Прохождение тока через диод. Наука техника технологии

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД — полупроводниковый прибор с двумя электродами, обладающий односторонней проводимостью. К полупроводниковым диодам относят обширную группу приборов с p-n-переходом, контактом металл — полупроводник и др. Наиболее распространены электропреобразовательные полупроводниковые диоды. Служат для преобразования и генерирования электрических колебаний. Один из основных современных электронных приборов. Принцип действия полупроводникового диода : В основе принципа действия полупроводникового диода — свойства электронно-дырочного перехода, в частности, сильная асимметрия вольт-амперной характеристики относительно нуля. Таким образом различают прямое и обратное включение. В прямом включении диод обладает малым электросопротивлением и хорошо проводит электрический ток. В обратном — при напряжении меньше напряжения пробоя сопротивление очень велико и ток перекрыт. Характеристики:

2.Полупроводниковые диоды, прямое и обратное включение, вах:

Прямое и обратное включение:

При прямом включении p-n-перехода внешнее напряжение создает в переходе поле, которое противоположно по направлению внутреннему диффузионному полю. Напряженность результирующего поля падает, что сопровождается сужением запирающего слоя. В результате этого большое количество основных носителей зарядов получает возможность диффузионно переходить в соседнюю область (ток дрейфа при этом не изменяется, поскольку он зависит от количества неосновных носителей, появляющихся на границах перехода), т.е. через переход будет протекать результирующий ток, определяемый в основном диффузионной составляющей. Диффузионный ток зависит от высоты потенциального барьера и по мере его снижения увеличивается экспоненциально.

Повышенная диффузия носителей зарядов через переход привод к повышению концентрации дырок в области n-типа и электронов в области p-типа. Такое повышение концентрации неосновных носителей вследствие влияния внешнего напряжения, приложенного к переходу, называется инжекцией неосновных носителей. Неравновесные неосновные носители диффундируют вглубь полупроводника и нарушают его электронейтральность. Восстановление нейтрального состояния полупроводника происходит за счет поступления носителей зарядов от внешнего источника. Это является причиной возникновения тока во внешней цепи, называемого прямым.

При включении p-n-перехода в обратном направлении внешнее обратное напряжение создает электрическое поле, совпадающее по направлению с диффузионным, что приводит к росту потенциального барьера и увеличению ширины запирающего слоя. Все это уменьшает диффузионные токи основных носителей. Для неосновных носителе поле в p-n-переходе остается ускоряющим, и поэтому дрейфовый ток не изменяется.

Таким образом, через переход будет протекать результирующий ток, определяемый в основном током дрейфа неосновных носителей. Поскольку количество дрейфующих неосновных носителей не зависит от приложенного напряжения (оно влияет только на их скорость), то при увеличении обратного напряжения ток через переход стремиться к предельному значению IS , которое называется током насыщения. Чем больше концентрация примесей доноров и акцепторов, тем меньше ток насыщения, а с увеличением температуры ток насыщения растет по экспоненциальному закону.

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

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

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

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

прямое включение диода иобратное включение диода .

График прямого включения нарисован в первом квадранте. Отсюда видно, что чем больше напряжение, тем больше ток. Причём до какого-то момента напряжение растёт быстрее, чем ток. Но затем наступает перелом, и напряжение почти не меняется, а ток начинает расти. Для большинства диодов этот перелом наступает в диапазоне 0,5…1 В. Именно это напряжение, как говорят, «падает» на диоде. Эти 0,5…1 В и есть падение напряжения на диоде. Медленный рост тока до напряжения 0,5…1В означает, что на этом участке ток через диод практически не идёт даже в прямом направлении.

График обратного включения нарисован в третьем квадранте. Отсюда видно, что на значительном участке ток почти не изменяется, а затем увеличивается лавинообразно. Если увеличить, напряжение, например, до нескольких сотен вольт, то это высокое напряжение «пробьёт» диод, и ток через диод будет течь. Вот только «пробой» — это процесс необратимый (для диодов). То есть такой «пробой» приведет к выгоранию диода и он либо вообще перестанет пропускать ток в любом направлении, либо наоборот – будет пропускать ток во всех направлениях.

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

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

Свойство полупроводника p-n типа, проводить электрический ток в одном направлении и не проводить в обратном направлении, нашло применение в электронном приборе под названием «Диод».

На рисунке 1 показано прямое включение диода при котором диод проводит электрический ток, а на рисунке 2 обратное включение диода при котором диод не проводит электрический ток. Так ведет себя диод включенный в цепь постоянного тока. Токи и соответствующие им напряжения называются прямым током (при включении диода в проводящем направлении) и соответствующее ему напряжение — прямое напряжение. При обратном включении токи и напряжения соответственно называются обратным током и обратным напряжением.

На графике вольт — амперная характеристика выглядит как показано на рисунке. Так как диоды применяются в различных областях радио и электроники то основными параметрами диодов являются прямой Iпр ток и соответствующее ему прямое напряжение Uпр, допустимое обратное напряжение Uобр и соответствующий ему обратный ток Iобр.

Основное назначение диодов, это преобразование переменного тока в постоянный. Рассмотрим как, например, получить постоянный ток из переменного для питания радиоприемника.

Понижающий трансформатор (см. рисунок) преобразует переменное напряжение 220V осветительной сети в низкое 6V переменное напряжение (график 1). Так как диод пропускает ток только в одном направлении то после диода мы получим пульсирующее напряжение только с положительными полуволнами (График 2).
Для того, чтобы получить постоянное напряжение необходимо на выходе выпрямителя включить конденсатор.

При прохождении через диод положительной полуволны переменного тока конденсатор заряжается, в момент отрицательной полуволны переменного тока на выходе диода (точка А) напряжение отсутствует, но так как конденсатор заряжен то на его выводах присутствует постоянное напряжение. Конденсатор постепенно разряжается на нагрузку, в следующий положительный полупериод процесс повторяется, а график напряжения на выходе выпрямителя (точка А) выглядит так как показано на рисунке.

Мы видим, что на выходе выпрямителя присутствует не идеальное постоянное напряжение, а постоянное напряжение с небольшими пульсациями. Пульсации тем меньше, чем больше емкость конденсатора. Обычно в выпрямителях применяют электролитические конденсаторы большой емкости (от 1000 мкф и более). Еще больше сгладить пульсации можно если применить П образный фильтр (о котором мы говорили в теме «Индуктивности») состоящий из 2 конденсаторов С1 и С2 и дросселя L1.

Еще одно важное применение диодов, это детектирование сигналов. Когда мы изучали тему «Колебательный контур» то говорили, что выделенный колебательным контуром высокочастотный сигнал радиостанции подается на детектор чтобы преобразовать сигнал радиостанции в сигнал звуковой частоты. В эфире хорошо распространяются только высокочастотные сигналы. Высокочастотные сигналы радиостанций модулируются сигналами низкой (НЧ) (звуковой) частоты. Рассмотрим сигнал модулированный по амплитуде. Такой сигнал называется «Амплитудно — Модулированным» — АМ.

Высокая (несущая частота) изменяется по амплитуде низкочастотным сигналом (огибающей). В отличие от НЧ сигнала, частота ВЧ сигнала не меняется со временем.
В детекторе, после диода, НЧ и ВЧ сигналы разделяются.

ВЧ сигнал практически без помех проходит через конденсатор С1 на землю, а НЧ — звуковой сигнал проходит на усилитель низкой частоты, где усиливается и подается на громкоговоритель. Для нормальной работы диода на выходе детектора должна быть включена нагрузка. В нашем случае это сопротивление Rн.

Назначение диодов, это не только выпрямление переменного тока и детектирование сигналов. Существуют, например, такие диоды, как стабилизаторы напряжения. Стабилизирующие диоды называются «стабилитроны». Принцип работы таких диодов основан на пробое p-n перехода при подаче на диод обратного (когда диод не проводит электрического тока) напряжения.

При определенном напряжении (Uпр) p-n переход пробивается, обратный ток резко возрастает а напряжение на диоде остается неизменным (смотрите график). Схема включения стабилитрона показана на рисунке.

Ограничительный резистор Ro включен в цепи для того, чтобы на нем создавалось падение напряжения Ur равное разности между входным напряжением Uвх и выходным напряжением Uвых: Ur = Uвх — Uвых. Очевидно, что стабилизатор напряжения на стабилитроне не может отдавать большую мощность в нагрузку, поэтому такие стабилизаторы применяют как источник образцового напряжения для более мощных стабилизаторов, например на мощных транзисторах. При снятии напряжения со стабилитрона свойства его p-n перехода восстанавливаются.
В справочниках для стабилитронов указывается ток пробоя p-n перехода Iст и напряжение стабилизации Uст.

Так же к обширному классу диодов относятся светоизлучающие диоды которые при прохождении через них небольшого прямого тока излучают световые волны (от инфракрасного излучения до фиолетового).

Используются светодиоды, в основном, как экономичные индикаторы в различных бытовых и промышленных приборах, а так же в пультах дистанционного управления (инфракрасные) для различной электронной аппаратуры (телевизоры, музыкальные центры и т.д.).
Итак, мы знаем, что применение диодов в радиоэлектронной аппаратуре очень разнообразно, это выпрямление переменного тока, детектирование сигналов, стабилизация напряжения, световые индикаторы и так далее. На рисунке показаны наиболее распространенные типы диодов.

Направление электрического потока. Диод

«Приятной особенностью большого количества стандартов является то, что есть из чего выбрать»

Эндрю Таненбаум, профессор информатики

Когда Бенджамин Франклин сделал своё предположение относительно направления потока зарядов (из воска в шерсть), он создал прецедент для электрических обозначений, который существует и по сей день, несмотря на то, что все знают, что электроны являются составными частями заряда, и что при натирании они переходят из шерсти в воск, а не наоборот. Благодаря именно Франклину говорят что электроны имеют отрицательный заряд, и движется этот заряд, на самом деле, в направлении противоположном тому, которое указал Франклин. Поэтому объекты, которые он назвал «отрицательными» (имеющими недостаток заряда), фактически имеют избыток электронов.

