Site Loader

Содержание

Основные параметры диодов, прямой ток диода, обратное напряжение диода


Основные параметры диодов — это прямой ток диода (Iпр) и максимальное обратное напряжение диода (Uобр). Именно их надо знать, если стоит задача разработать новый выпрямитель для источника питания.

Прямой ток диода

Прямой ток диода можно легко вычислить, если известен общий ток, который будет потреблять нагрузка нового блока питания. Затем, для обеспечения надёжности, необходимо несколько увеличить это значение и получится ток, на который надо подобрать диод для выпрямителя. К примеру, блок питания должен выдерживать ток в 800 мА. Поэтому мы выбираем диод, у которого прямой ток диода равен 1А.

Обратное напряжение диода

Максимальное обратное напряжение диода — это параметр, который зависит не только от значения переменного напряжения на входе, но и от типа выпрямителя. Для объяснения этого утверждения, рассмотрим следующие рисунки.

На них показаны все основные схемы выпрямителей.


Рис. 1

Как мы говорили ранее, напряжение на выходе выпрямителя (на конденсаторе) равно действующему напряжению вторичной обмотки трансформатора, умноженному на √2. В однополупериодном выпрямителе (рис. 1), когда напряжение на аноде диода имеет положительный потенциал относительно земли, конденсатор фильтра заряжается до напряжения, превышающего действующее напряжение на входе выпрямителя в 1.4 раза. Во время следующего полупериода напряжение на аноде диода отрицательно относительно земли и достигает амплитудное значения, а на катоде — положительно относительно земли и имеет такое же значение. В этот полупериод к диоду приложено обратное напряжение, которое получается благодаря последовательному соединению обмотки трансформатора и заряженного конденсатора фильтра. Т.е. обратное напряжение диода должно быть не меньше двойного амплитудного напряжения вторички трансформатора или в 2.8 раза выше его действующего значения. При расчёте таких выпрямителей надо выбирать диоды с максимальным обратным напряжением в 3 раза превышающим действующее значение переменного напряжения.


Рис. 2

На рисунке 2 изображён двухполупериодный выпрямитель с выводом средней точки. В нём также, как и в предыдущем, диоды надо подбирать с обратным напряжением в 3 раза превышающем действующее значение входного.


Рис. 3

По другому обстоит дело в случае мостового двухполупериодного выпрямителя. Как можно видеть на рис. 3, в каждый из полупериодов удвоенное напряжение прикладывается к двум непроводящим, последовательно соединённым диодам.

Общие свойства и параметры диодов

 

Система и перечень параметров, включаемые в технические описания и характеризующие свойства полупроводниковых диодов, выбираются с учетом их физико-технологических особенностей и области применения. В большинстве случаев важны сведения об их статических, динамических и предельных параметрах.

Статические параметры характеризуют поведение приборов при постоянном токе,

динамические — их частотно-временные свойства, предельные параметры определяют область устойчивой и надежной работы.

В справочники, стандарты или технические описания включается необходимая для детального расчета схем информация о параметрах: нормы на значения параметров, режимы их измерений, вольт-амперные характеристики, зависимости параметров от режима и температуры, максимальные и максимально допустимые значения параметров, конструктивно-технологические особенности приборов, их основное назначение, специфические требования, методы измерения параметров, типовые схемы применения.

Постоянные (случайные) изменения технологических факторов оказывают существенное влияние на значения параметров изготавливаемых приборов. Поэтому значения параметров даже одного типа приборов являются случайными величинами, т.е. имеется отклонение от среднего (

типового, номинального) уровня. Для некоторых параметров устанавливаются граничные значения и возможные отклонения (разброс). Нормы на разброс параметров устанавливаются на основе экспериментально-статистических данных при обеспечении надежной и устойчивой работы приборов в различных условиях и режимах применения, а также исходя из экономических соображений.

Необходимо отметить, что вследствие постоянного совершенствования конструкций и технологии изготовления полупроводниковых приборов происходят изменения средних значений параметров. Некоторые образцы приборов имеют параметры лучше, чем приведенные в технических описаниях и справочниках.

