузите Autodesk EAGLE бесплатно сегодня!

Что такое защита от обратного напряжения?

Что такое защита от обратного напряжения

Цепи защиты от обратного напряжения предотвращают повреждение источников питания и электронных схем в случае подачи обратного напряжения на входные или выходные клеммы. Защита от обратного напряжения реализована на входе источника питания или на плате заказных резервных источников питания с несколькими выходами.Это важно в большинстве электронных приложений, таких как ноутбуки, компьютеры, схемы CMOS и т. Д.

Защита гарантирует, что компоненты не будут повреждены при случайной замене разъемов источника питания. Существуют различные методы, различающиеся работой, эффективностью и сложностью. В то время как некоторые, такие как диод или автоматический выключатель, обеспечивают только защиту от обратного напряжения, другие, такие как защитные ИС, обеспечивают защиту от обратного напряжения, перегрузки по току и перенапряжения.

Чтобы заблокировать отрицательное напряжение, разработчики обычно размещают силовой диод или P-канальный MOSFET последовательно с источником питания.Одним из недостатков последовательного диода является то, что он занимает место на плате и имеет большое рассеивание мощности при высоких токах нагрузки.

С другой стороны, полевой МОП-транзистор рассеивает меньше энергии, даже если он требует дополнительной схемы привода, что увеличивает стоимость. Оба решения влияют на работу с низким энергопотреблением, особенно на последовательный диод. Кроме того, решения могут не подходить при очень высоких токах нагрузки.

Защита от обратного напряжения с помощью диода

Диод включен последовательно с нагрузкой и позволяет мощности достигать нагрузки только при прямом смещении.Если напряжение меняется на противоположное, оно блокирует напряжение, и обратная мощность не достигает нагрузки. Использование диода — самый простой метод и его преимущество в низкой стоимости.

Недостатки использования диода: прямое падение напряжения, которое может быть значительным при низком напряжении, большое рассеивание мощности при высоких токах нагрузки и низкий КПД. Иногда используется диод Шоттки из-за его быстрого отклика и низкого падения напряжения прямого смещения.

Рисунок 1: Диод, включенный последовательно с нагрузкой. Изображение предоставлено.

Использование MOSFET для защиты от обратного напряжения

Для лучшей защиты используются полевые МОП-транзисторы, преимущество которых заключается в очень низком сопротивлении.Этот метод предполагает использование полевого МОП-транзистора P-типа на стороне питания на пути питания или полевого МОП-транзистора нижнего уровня на пути заземления.

Рисунок 2: Защита с использованием PMOSFET Image Credit

В каждой из схем полевого МОП-транзистора основной диод транзистора смещен в прямом направлении во время нормальной работы. Когда питание подключено правильно, напряжение затвора полевого транзистора принимается низким для PMOS и высоким, если это NMOS, так что канал закорачивает диод.

Когда напряжение питания меняется на противоположное, напряжение затвора PMOSFET высокое, и это препятствует его включению, а значит, не позволяет обратному напряжению достигать нагрузки.Для NMOSFET напряжение затвора низкое.

Использование автоматических выключателей для защиты от обратного напряжения

Выключатели используются в приложениях с высокой мощностью от 500 Вт до нескольких киловатт. При таких высоких токах использование диодов или даже диодов Шоттки нецелесообразно из-за большого рассеяния мощности и неэффективности. Электронные автоматические выключатели используются вместе с силовым шунтирующим диодом.

Когда полярность нормальная и автоматический выключатель включен, ток течет от клеммы заземления к клемме –48.При изменении полярности диод отключения питания будет проводить и создавать короткое замыкание, которое отключает автоматический выключатель.

Схема дорогая, громоздкая и требует ручной переустановки автоматического выключателя, поэтому не подходит для удаленных установок. Кроме того, точность автоматического выключателя может быть недостаточной в приложениях, требующих точного ограничения тока.

Рисунок 3: Использование автоматического выключателя для защиты от обратного напряжения Image Credit

Использование контроллера ORing

В этом методе ИС регулятора напряжения используется вместе с силовым полевым МОП-транзистором, чтобы обеспечить простую и эффективную защиту от обратной полярности.Контроллер работает автоматически, и пока полярность правильная, ИС правильно смещена, так что она включает полевой транзистор. Когда полярность изменена, IC не имеет правильного смещения и не будет работать, чтобы включить полевой транзистор с обратным смещением. Полевой транзистор остается выключенным и предотвращает поступление обратной мощности на нагрузку.

Рисунок 4: Защита от обратной полярности с помощью контроллера ORing Image Credit

Цепи защиты от перенапряжения и обратного напряжения

Защитные ИС, такие как LTC 4365, предназначены для защиты чувствительных цепей от обратной полярности, перегрузки по току и перенапряжения.ИС блокирует нежелательный ток или напряжение и пропускает только безопасное напряжение.

Что такое прямое напряжение диода? (с изображением)

Прямое напряжение на диоде относится к падению напряжения, которое возникает, когда электрический ток проходит через диод в электрической цепи. Обычно он не зависит от величины тока, проходящего через диод, и будет одинаковым для данного семейства диодов. Для кремниевых диодов, которые обычно встречаются чаще всего, прямое падение напряжения на диоде составляет около 0.7 вольт (В).

Диоды — это устройства, пропускающие электрический ток только в одном направлении, и поэтому их можно рассматривать как своего рода односторонний клапан для электронов.Когда электроны движутся в правильном направлении для прохождения через диод, говорят, что диод смещен в прямом направлении . Таким образом, прямое падение напряжения на диоде также известно как прямое падение напряжения смещения .

Диоды работают за счет небольшого количества легированного полупроводникового материала, зажатого между их электродами, которые пропускают электроны в одном направлении, но не в другом.Этот материал имеет две зоны: n-зона , богатая отрицательно заряженными электронами, и p-зона , бедная электронами. Можно представить, что зона p имеет положительные дырки, которые могут принимать электроны из зоны n. Когда две зоны объединяются, чтобы сформировать pn-переход , электроны переходят из n-зоны в p-зону до тех пор, пока все электроны n-зоны, доступные для использования в качестве носителей тока, не будут израсходованы, и pn-переход станет изолятор .

Если новые электроны вводятся в обедненную n-зону, в то время как они удаляются из насыщенной p-зоны, электрический ток будет течь через переход.Вот что происходит, когда диод смещен в прямом направлении. Электроны должны быть вытолкнуты напряжением с достаточной силой, чтобы пересечь p-n переход, и этот толчок является источником прямого напряжения на диоде или падения напряжения прямого смещения.

Если полярность цепи поменяна, и делается попытка инжектировать электроны в p-зону, пока они удалены из n-зоны, говорят, что диод смещен в обратном направлении , и ток не будет течь.Если это напряжение обратного смещения превышает определенное значение — максимальное обратное напряжение — диод может выйти из строя и пропустить большие токи в процессе, известном как пробой обратного напряжения . Тогда диод будет безвозвратно поврежден.

Как уже говорилось, разные типы диодов имеют разные падения напряжения в прямом направлении.Прямое падение напряжения простого светодиода (СИД) может составлять от 1,4 до 4 В в зависимости от типа. Для диода Шоттки прямое падение напряжения обычно составляет всего 0,2 В.

.