К тому времени, когда было открыто истинное направление движения потока электронов, обозначения «положительный» и «отрицательный» уже настолько прочно укоренились в научном сообществе, что попытки изменить их даже не предпринимались, хотя, применительно к «избыточному» заряду, правильно было бы назвать электрон «положительно» заряженным. По большому счету, термины «положительный» и «отрицательный» являются человеческими изобретениями и, как таковые, не имеют абсолютного значения за пределами условного языка научных описаний. С такой же легкостью Франклин мог бы назвать избыток заряда «черным», а его недостаток — «белым», в этом случае ученые говорили бы, что электрон имеет «белый» заряд (при условии использования гипотезы Франклина).

Поскольку мы склонны связывать слово «положительный» с «избытком» а слово «отрицательный» с «недостатком», то стандартное обозначение электрического заряда нам кажется противоположным. Благодаря этому, многие инженеры решили сохранить старое понятие электричества, где «положительный» означает избыток заряда, и соответственно обозначается направление движения зарядов (тока). Такое обозначение известно как общепринятое обозначение потока :

Другие инженеры для обозначения потока зарядов выбрали фактическое направление движения электронов в цепи. Такое обозначение известно как обозначение потока электронов :

Общепринятое обозначение потока показывает нам движение заряда в соответствии со знаками + и — (технически неправильно). Применять это обозначение имеет смысл, но направление движения потока зарядов здесь не соответствует действительности. Обозначение потока электронов показывает нам фактическое направление движения электронов в цепи, но знаки + и — выглядят здесь задом наперед. А вообще, имеет ли значение, как мы определяем направление движения потока зарядов в цепи? Не имеет, если мы последовательно используем одно из обозначений. Производя анализ цепи, вы можете с равным успехом использовать любое из этих обозначений. Понятия напряжения, тока, сопротивления, непрерывности, и даже математические методы анализа, такие как законы Ома и Кирхгофа будут действовать как в одном, так и в другом случае.

Как вы можете убедиться, общепринятому обозначению потока следует большинство инженеров-электриков, и оно встречается в большинстве технических учебников. Обозначение потока электронов встречается в учебниках для начинающих и в трудах профессиональных ученых, особенно физиков твердых тел, которым важно фактическое движение электронов в веществах. Большинство исследований электрических цепей не зависит от технически точного отображения направления потока зарядов, поэтому выбор между общепринятым обозначением потока и обозначением потока электронов произволен…. почти.

Многие электрические устройства допускают прохождение через них реальных токов любого направления без каких либо различий в работе. Например, лампы накаливания излучают свет одинаково эффективно, независимо от направления тока. Они хорошо работают даже при переменном токе (AC), который с течением времени быстро меняет свое направление. Проводники и выключатели также отлично работают независимо от направления тока. Все вышеперечисленные компоненты (электрическая лампочка, выключатель и провода) называются неполярными . И наоборот, любые устройства, которые по разному реагируют на токи разных направлений, называются полярными .

Существует множество полярных устройств, применяемых в электрических схемах. Основная масса этих устройств изготавливается из так называемых полупроводниковых материалов, и подробно будет рассмотрена нами позже. Каждое из этих устройств (как и выключатели, ламы и батареи) изображается на схеме с помощью уникального символа. Как можно догадаться, символы полярных устройств в своем составе обычно сдержат стрелку для обозначения допустимого направления тока. Вот здесь-то конкуренция обозначений общепринятого потока и потока электронов имеет большое значение. Но, поскольку инженеры уже давно в качестве стандартного используют общепринятое обозначение, и они же изобретают электрические устройства и придумывают для них условные обозначения (символы), то стрелки, используемые в символах этих устройств, показывают направление общепринятого потока . Иными словами, у всех символов таких устройств есть значок стрелки, который указывает против фактического потока электронов.

Лучшим примером полярного устройства может послужить диод, который является односторонним «клапаном» для электрического тока. Принцип его действия аналогичен обратному клапану, используемому в водопроводе и гидравлических системах. В идеале, диод обеспечивает беспрепятственный поток для тока в одном направлении (практически не оказывая ему сопротивления), и препятствует этому потоку в обратном направлении (оказывая ему бесконечное сопротивление). Условное обозначение (символ) диода выглядит следующим образом:

Если мы поместим диод в схему с батареей и лампочкой, то выполняемая им работа будет следующей:

Когда диод стоит в правильном направлении, разрешающем поток, лампочка горит. В противном случае диод блокирует поток электронов аналогично обрыву цепи, и лампочка гореть не будет.

Если мы используем общепринятое обозначение потока в цепи, то стрелка символа диода указывает на направление потока зарядов от положительного контакта к отрицательному:

И наоборот, при использовании обозначения потока электронов, стрелка символа диода направлена против этого потока:

Исходя из вышеизложенного и во избежание путаницы с условными обозначениями электронных компонентов, большинство людей выбирает общепринятое обозначение потока при анализе электрических схем.

Обратное включение полупроводникового диода.

Т. к. исследуемый нами полупроводниковый диод – стабилитрон работает при обратном включении, то более подробнее рассмотрим эту область. При включении p-n перехода в обратном направлении (рис. 2) внешнее обратное напряжение U_обр создает электрическое поле, совпадающее по направлению с собственным, что приводит к росту потенциального барьера на величину U_обр и увеличению относительного смеще­ния энергетических диаграмм на q(U_k + U_обр). Это сопро­вождается увеличением ширины запирающего слоя, кото­рая может быть найдена из соотношения (1.7) подстанов­кой вместо U_k величины U_k + U_обр.

. (1.8)

Для кремниевых диодов величина контактной разности потенциалов составляетU_k≈0,7 В. Толщина электронно-дырочных переходов δ имеет порядок (0,1-10)мкм.

Возрастание потенциального барьера уменьшает диф­фузионные токи основных носителей (т. е. меньшее их количество преодолеет возросший потенциальный барьер).

У

Рис. 3. Схематическое изображение стабилитрона

меньшение диффузионного тока приведет к наруше­нию условия равновесия. Через переход будет проходить результирующий ток, определяемый в основном током дрейфа неосновных носителей.

Концентрация неосновных носителей у границ p-n перехода вследствие уменьшения диффузионного перемеще­ния основных носителей уменьшится до некоторых значе­ний и. По мере удаления отp-n перехода концен­трация неосновных носителей будет возрастать до равно­весной.

Опорные диоды (кремниевые стабилитроны). Механизмы пробоя p-n перехода.

С

Рис. 4. ВАХ кремниевого стабилитрона

табилитронами или Опорными диодами называются полупроводниковые диоды, вольтамперная характеристика которых имеет участок со слабой зависимостью напряжения от тока (Рис. 4). Название «опорных» они получили за счет способности фиксировать (стабилизировать) уровни напряжений в схемах. В основу работы опорных диодов положено явление холодной эмиссии и управляемый пробой в p-n-переходе. Концентрация примесных атомов в стабилитроне гораздо выше, чем в обычных диодах, поэтому стабилитрон находится как бы в предпробойном состоянии.

Назначение стабилитронов  стабилизация напряжения; у современных стабилитронов напряжение стабилизации доходит до нескольких сотен вольт, а ток  до десятков ампер, при этом дрейф напряжения может быть не более 0,1 В.

Конструкция стабилитронов та же, что и у выпрямительных диодов; у тех и у других выбор корпуса связан с мощностью рассеяния.

Участок «аб»  для стабилизации напряжения: большим изменениям тока (от I_ст.мин. до I_ст.мах) соответствуют незначительные изменения напряжения (U_ст).

Максимальный ток I_ст.махограничивается допустимой мощностью рассеяния_, а минимальный (I_ст.мин) соответствует началу устойчивого электрического пробоя. При меньших значениях тока стабилитрона он может служить источником шумов (используется в генераторах шумов).

В пределах «аб» сопротивление стабилитрона изменяется при изменении тока через него, а напряжение при этом остается почти постоянным. После точки «б» стабилитрон переходит в режим теплового пробоя, при этом в нем идут необратимые процессы и структура диода разрушается. В режиме теплового пробоя стабилитрон имеет участок на ВАХ с отрицательным динамическим сопротивлением.

Полупроводниковый диод

Полупроводниковый диод — самый простой полупроводниковый прибор, состоящий из одного PN перехода. Основная его функция — это проводить электрический ток в одном направлении, и не пропускать его в обратном. Состоит диод из двух слоев полупроводника типов N и P.

На стыке соединения P и N образуется PN-переход (PN-junction). Электрод, подключенный к P, называется анод. Электрод, подключенный к N , называется катод. Диод проводит ток в направлении от анода к катоду, и не проводит обратно.

Диод в состоянии покоя

Посмотрим, что происходит внутри PN-перехода, когда полупроводниковый диод находится в состоянии покоя. То есть тогда, когда ни к аноду, ни к катоду не подключено напряжения.

Итак, в части N имеются в наличии свободные электроны – отрицательно заряженные частицы. В части P находятся положительно заряженные ионы – дырки. В результате, в том месте, где есть частицы с зарядами разных знаков, возникает электрическое поле, притягивающее их друг к другу.

Под действием этого поля свободные электроны из части N дрейфуют через PN переход в часть P и заполняют некоторые дырки. В итоге получается очень слабый электрический ток, измеряемый в наноамперах. В результате, плотность вещества в P части повышается и возникает диффузия (стремление вещества к равномерной концентрации), толкающая частицы обратно на сторону N.

Обратное включение диода

Теперь посмотрим, как у полупроводникового диода получается выполнять свою основную функцию – проводить ток только в одном направлении. Подключим источник питания — плюс к катоду, минус к аноду.

В соответствии с силой притяжения, возникшей между зарядами разной полярности, электроны из N начнут движение к плюсу и отдалятся от PN перехода. Аналогично, дырки из P будут притягиваться к минусу, и также отдалятся от PN перехода. В результате, плотность вещества у электродов повышается. В действие приходит диффузия и начинает толкать частицы обратно, стремясь к равномерной плотности вещества.

Как мы видим, в этом состоянии диод не проводит ток. При повышении напряжения, в PN переходе будет все меньше и меньше заряженных частиц.

Прямое включение диода

Меняем полярность источника питания — плюс к аноду, минус к катоду. В таком положении, между зарядами одинаковой полярности возникает сила отталкивания. Отрицательно заряженные электроны отдаляются от минуса и двигаются сторону pn перехода. В свою очередь, положительно заряженные дырки отталкиваются от плюса и направляются навстречу электорнам. PN переход обогащается заряженными частицами с разной полярностью, между которыми возникает электрическое поле – внутреннее электрическое поле PN перехода. Под его действием электроны начинают дрейфовать на сторону P. Часть из них рекомбинируют с дырками (заполняют место в атомах, где не хватает электрона). Остальные электроны устремляются к плюсу батарейки. Через диод пошел ток I_D.