В разных странах существуют региональные унифицированные стандарты на параметры и характеристики полупроводниковых приборов, методики их измерений и контроля качества, которые могут существенно отличаться от международных стандартов.

Различают общие параметры, которыми характеризуется любой полупроводниковый диод, и специальные параметры, присущие только отдельным видам диодов. К общим параметрам диодов относят: параметры рассеиваемой мощности, тепловые параметры, пробивные максимальные и максимально допустимые токи и напряжения, параметры, определяемые по виду ВАХ прибора, параметры, характеризующие основные свойства \(p\)-\(n\)-перехода и т.п.

Рассеиваемая мощность (\(P_{пр}\), \(P_{обр}\), \(P_{ср}\), \(P_и\)). Когда через диод проходит ток, при заданном напряжении на диоде выделяется мощность \(P_д = I \cdot U\). При подаче на диод переменного напряжения общая мощность, рассеиваемая диодом, равна сумме мощностей рассеиваемых при прохождении тока в прямом (\(P_{пр}\)) и обратном (\(P_{обр}\)) направлениях \(P_д = P_{пр} + P_{обр}\). Средняя рассеиваемая мощность (\(P_{ср}\)) определяется как среднее за период значение мощности, рассеиваемой диодом при протекании прямого и обратного токов. Максимальное значение рассеиваемой мощности, при которой гарантируется долговременная и стабильная работа диода при заданных внешних условиях, называется

максимальной допустимой мощностью рассеяния диода. Наибольшее мгновенное значение мощности, рассеиваемой диодом, называется импульсной рассеиваемой мощностью (\(P_и\)).

Температура (\(T\), \(T_п\), \(T_{кор}\)). Выделение мощности сопровождается нагреванием диода, что приводит к росту обратного тока и увеличению вероятности возникновения теплового пробоя \(p\)-\(n\)-перехода. Для исключения теплового пробоя температура \(p\)-\(n\)-перехода должна быть меньше максимальной допустимой температуры перехода

(\(T_{п max}\)). Как правило, эта температура для германиевых диодов составляет 70 °C, а для кремниевых — 125 °C. Выделяемая теплота рассеивается диодом в окружающую среду. Учитывая конструктивные особенности диода и условия его эксплуатации, иногда нормируются максимальная температура корпуса диода (\(T_{к max}\)) и максимальная температура окружающей среды вблизи диода (\(T\)).

Тепловое сопротивление (\(R_т\), \(R_{т пер-окр}\), \(R_{т пер-кор}\)). Перепад температур между переходом и окружающей средой определяется выражением: \(T_п – T = R_т \cdot P_д\), где \(R_т\) — тепловое сопротивление, характеризующее условия отвода теплоты от диода (определяется конструкцией корпуса, наличием радиатора и т.д.). В зависимости от расположения контрольной точки, в которой производится измерение температуры, различают:

тепловое сопротивление переход – окружающая среда (\(R_{т пер-окр}\)), тепловое сопротивление переход – корпус диода (\(R_{т пер-кор}\)). Тепловое сопротивление переход – среда (\(R_{т пер-окр}\)) необходимо знать для расчета допустимой рассеиваемой мощности маломощных диодов обычно работающих без теплоотвода, а тепловое сопротивление переход – корпус (\(R_{т пер-кор}\)) — для расчета режима работы мощных приборов при наличии внешнего радиатора. Обычно \(R_{т пер-окр} \gg R_{т пер-кор}\) (сопротивление \(R_{т пер-кор}\) остается постоянным только в случае малых плотностей тока). Тепло от кристалла с переходами к корпусу или радиатору отводится за счет теплопроводности, а от корпуса в окружающее пространство — конвекцией и излучением. Режим диода необходимо выбирать из условия \(\newcommand{\slfrac}[2]{\left.#1\right/#2}U \cdot I \leq P_{д max}= \slfrac{\left( T_{п max} – T \right)}{R_{т пер-окр}}\).

Переходное тепловое сопротивление (\(Z_т\), \(Z_{т пер-окр}\), \(Z_{т пер-кор}\)). При определении тепловых режимов в случае работы диодов при малых длительностях импульсов используются их переходные тепловые характеристики, а именно переходное тепловое сопротивление диода (\(Z_т\)), которое является отношением разности изменения температуры перехода и температуры в контрольной точке за заданный промежуток времени, когда происходит это изменение температуры, к приращению рассеиваемой мощности диода, скачкообразно увеличенной в начале этого интервала. Производными этого параметра являются:

переходное тепловое сопротивление переход – окружающая среда (\(Z_{т пер-окр}\)) и переходное тепловое сопротивление переход – корпус диода (\(Z_{т пер‑кор}\)).

Прямой ток и напряжение (\(I_{пр}\), \(I_{пр}\) и, \(I_{пр ср}\), \(U_{пр}\), \(U_{пр и}\)). При приложении к диоду постоянного прямого напряжения \(U_{пр}\) его температура зависит от величины протекающего прямого тока \(I_{пр}\). Прямой ток, при котором температура \(p\)-\(n\)-перехода диода достигает максимального допустимого значения (\(T_{п max}\)), называют

допустимым прямым током (\(I_{пр max}\)). Наибольшее допустимое мгновенное значение прямого тока диода называют максимальным импульсным прямым током (\(I_{пр и max}\)). Наибольшее мгновенное значение прямого напряжения на диоде, обусловленное заданным импульсным прямым током, называется максимальным импульсным прямым напряжением диода (\(U_{пр и max}\)). Средний прямой ток диода (\(I_{пр ср}\)) определяется при подаче на диод переменного напряжения как среднее за период значение прямого тока.

Обратный ток и напряжение (\(I_{обр}\), \(I_{обр и}\), \(U_{обр}\), \(U_{обр и}\)). При приложении к диоду постоянного заданного обратного напряжения \(U_{обр}\) через него протекает постоянный обратный ток \(I_{обр}\) определенной величины. Важным параметром диодов является максимальное допустимое обратное напряжение \(U_{обр max}\), при котором не происходит пробоя \(p\)-\(n\)-перехода. Обычно \(U_{обр max} \le {0,8}U_{проб}\), где \(U_{проб}\) — значение обратного напряжения, вызывающее пробой перехода диода, при котором обратный ток достигает заданного значения, оно называется пробивным напряжением диода. Максимально допустимое импульсное обратное напряжение (\(U_{обр и max}\)) определяет максимальное мгновенное значение для обратного напряжения на диоде, а максимально допустимый импульсный обратный ток (\(I_{обр и max}\)) характеризует предельное мгновенное значение обратного тока, обусловленного импульсным обратным напряжением.

Дифференциальное сопротивление (\(r_{диф}\)). Прямое (\(r_{пр}\)) и обратное (\(r_{обр}\)) сопротивления диода постоянному току выражаются соотношениями: \(\newcommand{\slfrac}[2]{\left.#1\right/#2}r_{пр} = \slfrac{U_{пр 0}}{I_{пр 0}}\), \(r_{обр} = \slfrac{U_{обр 0}}{I_{обр 0}}\) , где \(U_{пр 0}\), \(I_{пр 0}\), \(U_{обр 0}\), \(I_{обр 0}\) задают конкретные точки на ВАХ прибора, в которых производится вычисление сопротивления. Поскольку типичная ВАХ полупроводникового прибора имеет участки с повышенной линейностью (один на прямой ветви, один — на обратной), то вводится понятие дифференциального сопротивления (\(r_{диф}\)), которое вычисляется как отношение малого приращения напряжения диода к малому приращению тока в нем при заданном режиме (\(r_{диф пр} = \slfrac{\Delta U_{пр}}{\Delta I_{пр}}\), \(r_{диф обр} = \slfrac{\Delta U_{обр}}{\Delta I_{обр}}\)).