Чтобы не возникло путаницы, напомню, что направление тока на электрических схемах обратно направлению потока электронов.

Недостатки реального полупроводникового диода

На практике, в реальном диоде, при обратном подключении напряжения, возникает очень маленький ток, измеряемый в микро, или наноамперах ( в зависимости от модели прибора ). В следствии слишком высокого напряжения, может разрушиться кристаллическая структура полупроводника в диоде. В этом случае, прибор начнет хорошо проводить ток также и при обратном смещении. Такое напряжение называется напряжение пробоя. Процесс разрушения структуры полупроводника невосстановим, и прибор приходит в негодность.

При прямом подключении, напряжение между анодом и катодом должно достигнуть определенного значения V_ϒ, для того чтобы диод начал хорошо проводить ток. Для кремниевых приборов V_ϒ — это примерно 0.7V, а для германиевых — около 0.3V. Более подробно об этом, и других характеристиках полупроводникового выпрямительного диода пойдет речь в статье ВАХ полупроводникового диода.

1. Общие сведения и принцип работы полупроводникового диода

  Если вкратце, полупроводниковый диод — устройство, пропускающее ток в одном направлении. Это определение достаточно поверхностное, однако на первых порах этого будет достаточно. Как и у всех электронных компонентов, у диода есть свое графическое изображение, которое показано ниже:

  Диод имеет два вывода: анод (А) и катод (К). Он будет пропускать ток, если напряжение на аноде выше, чем на катоде на определенную величину. Назовем эту величину «потенциалом отпирания». Давайте рассмотрим вольт-амперную характеристику диода:

  Для удобства будем рассматривать только правую часть графика, из которой видно, что при достижении напряжения некой величины,ток через диод начнет лавинообразно нарастать. Это и есть тот самый потенциал отпирания диода. Величина его зависит от многих параметров, таких как степень легирования полупроводника, температуры, материала, и т. д. На практике, для кремния, величина отпирания примерно равна 0,65 Вольт. Давайте рассмотрим, откуда берется этот потенциал.

 В момент соединения двух полупроводников разных типов проводимости, в о дном из которых основными носителями заряда являются электроны (проводимость n-типа), а в другом — дырки (проводимость p-типа), на стыках соединения формируется область пространственного заряда (ОПЗ). Ниже, условно изображен процесс, протекающий при этом:

  Поскольку заряды разноименные (изображены кружками со стрелочками), они стремятся друг к другу, а на их месте остаются ионы, имеющие заряд противоположный заряду, который его занимал, то есть, если электрон устремился в область p-типа, на его месте остался ион с положительным зарядом. Та же самая ситуация касается и  дырок, причем, первыми начнут свое движение частицы, которые находятся ближе к стыку соединения, поскольку там расстояние между противоположными зарядами меньше. Так вот, устремившись друг к другу, эти заряды «оставляют за собой» неподвижные ионы, которые формируют электрическое поле на границе стыка. Чем больше количество электронов и дырок покинут свое место, тем больше будет потенциал поля, сформированного ионами. Электроны и дырки перестанут двигаться друг к другу тогда, когда величина поля сформированного ионами станет достаточной для того, чтобы препятствовать движению противоположных зарядов друг к другу. В этом случае, наступает равновесие. Рассмотрим, что будет происходить при подключении внешнего источника.

Прямое включение диода

  При прямом включении, к аноду подключается положительный потенциал, а к катоду отрицательный потенциал внешнего источника, как показано ниже:
 В этом случае, потенциал отпирания диода компенсируется внешним источником, если величина электрического поля внешнего источника больше.Также, внешний источник устремляет электроны и дырки друг к другу. Через диод практически беспрепятственно начинает протекать ток.

Обратное включение диода

 Обратным включением диода называется такое соединение, при котором положительный потенциал внешнего источника подключен к катоду диода, а отрицательный — к аноду. Рассмотрим, что происходит в таком случае:

  В такой ситуации, электроны и дырки будут устремляться друг от друга, поскольку электроны будут притягиваться к положительному потенциалу, а дырки —  к отрицательному потенциалу внешнего источника. К тому же, величина внутреннего электрического поля диода будет расти, поскольку на тех местах, откуда устремились электроны и дырки к потенциалам внешнего источника, остаются неподвижные ионы, которых стало больше,чем было изначально. По идее, в этом случае электрический ток не должен идти. Однако это не совсем так. Ток в такой цепи течет, но он очень, очень маленький (десятки наноампер на практике). Связано это вот с чем. Выше я упоминал, что при соединении двух полупроводников противоположных типов проводимостей, их свободные заряды устремляются друг к другу. При таком контакте, электрон, попав в полупроводник p-типа остается там, он никуда не исчезает. Тоже самое касается и дырок. Такие заряды называют неосновными. Из-за этих зарядов и протекает ток в обратном включении. Но их очень мало, по сравнению с основными. Соответственно, величина этого тока (обратного) будет намного меньше по сравнению с прямым током.
 Итак, резюмируя: полупроводниковый диод — устройство, величина  тока которого при прямом включении намного больше, чем в обратном.
  На этом пока все). В следующий раз перейдем к  практической части.

Принцип работы полупроводникового диода

Полупроводниковый диод — полупроводниковый прибор, в широком смысле — электронный прибор, изготовленный из полупроводникового материала, имеющий два электрических вывода (электрода). В более узком смысле — полупроводниковый прибор, во внутренней структуре которого сформирован один p-n-переход.

Диод — самый простейший по устройству в славном семействе полупроводниковых приборов. Если взять пластинку полупроводника, например германия, и в его левую половину ввести акцепторную примесь, а в правую донорную, то с одной стороны получится полупроводник типа P, соответственно с другой типа N. В середине кристалла получится, так называемый P-N переход, как показано на рисунке 1.

На этом же рисунке показано условное графическое обозначение диода на схемах: вывод катода (отрицательный электрод) очень похож на знак «-». Так проще запомнить.

Всего в таком кристалле две зоны с различной проводимостью, от которых выходят два вывода, поэтому полученный прибор получил название диод, поскольку приставка «ди» означает два.

В данном случае диод получился полупроводниковый, но подобные устройства были известны и раньше: например в эпоху электронных ламп был ламповый диод, называвшийся кенотрон. Сейчас такие диоды ушли в историю, хотя приверженцы «лампового» звука считают, что в ламповом усилителе даже выпрямитель анодного напряжения должен быть ламповым! 

Рисунок 1. Строение диода и обозначение диода на схеме

На стыке полупроводников с P и N проводимостями получается P-N переход (P-N junction), который является основой всех полупроводниковых приборов. Но в отличии от диода, у которого этот переход лишь один, транзисторы имеют два P-N перехода, а, например, тиристоры состоят сразу из четырех переходов.

P-N переход в состоянии покоя

Даже если P-N переход, в данном случае диод, никуда не подключен, все равно внутри него происходят интересные физические процессы, которые показаны на рисунке 2.

Рисунок 2. Диод в состоянии покоя

В области N имеется избыток электронов, она несет в себе отрицательный заряд, а в области P заряд положительный. Вместе эти заряды образуют электрическое поле. Поскольку разноименные заряды имеют свойство притягиваться, электроны из зоны N проникают в положительно заряженную зону P, заполняя собой некоторые дырки. В результате такого движения внутри полупроводника возникает, хоть и очень маленький (единицы наноампер), но все-таки ток.

В результате такого движения возрастает плотность вещества на стороне P, но до определенного предела. Частицы обычно стремятся распространяться равномерно по всему объему вещества, подобно тому, как запах духов распространяется на всю комнату (диффузия), поэтому, рано или поздно, электроны возвращаются обратно в зону N.

Если для большинства потребителей электроэнергии направление тока роли не играет, — лампочка светится, плитка греется, то для диода направление тока играет огромную роль. Основная функция диода проводить ток в одном направлении. Именно это свойство и обеспечивается P-N переходом.

Далее рассмотрим, как ведет себя диод в двух возможных случаях подключения источника тока.

Включение диода в обратном направлении

Если к полупроводниковому диоду подключить источник питания, как показано на рисунке 3, то ток через P-N переход не пройдет.

Рисунок 3. Обратное включение диода

Как видно на рисунке, к области N подключен положительный полюс источника питания, а к области P – отрицательный. В результате электроны из области N устремляются к положительному полюсу источника. В свою очередь положительные заряды (дырки) в области P притягиваются отрицательным полюсом источника питания. Поэтому в области P-N перехода, как видно на рисунке, образуется пустота, ток проводить просто нечем, нет носителей заряда.

При увеличении напряжения источника питания электроны и дырки все сильней притягиваются электрическим полем батарейки, в области же P-N перехода носителей заряда остается все меньше. Поэтому в обратном включении ток через диод не идет. В таких случаях принято говорить, что полупроводниковый диод заперт обратным напряжением.

Увеличение плотности вещества около полюсов батареи приводит к возникновению диффузии, — стремлению к равномерному распределению вещества по всему объему. Что и происходит при отключении элемента питания.

Обратный ток полупроводникового диода

Вот здесь как раз и настало время вспомнить о неосновных носителях, которые были условно забыты. Дело в том, что даже в закрытом состоянии через диод проходит незначительный ток, называемый обратным. Этот обратный ток и создается неосновными носителями, которые могут двигаться точно так же, как основные, только в обратном направлении. Естественно, что такое движение происходит при обратном напряжении. Обратный ток, как правило, невелик, что обусловлено незначительным количеством неосновных носителей.

С повышением температуры кристалла количество неосновных носителей увеличивается, что приводит к возрастанию обратного тока, что может привести к разрушению P-N перехода. Поэтому рабочие температуры для полупроводниковых приборов, — диодов, транзисторов, микросхем ограничены. Чтобы не допускать перегрева мощные диоды и транзисторы устанавливаются на теплоотводы – радиаторы.

Включение диода в прямом направлении

Показано на рисунке 4.

Рисунок 4. Прямое включение диода

Теперь изменим полярность включения источника: минус подключим к области N (катоду), а плюс к области P (аноду). При таком включении в области N электроны будут отталкиваться от минуса батареи, и двигаться в сторону P-N перехода. В области P произойдет отталкивание положительно заряженных дырок от плюсового вывода батареи. Электроны и дырки устремляются навстречу друг другу.