Емкость перехода (\(C_{пер}\)) и накопленный заряд (\(Q_{нк}\)). Изменение внешнего напряжения \(\operatorname{d}U\) на \(p\)-\(n\)-переходе приводит к изменению накопленного в нем заряда \(\operatorname{d}Q\). Поэтому \(p\)‑\(n\)‑переход ведет себя подобно конденсатору, емкость которого \(C = \operatorname{d}Q/\operatorname{d}U\). В зависимости от физической природы изменяющегося заряда различают зарядную (барьерную) и диффузионную емкости. Зарядная (барьерная) емкость определяется изменением нескомпенсированного заряда ионов при изменении ширины запирающего слоя под воздействием внешнего обратного напряжения. При увеличении же внешнего напряжения, приложенного к \(p\)-\(n\)-переходу в прямом направлении, растет концентрация инжектированных носителей вблизи границ перехода, что приводит к изменению количества заряда, обусловленного неосновными носителями в \(p\)- и \(n\)-областях. Это можно рассматривать как проявление некоторой емкости. Поскольку она зависит от изменения диффузионной составляющей тока, ее называют диффузионной емкостью. Заряд электронов или дырок, накопленный при протекании прямого тока в базе диода или \(i\)‑области \(p\)-\(i\)-\(n\)-диода, называется накопленным зарядом (\(Q_{нк}\)). Полная емкость \(p\)-\(n\)-перехода определяется суммой зарядной и диффузионной емкостей: \(C_{пер} = C_{зар} + C_{диф}\). При включении \(p\)‑\(n\)‑перехода в прямом направлении преобладает диффузионная емкость, а при включении в обратном направлении — зарядная (емкость \(C_{диф}\) при этом пренебрежимо мала).

Заряд восстановления (\(Q_{вос}\)) и время восстановления (\(t_{вос обр}\), \(t_{вос пр}\)). При переключении диода с прямого тока на обратный весь накопленный заряд вытекает во внешнюю цепь. При заданных прямом токе и итоговом обратном напряжении весь суммарный заряд (с учетом накопленного заряда и заряда емкости обедненного слоя для полных процессов запаздывания и восстановления), вытекающий во внешнюю цепь, называется зарядом восстановления (\(Q_{вос}\)), а время, истекшее от момента прохождения тока через нулевое значение до момента достижения обратным током заданной величины — временем восстановления обратного сопротивления или просто временем обратного восстановления диода (\(t_{вос обр}\)). Аналогично определяется время установления прямого напряжения или время прямого восстановления диода (\(t_{вос пр}\)), которое равно промежутку времени, в течение которого прямое напряжение на диоде устанавливается от нулевого значения до заданного уровня.

Полный список общих параметров диодов и их принятых обозначений приведен в таб. 2.2‑1. Помимо описанных выше параметров он включает также:

  • эффективное время жизни неравновесных носителей заряда (\(t_{эф}\)), характеризующее материал и некоторые конструктивные параметры кристалла полупроводника;
  • емкость корпуса диода (\(C_{кор}\)), определяемую его конструктивными особенностями;
  • общие емкость (\(C_д\)) и индуктивность (\(L_п\)) диода, измеряемые в установившемся режиме работы.

 

Таб. 2.2-1. Общие основные параметры диодов

 

 

< Предыдущая   Следующая >

Характеристики и параметры выпрямительных и универсальных диодов

Характеристики и параметры выпрямительных и универсальных диодов

 

Выпрямительные диоды служат для выпрямления переменного тока низкой частоты. В основе выпрямительных свойств этих диодов лежит принцип односторонней проводимости электронно-дырочных р-и-переходов.

Универсальные диоды используют в различной радиоэлектрон­ной аппаратуре в качестве выпрямителей переменного тока высоких и низких частот, умножителей и преобразователей частоты, детекто­ров больших и малых сигналов и т. д. Диапазон рабочих токов и напряжений выпрямительных и уни­версальных диодов очень широк, поэтому они выпускаются как с точечным так и плоскостным р-n-переходом в структуре полупроводника с площадями от десятых долей квад­ратного миллиметра до несколь­ких квадратных сантиметров. Обычно в универсальных диодах используются переходы с малыми площадями и емкостями, но с от­носительно высокими значениями прямых токов и обратных напря­жений. Этим требованиям удовлет­воряют точечные, микросплавные плоскостные и мезапланарные дио­ды. Характеристики и параметры универсальных диодов те же, что и у выпрямительных диодов.