Заряженные частицы с разной полярностью собираются около P-N перехода, между ними возникает электрическое поле. Поэтому электроны преодолевают P-N переход и продолжают движение через зону P. При этом часть из них рекомбинирует с дырками, но большая часть устремляется к плюсу батарейки, через диод пошел ток Id.

Этот ток называется прямым током. Он ограничивается техническими данными диода, некоторым максимальным значением. Если это значение будет превышено, то возникает опасность выхода диода из строя. Следует, однако, заметить, что направление прямого тока на рисунке совпадает с общепринятым, обратным движению электронов.

Можно также сказать, что при прямом направлении включения электрическое сопротивление диода сравнительно небольшое. При обратном включении это сопротивление будет во много раз больше, ток через полупроводниковый диод не идет (незначительный обратный ток здесь в расчет не принимается). Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что диод ведет себя подобно обычному механическому вентилю: повернул в одну сторону — вода течет, повернул в другую — поток прекратился. За это свойство диод получил название полупроводникового вентиля.

Чтобы детально разобраться во всех способностях и свойствах полупроводникового диода, следует познакомиться с его вольт – амперной характеристикой. Также неплохо узнать о различных конструкциях диодов и частотных свойствах, о достоинствах и недостатках.

Ранее ЭлектроВести писали, что два больших проекта систем накопления энергии (СНЭ) на юге Техаса в США общей номинальной мощностью 200 МВт будут реализованы на основе технологий Wärtsilä. Накопители будут соединены непосредственно с системой передачи электроэнергии как самостоятельные участники рынка. Компания Wärtsilä также подписала сервисное соглашение с гарантированными на 10 лет эксплуатационными показателями.

По материалам: electrik.info.

Радио для всех — Диоды

 

 

 

Приставка «ди» в слове «диод» означает «два», она указывает, что в приборе имеются две основные «детали», два тесно примыкающих один к другому полупроводниковых кристалла: один с р-проводимостью (это зона р), другой — с n-проводимостью (это зона n). Фактически же полупроводниковый диод — это один кристалл, в одну часть которого введена донорная примесь (зона n), в другую — акцепторная (зона р). К зонам (областям) тем или иным способом присоединены проводники (выводы диода), с помощью которых он соединяется с внешним миром, включается в электрическую цепь. Вывод диода связанный с областью p называют анодом, а вывод связанный с областью n катодом. Разновидностей полупроводниковых диодов тьма. Делятся они по классам, признакам, по назначению и пр. Бывают диоды из различных полупроводниковых материалов, предназначенные для низких или высоких частот, для выполнения различных функций и отличающиеся друг от друга по конструкции. В зависимости от структуры различают точечные и плоскостные диоды.

 

 

У точечных диодов линейные размеры, определяющие площадь p-n-перехода, такие же, как толщина перехода, или меньше ее. У плоскостных диодов эти размеры значительно больше толщины перехода.

 

Устройство точечного диода

 

Плоскостные диоды в зависимости от площади перехода обладают емкостью в десятки пикофарад и, соответственно, их применяют на частотах не выше десятков килогерц, а допустимый ток бывает до сотен ампер.

 

Плоскостные германиевые диоды, изготовленные

 сплавным (а) и диффузионным методом(б).

 

 

Точечные диоды имеют малую емкость перехода (обычно менее 1 пФ) и поэтому применяются на любых частотах, вплоть до СВЧ. Но они могут пропускать токи не более единиц или десятков миллиампер.

Принцип работы диода.

 

Осуществим обратное включение — «плюс» батареи подключим к зоне n, «минус» — к зоне р. Свободные заряды мгновенно оттянутся от границы, электроны отойдут к «плюсу», дырки — к «минусу» и в итоге pn-переход превратится в зону без свободных зарядов, в чистый изолятор. А значит, произойдет разрыв цепи, ток в ней прекратится. Правда, небольшой обратный ток через диод все же будет идти. Зарядов этих сравнительно мало, и обратный ток во много раз меньше прямого. Неприятно то, что ток этот зависит от температуры — при нагревании полупроводника число неосновных носителей увеличивается и обратный ток растет.

 

Принципиальная схема опыта.

 

 

 

Обратная проводимость диода.

Прямая проводимость диода.

 

 

Лампочка как видим не горит. Теперь сменим полярность напряжения на диоде,  «плюсом» к зоне р и «минусом» к зоне n, то свободные заряды — электроны и дырки — хлынут к границе, устремятся к р-переходу. Здесь они будут нейтрализовать друг друга, к границе будут подходить новые заряды, и в цепи диода установится постоянный ток. Это так называемое прямое включение диода — заряды интенсивно движутся через него, в цепи протекает сравнительно большой прямой ток. Лампочка загорелась.

 

Прямая и обратная проводимость диода.

 

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.  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. Если подключить диод к регулируемому источнику напряжения, то он будет вести себя как показано на рисунке, где представлена вольтамперная характеристика диода. Из нее, в частности, следует, что в прямом включении (т. е. анодом к плюсу источника), после превышения некоторого напряжения, прямой ток через диод (Iпр) растет неограниченно и будет лимитироваться только мощностью источника.

 

 

В обратном же включении (катодом к плюсу), ток через диод (Iоб) пренебрежимо мал и составляет несколько микро или даже наноампер для обычных мало­мощных диодов, или до единиц миллиампер для мощных выпрямительных. Причем для германиевых диодов обратный ток намного выше, чем для кремниевых, отчего их сейчас практически и не применяют. Этот ток сильно зависит от температуры и может возрасти на несколько порядков (от нано до микроампер) при повышении температуры от -50 до +50 °С, поэтому на графике его величина показана очень приблизительно. Далее мы увидим, что существуют и диоды, для которых пробой в обратном включении является рабочим режимом — они называются стабилитронами.

 

Параметры и характеристики диодов.

Диоды различают по назначению, используемым материалам, типам р-n переходов, конструктивному исполнению, мощности и другим признакам. Широко распространены выпрямительные, импульсные диоды, стабилитроны, туннельные диоды, варикапы, диоды Шотки, тринисторы, фото и светодиоды, симисторы.

Выпрямительные диоды

Применяются в основном, для преобразования переменного тока в постоянный.

Параметры выпрямительных диодов характеризуют электрические и эксплуатационные свойства и подразделяются на статические и динамические. Статические параметры свойственны диодам, работающим при постоянном напряжении; к ним относятся прямой (выпрямленный) ток Iпр, наибольшее допустимое обратное напряжение Uобр, падение напряжения на диоде при номинальном значении прямого тока Unр, обратное сопротивление Rобр, максимально допустимая мощность, рассеиваемая диодом Рmax, рабочий диапазон температур и др. Динамические параметры отражают реакцию диодов на малые приращения тока (напряжения), а также частотные свойства прибора.  Ими являются дифференциальное сопротивление где

емкость диода Сд и граничная частота fгр, на которой выпрямленный ток уменьшается в

 

Выпрямительные диоды малой мощности (до 1 Вт) подразделяют на плоскостные и точечные.

 

В практике часто требуется получать выпрямленное напряжение, величина которого превышает допустимое обратное напряжение конкретного типа диодов. В этом случае диоды соединяют последовательно. Но поскольку обратные сопротивления диодов имеют значительный разброс, то для равномерного распределения обратных напряжений параллельно каждому диоду необходимо включать резистор, сопротивление которого меньше наименьшего нз обратных сопротивлений диодов. В случаях, когда требуется используется  следующий тип.

 

Диоды средней мощности на токи до 10 А и напряжения до 600 В.

Относятся к плоскостным, так как имеют относительно большую площадь р-п перехода. Кремниевые и германиевые диоды допускают плотность тока в 10 и 2х10 А на 1 м поверхности р-п перехода. Внешне они часто похожи на диоды малой мощности. Отличие заключается в том, что на корпусе имеется не проволочный электрод, а стержень с резьбой, предназначенный для установки диода на металлический радиатор.

 

Выпрямительные диоды большой мощности на токи до 2000 А.

Применяются в качестве вентилей в мощных выпрямительных установках. Для мощных диодов применяются легированные германий с удельным сопротивлением порядка 0,15—0,2 Ом*м или кремний с сопротивлением 0,5 Ом*м. Площадь пластин выбирают с учетом допустимой плотности тока через р-п переход.

Работа выпрямительного моста

Заменим   источник питания  постоянного  тока,  на  источник  переменного  тока,  близкого  напряжения. Лампочка  будет  гореть,  но  более  тускло, с  небольшим  мерцанием. Как  мы говорили ранее,  переменный  ток  частотой  50 гц.  плавно    меняет  свое  направление 50  раз  в  секунду. Диод  пропустит  полуволны  направленные  в  его  прямом  направлении,  и  обрежет  направленные в  обратном.

Таким  образом  на  лампочке  окажется  выпрямленное  напряжение, (пульсирующее) с  меньшей частотой (в два раза). Конечное  напряжение  будет ниже  номинального. Описанный процесс выпрямления переменного тока называется однополупериодным.

Для   более  качественного      выпрямления  переменного  тока  применяется  так  называемая,  мостовая схема,  из   четырех  диодов  в  однофазной  цепи.  Если на вход диодного моста «~»подать переменный ток, полярность которого меняется с определённой частотой (например, с частотой 50 герц, как в электросети), то на выходе (выводы «+» и «-»мы получим ток строго одной полярности. Правда, этот ток будет иметь пульсации.

 

 

Частота их будет вдвое больше, чем частота переменного тока, который подаётся на вход диодного моста. Чтобы «убрать» пульсации необходимо применить фильтр — электролитический конденсатор (большой ёмкости).

Если взглянуть на принципиальные схемы блоков питания, как трансформаторных, так и импульсных, то после моста всегда стоит полярный конденсатор, который сглаживает пульсации тока.

Импульсные диоды

Большая группа диодов, предназначенная для применения в импульсных режимах работы, используется в электронных схемах модуляции и демодуляции входных сигналов систем автоматического регулирования, в информационно-преобразовательных блоках вычислительных устройств, в радиотехнических устройствах. Одно из важнейших требований к ним — надежная работа в цепях с высокой частотой, например до 500 МГц. Импульсные диоды обладают высоким быстродействием, т. е. малым временем восстановления высокого обратного сопротивления при изменении полярности приложенного напряжения с прямой на обратную.

Стабилитрон

Разновидность диодов, предназначенных для стабилизации напряжения.

Стабилитрон — от латинского stabilis (устойчивый, неизменный), это кремниевый полупроводниковый диод, областью стабилизации которого является обратная ветвь вольтамперной характеристики (ВАХ) стабилитрона. Принцип стабилизации заключается в том, что в полупроводниковом кристалле (как правило, кремниевом), сильно легированном примесями в обеих областях, с тонким и резко выраженным р-n переходом, быстро развивается и устанавливается электрический пробой, при котором значительное увеличение обратного тока (тока пробоя) происходит при сравнительно низком и примерно постоянном обратном напряжении (для каждого типа прибора). В р-n переходе небольшой толщины при воздействии обратного напряжения возникает сильное электрическое поле с высокой напряженностью (порядка 1,5*10 В/м), которое становится причиной электрического пробоя р-п перехода.

 

 

 

Стабилитрон работает только в цепях постоянного тока. Напряжение на стабилитрон подают в обратной полярности, то есть на анод стабилитрона будет подан минус «-«. При таком включении стабилитрона через него протекает обратный ток I обр от выпрямителя. Напряжение с выхода выпрямителя может изменяться, будет изменяться и обратный ток, а напряжение на стабилитроне и на нагрузке останется неизменным, то есть стабильным. Напомним, стабилитрон работает на обратной ветви ВАХ (Вольт-амперной характеристики). Промышленность выпускает стабилитроны малой, средней и большой мощности: малой н средней на напряжение от 3 до 180 В в цепях мощностью менее 10 Вт, большой мощности (10—50 Вт) на напряжение до 400 В.

 

На рисунке приведена электрическая схема включения стабилитрона VD1 в цепь постоянного тока, где Rб — резистор (балластный) токоограничивающий. Стабилитрон VD1 включен в обратном направлении его анод (А) подключен к отрицательному потенциалу, катод (К) — к положительному потенциалу.

 

 

Разновидность стабилитрона — стабистор. Это кремниевый полупроводниковый стабилитрон, у которого областью стабилизации является ветвь ВАХ в диапазоне изменения прямого тока от минимального до максимального значений, напряжение Uст на стабисторе остается с определенной степенью точности неизменным. При этом, стабистор обозначается как обычный кремниевый стабилитрон.

Для упрощения сборки конструкций, современные производители придумали регуляторы со стабилизацией заданного значения напряжения для разных типов источников питания. Немного можно почитать здесь.

Данные по маркировке и параметрам элементов можно найти в разделе «Справочник»

 

Читаем далее по теме

 

Условные обозначения диодов

Ток в полупроводниках

 

 

 

Полупроводниковые приборы

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра Автоматики

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

«Полупроводниковые приборы»

Вариант 4

Выполнили студенты гр. АМ-709

Астафьев С.С., Кравченко И.И., Чугунов М.В.

Преподаватель: Мальцев В.А.

Новосибирск

2009

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение полупроводниковых приборов

1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ПОСТРОЕНИЕ ВАХ ДИОДА

Схема 1. Прямое включение диода D1N4937GP.

Таблица 1. D1N4937GP

E,В	0,3	0,5	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Iд,мА	0,08467	0,2873	1,071	2,905	4,821	6,765	8,723	10,96	12,66	14,64	16,61	18,6
Uд, мВ	257,7	356,4	464,7	547,3	589,3	617,5	638,6	655,6	669,7	681,8	692,4	701,9

График 1. Прямая ветвь ВАХ диода D1N4937GP

Схема 2. Прямое включение диода SB360.

Таблица 2. SB360

E, В	0,3	0,5	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Iд,мВ	0,3737	0,7064	1,614	3,523	5,471	7,435	9,407	11,38	13,37	15,35	17,34	19,32
Uд,мВ	113,2	146,8	193,1	238,4	264,3	282,5	296,4	307,7	317,2	325,5	332,7	339,2

График 2. Прямая ветвь ВАХ диода SB360

Схема 3. Обратное включение диода D1N4937GP.

Таблица 3. D1N4937GP.

E,мВ	10	20	50	100	200	500	700	800	1000	2000	5000
I,мкА	0,44	0,831	1,767	2,752	3,6	3,965	4,001	4,014	4,037	4,139	4,44
U,мВ	9,78	19,58	49,12	98,62	198,2	498	698	798	998	1998	4998

График 3. Обратная ветвь ВАХ диода D1N4937GP.

Схема 4. Обратное включение диода SB360.

Таблица 4. SB360

E,мВ	10	20	50	100	200	500	700	800	1	2	5
I,мкА	6,87	13,24	29,43	47,55	62,04	65,76	65,9	65,94	65,98	66,09	66,4
U,мВ	6,565	13,38	35,28	76,23	169	467,1	667	767	967	1967	4967

График 4. Обратная ветвь ВАХ диода SB360

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ПОСТРОЕНИЕ ВАХ СТАБИЛИТРОНА.

Схема 5. Обратное включение стабилитрона.

Таблица 5.

E,мВ	0,3	0,5	1	2	3	4	5	6	6,1	6,3
I,мкА	99,87	100	100,1	100,2	100,3	100,4	100,5	100,6	169,5	506,1
U,В	0,25	0,45	0,95	1,95	2,95	3,95	4,95	5,95	6,015	6,047

6,5	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16
870,7	1814	3738	5678	7623	9573	11520	13480	15430	17390	19340
6,065	6,093	6,131	6,161	6,188	6,214	6,238	6,262	6,285	6,307	6,33

График 5. Обратная ветвь ВАХ стабилитрона.

3. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ

Схема 6. Параметрический стабилизатор напряжения.

Таблица 6.

R-нагрузки, Ом	I-нагрузки, мА	U-нагрузки, В	I-стаб, мА	I-сумм, мА
100	49,92	4,992	0,1	50,02
300	21,28	6,383	24,11	45,39
1000	6,537	6,537	38,34	44,88

График 6. Нагрузочная характеристика.

2. СНЯТИЕ ОСЦИЛЛОГРАММЫ ДИОДНОГО ОГРАНИЧИТЕЛЯ.

Схема 6. Диодный ограничитель.

Рисунок 1. Осциллограмма входного и выходного напряжения.

РАСЧЁТ

Прямое включение диода

D1N4937GP (при 15 мА)

D1N4937GP (при 0,5 мА)

SB360 (при 15 мА)

SB360 (при 0,5 мА)

Обратное включение диода

D1N4937GP (при 3В)

SB360 (при 3В)

Стабилитрон (точка 1)

Стабилитрон (точка 2)

Диодный ограничитель

   

 

Таблица 7. Результаты расчетов ВАХ диодов.

	Епр, мВ	Rпр1, Ом	rпр1, Ом	Rпр2, Ом	rпр2, Ом	Rобр, кОм	rобр, МОм	Iобр, мкА
Si D1N4937GP	597	45	5,2	830	134	705	8,57	4,25
Ge SB360	268	21,6	3,73	262	114	45,5	10	66

Таблица 8. Результаты расчета обратной ветви ВАХ стабилитрона.

Uст, В	R1, кОм	r1, МОм	R2, Ом	r2, Ом
6,11	30	10,17	418	11,33

ВЫВОД

1.         Экспериментальное построение ВАХ диода.

При прямом включении диодов D1N4937GP  и SB360 на их вольт-амперных характеристиках видно различие в напряжении «пятки» диодов, что объясняется различием полупроводниковых материалов, из которых изготовлены диоды. При обратном включении диодов на ВАХ наблюдается различие в величине их теплового тока. При этом для одного диода характерно, что, чем больше его «пятка», тем меньше тепловой ток. Это соответствует формуле: Uд=φтln((Iд+Io)/Io). Проанализировав оба графика, приходим к выводу, что диод SB360  – германиевый, а D1N4937GP  – кремниевый, так как «пятка» SB360 меньше «пятки» D1N4937GP, а для теплового тока наблюдается обратное соотношение.

При прямом включении сопротивление постоянному току определяется по формуле Rпр= Uд/Iд. Таким образом, сопротивление будет расти с уменьшением прикладываемого к диоду напряжения (диод будет приближаться к закрытому состоянию). У разных диодов при одинаковом приложенном напряжении сопротивление постоянному току будет больше у того, у которого меньше значение теплового тока.

При прямом включении сопротивление переменному току определяется по формуле rпр=dU/dI= φт/ (Iд+Io). Следовательно, сопротивление растёт с уменьшением протекающего через диод тока, а у разных диодов при одинаковом протекающем токе сопротивление переменному току будет больше у того, у кого меньше значение теплового тока.

Сопротивление постоянному току при обратном включении определяется по закону Ома, и, следовательно, должно быть велико, так как при больших напряжениях ток практически не меняется и остаётся равным тепловому току. Поэтому при одинаковом приложенном напряжении, сопротивление будет больше у того диода, у которого меньше значение теплового тока.

Сопротивление переменному току при обратном включении определяется по формуле: rпр=dU/dI= φт/ (Iд+Io). Так как φт~26 мВ, а Iд~Io, сопротивление переменному току будет больше, чем постоянному. А при прочих равных условиях оно будет больше у диода с меньшим тепловым током.

Описанные выше закономерности подтверждаются экспериментальными данными:

Rпр1 (Ge) < Rпр1 (Si)

Rпр2 (Ge) < Rпр2 (Si)

Rобр (Ge) < Rобр (Si)

Статическое сопротивление обоих диодов в первой рабочей точке меньше, чем во второй:

Rпр1 (Ge) < Rпр2 (Ge)

Rпр1 (Si) < Rпр2 (Si)

Это объясняется тем, что в верхней части ВАХ (где находится первая точка) при небольшом увеличении напряжения ток меняется значительно, и, следовательно, сопротивление оказывается сравнительно небольшим; а в нихней части прямой ветви ВАХ (вторая точка) наоборот, при значительном увеличении напряжения ток меняется меньше, и сопротивление получается большим.

Исходя из экспериментальных данных, для обоих диодов величина статического сопротивления больше соответствующего (в той же рабочей точке) динамического (дифференциального) сопротивления при прямом смещении:

Rпр1 > rпр1

Rпр2 > rпр2

При обратном смещении для обоих диодов величина статического сопротивления меньше динамического (в соответствующих рабочих точках

диодов: выключатель, о котором вы даже не подозревали

Vishay использует технический паспорт 1N4148 (PDF), описывая его как переключающий диод.