Вольтамперная характеристи­ка (ВАХ) выпрямительных диодов выражает зависимость тока, про­ходящего через диод, от значения и полярности приложенного к нему постоянного напряжения Прямая ветвь характеристики  показывает зависи­мость тока через диод при прямой пропускной полярности приложен­ного напряжения. Сила прямого тока  экспоненциаль­но зависит от приложенного к диоду прямого напряжения и может достигать больших значений при малом (порядка 0,3 — 1 В) падении напряжения на диоде. 

Обратная ветвь характеристики  соответствует не­проводящему направлению тока через диод при обратной полярно­сти приложенного к диоду напряжения. Обратный ток (участок. ОД) незначительно зависит от приложенного обратного напряжения. При относительно большом обратном напряжении (точка В на характе­ристике) наступает электрический пробой р-n-перехода, при кото­ром быстро увеличивается обратный ток, что может привести к теп­ловому пробою и повреждению диода. При повышении температуры возрастут тепловой ток и ток генерации носителей зарядов в пере­ходе, что приведет к увеличению прямого и обратного токов и сме­щению характеристик диода.

Свойства и взаимозаменяемость диодов оценивают по их пара­метрам. К основным параметрам относят токи и напряжения, свя­занные с ВАХ Диоды применяют в цепях как переменного, так и постоянного тока. Поэтому для оценки свойств диодов наряду с параметрами на постоянном токе пользуются дифференциальными параметрами, ха­рактеризующими их работу на переменном токе.

Выпрямленный (прямой) ток Iпр представляет собой ток (сред­нее значение за период), проходящий через диод, при котором обес­печивается его надежная и длительная работа. Сила этого тока ог­раничивается разогревом или максимальной мощностью Рмакс. Пре­вышение прямого тока ведет к тепловому пробою и повреждению диода.

  • Прямое падение напряжения UПр.Ср — среднее значение за пери­од на диоде при прохождении через него допустимого прямого тока.
  • Допустимое обратное напряжение U0бр —среднее значение за период, при котором обеспечивается надежная и длительная работа диода. Превышение обратного напряжения приводит к пробою и вы­ходу диодов из строя. При повышении температуры значения об-ратного напряжения и прямого тока снижаются.
  • Обратный ток Iобр — среднее значение за период обратного то­ка при допустимом Uобр. Чем меньше обратный ток, тем лучше

Вы­прямительные свойства диода. Повышение температуры на каждые 10 °С приводит к увеличению обратного тока у германиевых « крем­ниевых диодов, в 1,5 — 2 раза и более.

Максимальная постоянная, или средняя за период мощность Pмакс, рассеиваемая диодом, при которой диод может длительно ра­ботать, не изменяя своих параметров. Эта мощность складывается из суммы произведений токов и напряжений при прямом и обрат­ном смещениях перехода, т. е. за положительный и отрицательный полупериоды переменного тока. Для приборов большой мощности, работающих с хорошим теплоотводом, Pмакс=(Tп.макс — Тк)/Rпк. Для приборов малой мощности, работающих без теплоотвода,

Pмакс = (Tп.макс — Т с) /Rп.с.

Максимальная температура перехода Гп.макс зависит от мате­риала (ширины запрещенной зоны) полупроводника и степени его легирования, т. е. от удельного сопротивления области р-n-перехода — базы. Диапазон Гп.макс для германия лежит в пределах 80 — 110°С, а для кремния 150 — 220 °С.

Тепловое сопротивление Rп.к между переходом и корпусом оп­ределяется температурным перепадом между переходом Тпи кор­пусом Tк и средней выделяемой в переходе мощностью Ра и состав­ляет 1 — 3°С/Вт: Ra.K=(Ta — TK)/Pa. Тепловое сопротивление Rn c между переходом и окружающей средой зависит от температурного перепада между переходом Тп и окружающей средой Тс. Поскольку практически RПK<RK с, то Rn с определяется тепловым сопротивлением между корпусом при­бора и окружающей средой- Rnc=(Ta — Tc)/Pn=Rn K+RK c. Для обычных широко распространенных корпусов Ra c=0,2 — 0,4 °С/мВт.

Предельный режим использования диодов характеризуют мак­симально допустимое обратное напряжение UОбр макс, максимальный выпрямительный ток IПр макс и максимальная темпера­тура перехода ТПмакс С повышением частоты переменного напряжения, подводимого к диоду, ухудшаются его выпрямительные свойства. Поэтому для определения свойств выпрямительных диодов обычно оговаривается диапазон рабочих частот Дf или максимальная частота выпрямле­ния fмакс На частотах, больших fмакс, не успевают скомпенсироваться накопленные за время прямого полупериода неосновные носите­ли заряда в базе, поэтому при обратном полупериоде выпрямляемо­го напряжения переход некоторое время остается прямосмещенным (т е теряет свои выпрямительные свойства). Это свойство прояв­ляется тем значительнее, чем больше импульс прямого тока или вы­ше частота подводимого переменного напряжения Кроме того, на высоких частотах начинает проявляться шунтирующее действие барьерной и диффузионной емкостей p-n-перехода, снижающих его выпрямительные свойства

При расчете режима выпрямителей используются статическое со­противление постоянному току и дифференциальное сопротивление диодов переменному току

  • Дифференциальное сопротивление переменному току rдиф=dU/dI или rДиф=ДU/ДI определяет изменение тока через диод при изменении напряжения вблизи выбранной рабочей точки на харак­теристике диода. При прямом включении напряжения rдиф Пр=0,026/ /IПр и токе IПр>10 мА оно составляет несколько омов При под­ключении обратного напряжения rДИф обр велико (от десятков ки-лоомов до нескольких мегаомов).
  • Статическое сопротивление диода постоянному току гпрд = UПр/Iпр, rобр д = Uобр/Iобр В Области прямых токов rПр д>rдиф пр, а в области обратных r0бр д<rдифобр Поскольку электрическое со­противление p-n-перехода в прямом направлении меньше, чем в об­ратном, диод обладает односторонней проводимостью и использует­ся для выпрямления переменного тока

Емкости диодов оказывают существенное влияние на их работу на высоких частотах и в импульсных режимах. В паспортных дан­ных диодов обычно приводится общая емкость диода Сд, которая помимо барьерной и диффузионной включает емкость корпуса при­бора Эту емкость измеряют между внешними токоотводами диода при заданных обратном напряжении смещения и частоте тока

Полупроводниковые диоды — Пособие по электротехнике

            Полупроводниковым диодом называется электро преобразовательный полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом, имеющим два вывода.

            Структура полупроводникового диода с электронно-дырочным переходом и его условное графическое обозначение приведены на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Схема структуры полупроводникового диода (а)

и его графическое обозначение (б)

            Буквами  p  и  n  обозначены слои полупроводника с проводимостями соответственно  p-типа  и  n-типа. В контактирующих слоях полупроводника (область pn-перехода на рис. 2.2) имеет место диффузия дырок из слоя p в слой n, причиной которой является то, что их концентрация в слое p значительно больше их концентрации в слое n. В итоге в приграничных областях слоя p и слоя n возникает так называемый обедненный слой, в котором мала концентрация подвижных носителей заряда (электронов и дырок). Обедненный слой имеет большое удельное сопротивление.

            Ионы примесей обедненного слоя не компенсированы дырками или электронами. В совокупности ионы образуют некомпенсированные объемные заряды, создающие электрическое поле с напряженностью Е. Это поле препятствует переходу дырок из слоя p в слой n и переходу электронов из слоя n в слой p. Оно создает так называемый дрейфовый поток подвижных носителей заряда, перемещающий дырки из слоя n в слой p и электроны из слоя p в слой n. Таким образом, в зависимости от полярности проходящего через диод тока, проводимость диода существенно изменяется, приводя к изменению величину проходящего тока.