Глядя на отдельные компоненты своего электронного арсенала, легко не заметить скромный диод. В конце концов, можно простить вывод, что повседневная версия этого компонента мало что делает . У них нет особых навыков, которые вы найдете в туннелях, ганнах, варикапе, стабилитронах, лавинных диодах или даже светодиодах, вместо этого они просто односторонние клапаны для электрического тока.Соедините их в одну сторону, и ток течет, а в другую — нет. Они преобразуют переменный ток в постоянный, их полно в источниках питания. Возможно, вы также использовали их для создания стабильного падения напряжения, потому что они имеют довольно постоянное напряжение при протекании тока, но это все. Диоды: самая короткая статья на Hackaday.

Но не так быстро с отключением диода. Есть еще одна хитрость, которую они прячут в рукавах, они также могут действовать как переключатель. Это не должно вызывать большого шока, в конце концов, беглый взгляд на многие спецификации диодов общего назначения должен показать их описание как переключающие диоды.

Так как же работает диодный переключатель? Ключ кроется в этом одностороннем клапане, о котором мы упоминали ранее. Когда диод смещен в прямом направлении и проводит электричество, он будет проходить через любые изменения подаваемого на них напряжения, но когда он смещен в обратном направлении и не проводит электричество, он не будет. Таким образом, сигнал можно включить, пропустив его через диод в прямом смещении, а затем выключить, переведя диод в обратное смещение.

Основные сведения о диодном переключателе

Упрощенный диодный переключатель в обратном смещенном положении Off.

Чтобы проиллюстрировать базовый диодный переключатель, мы подготовили несколько упрощенных принципиальных схем. На первом изображен анод, подключенный к земле через R1, и катод, подключенный к шине питания Vcc. Диод имеет обратное смещение, и ток через него не течет. Напряжение переменного тока, приложенное к C1, появится на аноде, но не будет появляться на катоде и на выходе через C2. Переключатель в этом случае выключен.

На второй схеме показана очень похожая схема, но с резисторами, подключенными к противоположным линиям питания.Анод теперь привязан к шине Vcc, а катод — к земле. Через диод протекает ток, и он смещен в прямом направлении. Таким образом, переменное напряжение, приложенное к C1, появится как на аноде, так и на катоде диода и будет проходить через C2 на выход. Переключатель был включен.

Упрощенный диодный переключатель в положении «Вкл.» С прямым смещением.

Это упрощенная схема, но ненамного. Практичный диодный переключатель обычно работает, поддерживая одну сторону диода в точке смещения, так что, когда логический уровень применяется к другой точке, он переключает диод с прямого на обратное смещение, позволяя переключателем управляться электроникой.Другими словами, удерживайте один конец диода посередине, покачивайте другой конец высоко или низко.

В частности, для ВЧ-цепей вы также найдете ВЧ-дроссели в линиях смещения, чтобы предотвратить попадание ВЧ-сигнала в силовые и логические цепи. Но суть в схемах, диодные переключатели действительно такие простые.

Итак, теперь вы знаете, как диоды можно использовать в качестве простых переключателей. Вы даже можете сделать многоходовые переключатели, подключив одиночные диодные переключатели параллельно к одной точке смещения.Но это не предел возможностей скромного диода, когда дело доходит до переключения, поэтому мы рассмотрим еще пару вариантов применения.

Диоды: они всего лишь логические

Первые электронные цифровые компьютеры, подобные тем, которые вы могли найти на военных объектах или в университетах в 1940-х годах, использовали вакуумные лампы, иногда в сочетании с реле или другими электромеханическими компонентами. По мере того, как компьютеры развивались в начале 1950-х годов и находили свое применение в гражданских приложениях, они начали производиться с использованием гораздо меньших по размеру и менее энергоемких полупроводников, которые тогда были новинкой на рынке.Проблема с транзисторами 1950-х годов заключалась в том, что они были дорогими и ненадежными, в отличие от сверхнадежных планарных кремниевых транзисторов, к которым мы привыкли сегодня. В начале 1950-х годов конструктору приходилось работать с германиевыми точечными транзисторами. Эти устройства, помимо их хрупкости, обладали неудачной характеристикой фиксации в состоянии высокого логического уровня и требовали обновления источника питания после изменения состояния. Ясно, что любая схема, которая могла бы уменьшить зависимость от них, представляла большой интерес.

Диодный вентиль ИЛИ. Thingmaker [CC BY-SA 4.0], через Wikimedia Commons. На помощь дизайнерам 1950-х годов пришел скромный диод. Они были дешевле и намного надежнее, чем транзисторы с точечным контактом, и могли формировать логические элементы И и ИЛИ, используя только резисторы для компании. Эта так называемая диодно-резисторная логика, или DRL, использовалась в твердотельных компьютерах везде, где это было возможно в этот период, а транзисторы использовались только там, где требовался инвертор.

Оба диодных затвора используют диоды на своих входных линиях, соединяя другие концы диодов вместе в выходной точке с помощью подтягивающего или понижающего резистора.

Диодный затвор ИЛИ имеет аноды, обращенные ко входам, и подтягивающий резистор на выходе, в то время как затвор И имеет катоды, обращенные ко входам, и подтягивающий резистор на выходе.

Диодный вентиль И. Thingmaker [CC BY-SA 4.0], через Wikimedia Commons. Помимо необходимости использования транзистора всякий раз, когда требуется логическая инверсия, эти вентили страдают от проблемы, связанной с падением напряжения на каждом вентиле. Таким образом, если вы последовательно подключите серию диодных вентилей, вы обнаружите, что с каждым уровнем логические уровни падают, в конечном итоге до точки, в которой их переход недостаточен для работы последовательных вентилей.

Тем не менее, все же стоит иметь диодную логику в вашем запасе доступных схем, поскольку иногда у вас может быть потребность в одном И или ИЛИ в проекте, и может иметь смысл быстро собрать одну, используя несколько диодов, а не другой 74 чип серии.

Смешиваем с диодами

Диодный смеситель или кольцевой модулятор (исправленная схема, спасибо комментаторам!) Через Wikimedia Commons.

Есть еще одно место, где вы встретите диодный переключатель, особенно если вы интересуетесь радио или электронной музыкой.Смеситель на диодном мосту или кольцевой модулятор представляет собой схему, в которой используются четыре диода в конфигурации, внешне аналогичной той, что вы найдете в мостовом выпрямителе, и она функционирует как смеситель частот, в котором сигнал переменного тока и выход генератора смешиваются для создать их сумму и их разницу. Четыре диода действуют как переключатели между входом и выходом сбалансированного сигнала и имеют эффект изменения полярности пути между ними на каждом цикле гетеродина. Он используется в синтезаторах и гитарных педалях, а также в радиосхемах везде, где требуется переход между частотами.

Мы надеемся, что теперь вы с новым уважением посмотрите на эти диоды в своем мусорном ящике, теперь вы знаете, что они также могут хорошо переключаться. Возможно, вы никогда не будете использовать диод в качестве переключателя на практике, но хорошо знать эту концепцию. И если диоды вызвали ваш интерес, почему бы не продолжить изучение нашей недавно опубликованной истории диодов?

(PDF) Влияние диффузии платины на срок службы диодных устройств с обратным восстановлением

7.Б. Мажари, М. Синха, Дж. Диксит, Конференция IEEE по электронным устройствам и твердотельным схемам

(2005)

8. М. Цукуда, Ю. Сакияма, Х. Ниномия, М. Ямагучи, 21-й международный симпозиум

на Power Semiconductor Devices & IC’s (2009)

9. Балига Б.Дж., Современные силовые устройства, (John Wiley & Sons Inc., 1987)

10. WM Джубади, С.Н.М. Нур, IEEE Symp. Ind. Electron. Appl., 428 (2010)

11. Э. Абири, М.Р. Салехи, С. Кохан, М.Мирзазаде, Вторая Тихоокеанско-азиатская конференция IEEE.

Цепи, Комм. Syst., 60 (2010)

12. В. Яблонски, 12-я Международная конференция по микроволнам и радарам, MIKON’98,

69 (1998)

13. С. Савант, Б. Балига, Power Semiconductor Devices and ICs , 1999. ISPSD’99.

Proceedings, IEEE 11th International Symposium, 153 (1999)

14. N.I. Шухайми, М. Мохамад, В.М. Джубади, Р.Тугиман, Н. Зиналь, Р.М. Зин, IEEE

Международная конференция по полупроводниковой электронике, 12 (2010)

15.Э. Наполи, AGM Strollo, P. Spirito., IEEE Transactions on Power Electronics 14, 25

(1997)

16. AG .Rojas-Hernández, A. Vera-Marquina, A. Garcia-Juárez, IEEE Electronics,

Конференция по робототехнике и автомобильной механике (CERMA), 389 (2012)

17. VA Temple, FW Holroyd, IEEE Transactions on electronic Devices, 30 (7), 782 (1983)

18. J. Vobecky, S. Член, В. Захлава, П. Хаздра, IEEE Electron Device Letters, 35 (3),

375 (2014)

19.Б. Дж. Балига, Э. Сан, IEEE Trans. Электронные устройства, 24, 685 (1977)

20. Э. Илиеску, В. Бану, А. Никулеску, 12-я Международная конференция по мощным пучкам частиц

, 2, 2 (1998)

21. Р.О. Карлсон, Ю. Вс, Х. Ассалит, IEEE Trans. Electron Devices, 24, 8 (1977)

22. W. Itthikusumarn, W. Jakphet, W. Titiroongruang, International Symposium on Next-

Generation Electronics (ISNE), 7 (2015)

23. D. Hu, JKO Син, Б. Канг, X.Cheng, Y. Wu, S. Xie, IEEE Southern Power

Конференция по электронике SPEC. (2007)

24. Дж. Вобекки, П. Хаздра, Европейская конференция по силовой электронике и приложениям,

(2005)

DOI: 10.1051 /

01089 (2016) matecconf / 2016

MATEC Web of Conferences 7801089

7

IConGDM 2016

,

8

7

Переключатель нагрузки на высокой стороне от диодов, объединенный с управлением скоростью нарастания и блокировкой истинного обратного тока, повышает надежность

Diodes Incorporated (Nasdaq: DIOD) сегодня объявил введение AP22913, a 2.0 Одноканальный переключатель нагрузки с регулируемой скоростью нарастания и истинной блокировкой обратного тока (TRCB) для приложений переключения нагрузки на стороне высокого напряжения.

Одноканальные переключатели нагрузки с высокой стороны обеспечивают эффективный способ подачи или отключения питания нагрузки, особенно съемных периферийных устройств, питаемых через порт USB. Большие выходные конденсаторы (100 мкФ), связанные с портом USB и периферийными USB-устройствами с автономным питанием, создают возможность того, что переключатель нагрузки может стать обратным смещением, что создает потенциал обратного тока, протекающего от нагрузки к источнику, что потенциально может привести к повреждению другие компоненты или активные кабели.Переключатель нагрузки AP22913A включает TRCB, который удаляет нежелательные пути тока через нормальный внутренний диод, обеспечивая экономичное и компактное решение для переключения нагрузки.

При токе нагрузки до 2,0 А в широком диапазоне рабочих напряжений AP22913 обеспечивает типичное RDS (ВКЛ) 92 мОм при 1,5 В и 54 мОм при 5,0 В, что позволяет выдерживать максимальный ток нагрузки при низком уровне напряжения. прямое падение напряжения. Скорость нарастания включения устройства контролируется изнутри, чтобы обеспечить функцию плавного пуска для чувствительных нагрузок, в то время как устройство также имеет вход разрешения с активным высоким уровнем для переключения нагрузки.Чтобы гарантировать, что TRCB отключен и находится в выключенном состоянии, клеммы VIN и VOUT полностью изолированы внутри.

Переключатель нагрузки AP22913 разработан для работы от 1,4 В до 5,5 В и потребляет ток покоя всего 1 мкА, что делает его хорошо подходящим для систем с напряжением 1,8, 2,5, 3,3 и 5,0 В. Благодаря максимальному току нагрузки 2,0 А AP22913 подходит для широкого спектра приложений, таких как смартфоны, портативные, носимые и медицинские устройства, навигационные устройства, а также ноутбуки и ультрамобильные ПК.

AP22913 доступен в двух вариантах: AP22913CN4-7 в пакете X-WLB0909-4 и AP22913W6-7 в пакете SOT26.

Дополнительную информацию можно найти на сайте www.diodes.com.

О компании Diodes Incorporated

Diodes Incorporated (Nasdaq: DIOD), компания Standard and Poor’s SmallCap 600 и Russell 3000 Index, является ведущим мировым производителем и поставщиком высококачественных стандартных продуктов для конкретных приложений в рамках широкой дискретной логики. , рынки аналоговых полупроводников и полупроводников со смешанными сигналами.Diodes обслуживает рынки бытовой электроники, вычислительной техники, связи, промышленности и автомобилестроения. Продукция Diodes включает диоды, выпрямители, транзисторы, полевые МОП-транзисторы, устройства защиты, функционально-зависимые массивы, логику с одним затвором, усилители и компараторы, датчики Холла и датчики температуры, устройства управления питанием, включая драйверы светодиодов, преобразователи переменного тока в постоянный и контроллеры, Коммутационные устройства постоянного и постоянного тока и линейные регуляторы напряжения, а также источники опорного напряжения вместе со специальными функциональными устройствами, такими как переключатели питания USB, переключатели нагрузки, супервизоры напряжения и контроллеры двигателей.Diodes также предлагает решения для синхронизации, подключения, коммутации и обеспечения целостности сигналов для высокоскоростных сигналов. Штаб-квартира компании Diodes и офис продаж в Северной и Южной Америке расположены в Плано, Техас, и Милпитасе, Калифорния. Центры дизайна, маркетинга и инжиниринга расположены в Плано; Милпитас; Тайбэй, Тайвань; Город Таоюань, Тайвань; Город Чжубэй, Тайвань; Манчестер, Англия; и Нойгауз, Германия. Завод по производству диодов находится в Манчестере, а дополнительный завод находится в Шанхае, Китай.У Diodes есть сборочные и испытательные предприятия, расположенные в Шанхае, Цзинане, Чэнду и Янчжоу, Китай, а также в Гонконге, Нойхаусе и Тайбэе. Дополнительные инженерные, торговые, складские и логистические офисы расположены в Тайбэе; Гонконг; Манчестер; Шанхай; Шэньчжэнь, Китай; Соннамси, Южная Корея; и Мюнхен, Германия, с офисами поддержки по всему миру.

3.1: Введение в диоды и выпрямители

Все о диоде

Диод представляет собой электрическое устройство, позволяющее току проходить через него в одном направлении с гораздо большей легкостью, чем в другом.Наиболее распространенным типом диодов в современной схемотехнике является полупроводниковый диод , хотя существуют и другие диодные технологии. Полупроводниковые диоды обозначены на схематических диаграммах, таких как рисунок ниже. Термин «диод» обычно зарезервирован для малосигнальных устройств, I ≤ 1 A. Термин выпрямитель используется для силовых устройств, I> 1 A.

Условное обозначение полупроводникового диода: Стрелки указывают направление потока электронного тока.

При включении в простую схему «батарея-лампа» диод пропускает или предотвращает прохождение тока через лампу, в зависимости от полярности приложенного напряжения.(Рисунок ниже)

Работа диода: а) ток разрешен; диод смещен в прямом направлении. (b) Текущий поток запрещен; диод имеет обратное смещение.

Когда полярность батареи такова, что электроны могут проходить через диод, диод называется с прямым смещением . И наоборот, когда батарея находится «в обратном направлении» и диод блокирует ток, говорят, что диод имеет обратное смещение . Диод можно рассматривать как переключатель: «замкнут» при прямом смещении и «разомкнут» при обратном смещении.

Как ни странно, направление стрелки символа диода указывает против направления потока электронов. Это связано с тем, что символ диода был изобретен инженерами, которые преимущественно используют обычную нотацию flow в своих схемах, показывая ток как поток заряда от положительной (+) стороны источника напряжения к отрицательной (-). Это соглашение справедливо для всех символов полупроводников, имеющих «стрелки»: стрелка указывает в разрешенном направлении обычного потока и против разрешенного направления потока электронов.

Аналогия с гидравлическим обратным клапаном

Поведение диода аналогично поведению гидравлического устройства, называемого обратным клапаном . Обратный клапан позволяет жидкости проходить через него только в одном направлении, как показано на рисунке ниже.

Аналогия с гидравлическим обратным клапаном: (a) Допускается прохождение электронного тока. (b) Текущий поток запрещен.

Обратные клапаны — это, по сути, устройства, работающие под давлением: они открываются и пропускают поток, если давление на них имеет правильную «полярность» для открытия задвижки (в показанной аналогии давление жидкости справа больше, чем слева).Если давление имеет противоположную «полярность», перепад давления на обратном клапане закроется и будет удерживать заслонку, так что потока не будет.

Как и обратные клапаны, диоды, по сути, являются устройствами, работающими от давления (напряжения). Существенная разница между прямым и обратным смещением заключается в полярности падения напряжения на диоде. Давайте подробнее рассмотрим простую схему батарея-диод-лампа, показанную ранее, на этот раз исследуя падение напряжения на различных компонентах на рисунке ниже.

Измерения напряжения диодной цепи: (a) Прямое смещение. (b) Обратное смещение.

Диод с прямым смещением проводит ток и понижает на нем небольшое напряжение, в результате чего большая часть напряжения батареи падает на лампе. Если полярность батареи меняется на противоположную, диод становится смещенным в обратном направлении и сбрасывает всех напряжения батареи, не оставляя лампе ничего. Если мы считаем диод самодействующим переключателем (замкнутым в режиме прямого смещения и разомкнутым в режиме обратного смещения), такое поведение имеет смысл.Наиболее существенное различие состоит в том, что диод при проводке падает намного больше напряжения, чем средний механический переключатель (0,7 вольт против десятков милливольт).

Это падение напряжения прямого смещения, проявляемое диодом, связано с действием области обеднения, образованной P-N переходом под влиянием приложенного напряжения. Если на полупроводниковый диод не подается напряжение, вокруг области P-N-перехода существует тонкая обедненная область, предотвращающая протекание тока. (Рисунок ниже (а)) Область обеднения почти лишена доступных носителей заряда и действует как изолятор:

Изображения диодов: модель PN-перехода, схематическое обозначение, физическая часть.

Схематический символ диода показан на рисунке выше (b), так что анод (указывающий конец) соответствует полупроводнику P-типа в точке (a). Катодный стержень, не указывающий конец, в точке (b) соответствует материалу N-типа в точке (a). Также обратите внимание, что катодная полоса на физической части (c) соответствует катоду на символе.

Если напряжение обратного смещения приложено к переходу P-N, эта область истощения расширяется, дополнительно сопротивляясь любому току через нее.(Рисунок ниже)

Область истощения расширяется с обратным смещением.

И наоборот, если напряжение прямого смещения приложено к переходу P-N, область обеднения сжимается, становясь тоньше. Диод становится менее резистентным к проходящему через него току. Для того, чтобы через диод шел устойчивый ток; тем не менее, область истощения должна быть полностью сжата под действием приложенного напряжения. Для этого требуется определенное минимальное напряжение, называемое прямым напряжением , как показано на рисунке ниже.

Увеличение прямого смещения от (a) к (b) уменьшает толщину обедненной области.

Для кремниевых диодов типичное прямое напряжение составляет 0,7 В, номинальное. Для германиевых диодов прямое напряжение составляет всего 0,3 вольта. Химическая составляющая P-N перехода, составляющего диод, определяет его номинальное значение прямого напряжения, поэтому кремниевые и германиевые диоды имеют такие разные прямые напряжения. Прямое падение напряжения остается примерно постоянным для широкого диапазона токов диодов, а это означает, что падение напряжения на диоде не похоже на падение напряжения на резисторе или даже на обычном (замкнутом) переключателе.Для наиболее упрощенного анализа схемы падение напряжения на проводящем диоде можно считать постоянным при номинальном значении и не связанным с величиной тока.

Диодное уравнение

На самом деле, прямое падение напряжения более сложное. Уравнение описывает точный ток через диод с учетом падения напряжения на переходе, температуры перехода и нескольких физических констант. Это широко известно как уравнение диода :

Термин kT / q описывает напряжение, возникающее внутри P-N перехода из-за воздействия температуры, и называется тепловым напряжением или V _t перехода.При комнатной температуре это примерно 26 милливольт. Зная это и принимая коэффициент «неидеальности» равным 1, мы можем упростить уравнение диода и переписать его как таковое:

Вам не нужно знать «уравнение диода» для анализа простых диодных цепей. Просто поймите, что напряжение, падающее на токопроводящем диоде , меняет вместе с величиной тока, проходящего через него, но это изменение довольно мало в широком диапазоне токов.Вот почему во многих учебниках просто говорится, что падение напряжения на проводящем полупроводниковом диоде остается постоянным и составляет 0,7 В для кремния и 0,3 В для германия. Однако в некоторых схемах намеренно используется присущее P-N-переходу экспоненциальное соотношение тока / напряжения, и поэтому их можно понять только в контексте этого уравнения. Кроме того, поскольку температура является фактором в уравнении диода, смещенный в прямом направлении P-N переход также может использоваться в качестве устройства измерения температуры и, таким образом, может быть понят, только если у человека есть концептуальное представление об этой математической зависимости.

Диод с обратным смещением предотвращает прохождение тока через него из-за расширенной области обеднения. На самом деле очень небольшой ток может проходить и проходит через диод с обратным смещением, называемый током утечки , но его можно игнорировать для большинства целей. Способность диода выдерживать напряжения обратного смещения ограничена, как и любого изолятора. Если приложенное напряжение обратного смещения становится слишком большим, диод испытывает состояние, известное как пробой , (рисунок ниже), которое обычно является деструктивным.Максимальное номинальное напряжение обратного смещения диода известно как Peak Inverse Voltage или PIV , и его можно получить у производителя. Как и прямое напряжение, PIV-рейтинг диода зависит от температуры, за исключением того, что PIV увеличивается на с повышением температуры, а уменьшается на , когда диод становится холоднее, что в точности противоположно прямому напряжению.

Диодная кривая: показывает излом при прямом смещении 0,7 В для Si и обратный пробой.

Обычно рейтинг PIV обычного «выпрямительного» диода составляет не менее 50 В при комнатной температуре. Диоды с рейтингом PIV в несколько тысяч вольт доступны по скромным ценам.

Обзор

• Диод — это электрический компонент, действующий как односторонний клапан для тока.
• Когда на диод подается напряжение таким образом, что диод пропускает ток, говорят, что диод смещен в прямом направлении .
• Когда напряжение подается на диод таким образом, что диод запрещает ток, говорят, что диод имеет обратное смещение .
• Напряжение, падающее на проводящий диод с прямым смещением, называется прямым напряжением , . Прямое напряжение диода изменяется незначительно при изменении прямого тока и температуры и фиксируется химическим составом P-N перехода.
Кремниевые диоды
• имеют прямое напряжение примерно 0,7 В.
Прямое напряжение германиевых диодов
• составляет примерно 0,3 В.
• Максимальное напряжение обратного смещения, которое диод может выдержать без «пробоя», называется номинальным значением пикового обратного напряжения или PIV .

Характеристики обратного восстановления диода

Это временное состояние. Мы получаем эту характеристику, когда диод переходит в состояние с обратным смещением (то есть в выключенном состоянии ) из состояния с прямым смещением (то есть в состояние с включенным состоянием ). Это в точности обратный процесс Turn ON Transient .

• Характеристики обратного восстановления диода на самом деле являются частью переходного процесса выключения из характеристик переключения .
• Здесь, главным образом, избыточные заряды, накопленные из-за двойной инжекции в области дрейфа , сначала удаляются, чтобы можно было сформировать область истощения, и диод мог быть смещен в обратном направлении (то есть в выключенном состоянии). Это важный процесс переходного процесса выключения , который известен как обратного восстановления .

Этапы процесса обратного восстановления

1. 1. Во-первых, накопленный избыточный / неосновной заряд в области дрейфа удаляется, так что переход может иметь обратное смещение.Во-вторых, свипирование и рекомбинация приводят к расширению обедненной области.
   2. В состоянии прямого смещения / включения дрейфовая область содержит избыточные / неосновные носители заряда из-за двойной инжекции. Пока эти накопленные избыточные / неосновные носители заряда не распадутся, прямой ток течет с затухающей природой в течение периода времени «t ₃ », как показано на рисунке.

ВЫКЛЮЧИТЕ ПЕРЕХОДНЫЕ / ОБРАТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДИОДА

1. По истечении периода времени t ₃ начинает течь обратный ток.
2. По мере уменьшения накопленных избыточных носителей из области дрейфа омическое сопротивление «R» области дрейфа увеличивается, что приводит к быстрому уменьшению V _ON после t ₃ .
3. Обратный ток увеличивается до максимума, когда все заряды в области истощения истекают, представленной I _rr , как показано на рисунке. После максимального обратного тока в конце t ₄ , когда остается очень мало избыточных носителей заряда, обратный ток уменьшается и область истощения увеличивается, напряжение на диоде достигает отрицательного значения, когда область истощения расширяется дальше (поток обратного тока в отрицательное направление вызывает отрицательное падение напряжения).

Терминология, используемая в характеристиках обратного восстановления

1. t ₄ : Время, необходимое току обратного восстановления, чтобы стать максимальным I _rr .
2. t ₅ : Время, необходимое току обратного восстановления для уменьшения до 25% I _rr от максимального значения I _rr .
3. S = t ₅ / t ₄ , где S = коэффициент резкости или мягкости
4. Время обратного восстановления t _rr : Общее время, необходимое току обратного восстановления для достижения 25% от максимального значения i.е. Я _рр . Обозначается t _rr . Из рисунка выше
5. Reverse Recovery Charge Q _RR : Количество носителей заряда, которые проходят через диод во время протекания обратного тока. Площадь, охватываемая током обратного восстановления (с рисунка)

Примечание. Здесь мы предположили, что график имеет треугольную форму, чтобы вычислить площадь.

Расчет времени обратного восстановления (t

_rr ) и тока обратного восстановления (I _rr )

Из приведенного выше сигнала;

Из уравнения (i) получаем,

Следовательно,

Если пренебречь мгновенностью «S» i.е. S = 0
, что означает t ₅ << t ₄ (из S = t ₅ / t ₄ ), что затем приводит к t _rr = t ₄ .

Подставляя значение t ₄ = t _rr в уравнение (iii), получаем

Из уравнений (ii) и (iv) получаем

Заключение

• T _rr и I _rr оба зависят от Q _rr .
• И Q _rr зависит от I _F , поэтому все зависит от максимального прямого тока.

Важность характеристик обратного восстановления

• Когда диод переходит из состояния прямого смещения в состояние обратного смещения, тогда из-за задержки, вызванной протеканием тока обратного восстановления, время блокировки увеличивается. Следовательно, это влияет на действие переключения в диоде, что снижает скорость переключения.
• Влияет на выпрямительное действие выпрямителей.

Совместное использование — это забота!

BAV74LT1 — Монолитный двойной переключающий диод

% PDF-1.4 % 1 0 объект > эндобдж 5 0 obj > эндобдж 2 0 obj > эндобдж 3 0 obj > транслировать 2016-10-18T07: 10: 27-07: 00BroadVision, Inc.2020-10-20T14: 29: 01 + 08: 002020-10-20T14: 29: 01 + 08: 00 Приложение Acrobat Distiller 9.0.0 (Windows) / pdf

BAV74LT1 — Монолитный двойной переключающий диод

ON Semiconductor

uuid: 6a7f396d-cf8f-4ada-9b62-f622d9bd30e6uuid: 4f84d872-5f82-42bc-90e7-e272e78f66d0 конечный поток эндобдж 4 0 obj > эндобдж 6 0 obj > эндобдж 7 0 объект > эндобдж 8 0 объект > эндобдж 9 0 объект > эндобдж 10 0 obj > эндобдж 11 0 объект > эндобдж 12 0 объект > эндобдж 13 0 объект > эндобдж 14 0 объект > эндобдж 15 0 объект > транслировать H | UnH {u

Модель масштабируемого МОП-транзистора со встроенным корпусным диодом, включая обратное восстановление — Краткие сведения о TechConnect

Carroll R., Коннерни Д., Холл Дж., Ло З., Сяо Ю., Янг А.,
Fairchild Semiconductor, US

Ключевые слова: корпусный диод, повышающий преобразователь, понижающий преобразователь, емкостная нагрузка, диод, высокое напряжение, индуктивная нагрузка, LDMOS, MOSFET, мощность, эффективность преобразования мощности, предсказуемость, обратное восстановление

Традиционные модели высоковольтных MOSFET включают модели паразитных диодов истока и стока. Однако эти модели являются упрощенными моделями диодов, и в них отсутствуют некоторые из более подробных аспектов диодов с p-n-переходом, такие как напряжение пробоя, повышенный ток утечки, повышенная температура и прямое сопротивление, которые не моделируются ни в одной стандартной модели MOSFET.Кроме того, даже стандартные модели диодов не содержат более продвинутых функций, таких как обратное восстановление. Во многих прикладных схемах с индуктивными и емкостными нагрузками, таких как понижающие и повышающие преобразователи, выходные транзисторы очень большие, и работа схемы подталкивает эти транзисторы к прямому смещению диода сток-тело во время каждого цикла переключения. Традиционно большие полевые МОП-транзисторы представляли собой автономные внешние транзисторы, которые можно было смоделировать как дискретные устройства, чтобы можно было включить определенные эффекты корпусных диодов.По мере развития процессов HVMOS и интеграции мощных транзисторов в одну микросхему необходимо производить большие масштабируемые устройства, обладающие более продвинутыми свойствами, критически важными для производительности силовой цепи. Мы показали, что правильное моделирование диода сток-тело, включая эффект обратного восстановления, дает лучший прогноз выходной мощности и эффективности преобразования. В этой статье мы представим модель высоковольтных полевых МОП-транзисторов, которая включает в себя модели промышленного стандарта BSIM3v3 и HiSIM-LDMOS со встроенной моделью диода, которая включает расширенные свойства диода и моделирование динамического обратного восстановления.

Документ в формате PDF:

---

Журнал: TechConnect Briefs
Том: 3, Нанотехнологии 2009: Биотопливо, возобновляемые источники энергии, покрытия, флюидика и компактное моделирование
Опубликовано: 3 мая 2009 г.