            Основные характеристики полупроводникового диода представляются его вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Вольт-амперная характеристика – это зависимость тока i, протекающего через диод, от напряжения u, приложенного к диоду. Вольт-амперной характеристикой называют и график этой зависимости (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Вольт-амперная характеристика и основные параметры полупроводникового диода

Диоды обычно характеризуются следующими параметрами (рис. 2.3):

1.     обратный ток при некоторой величине обратного напряжения  Iобр, мкА;

2.     падение напряжения на диоде при некотором значении прямого тока через диод Uпр, в;

3.     емкость диода при подаче на него обратного напряжения некоторой величины С, пФ;

4.     диапазон частот, в котором возможна работа без снижения  выпрямленного тока fгр, кГц;

5.     рабочий диапазон температур.

            Техническими условиями задаются обычно максимальные (или минимальные) значения параметров для диодов каждого типа.

            Так, например, задается максимально возможное значение обратного тока, прямого падения напряжения и емкости диода. Диапазон частот задается минимальным значением граничной частоты  fгр. Это значит, что параметры всех диодов не превышает (а в случае частоты – не ниже) заданного техническими условиями значения. Общий вид диодов показан на рис 2.4.

Рис. 2.4. Конструкция диодов малой мощности (а) и средней мощности (б)

Характеристики диодов, конструкции и особенности применения

Вольтамперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода представляет собой зависимости между значениями напряжения (прямого и обратного) и токами (прямого и обратного). Типовая вольтамперная характеристика диода представлена на рисунке 1.

Рисунок 1.

Стоит отметить, что ВАХ для диодов различного типа отличаются. На рисунке 2 представлены характеристики германиевого (синим цветом) и кремниевого (черным цветом) диодов.

Рисунок 2.

Рассмотрим основные составляющие ВАХ диода.

Прямая ветвь ВАХ диода. Расположена в первом квадранте системы координат. Прямая ветвь ВАХ соответствует прямому включению диода. Увеличение приложенного напряжения в прямом направлении к диоду Uпр приводит к увеличению прямого тока Iпр. Прямая ветвь ВАХ характеризуется изломом – напряжение практически не увеличивается, при этом ток стремительно возрастает. Величина этого напряжения определяет прямое падение напряжения на диоде (около 0,5…2 В). Мощность диода (количество теплоты выделяемое при его работе) определяется произведением прямого напряжения на прямой ток. Для мощных диодов на их корпусе устанавливают дополнительные радиаторы.

Рисунок 3.

Мощность, рассеиваемая диодами, может достигать 30% полезной мощности всей установки. Для снижения прямого напряжения на диоде применяют специальные диоды Шоттки (по имени изобретателя немецкого физика Вальтера Шоттки). Падение напряжения на таких диодах составляет 0,2…0,4 В.

Обратная ветвь ВАХ диода. Расположена в третьем квадранте системы координат и соответствует обратному включению диода. Включение диода в обратном направлении приводит к протеканию через р-n переход обратного тока (до нескольких микроампер). Поэтому на диоде также выделяется определенная мощность, определяемая произведением обратного тока и обратного напряжения. Перегиб обратной ветви ВАХ диода соответствует пробою р-n перехода (диод превращается в резистор).

Применение полупроводниковых диодов в высокочастотных схемах приводит к необходимости учитывать паразитную емкость диода (электрическая емкость подобная емкости конденсатора). Однако эта емкость нашла и практическое применение в специальных диодах – варикапах.

Рисунок 4.

Конструктивно различают следующие типы диодов: плоскостные и точечные.

Точечные диоды (рисунок 5), как правило, применяются в высокочастотных схемах. Один их электродов точечного диода является металлической иглой (содержит примесь донора или акцептора), который вплавляется в кристалл полупроводника. Поэтому р-n переход в точечных диодах имеет малую площадь и, как следствие, малую паразитную емкость. Рабочая частота точечных диодов может достигать нескольких гигагерц, однако обратное напряжение для точечных диодов не превышает 5 В.

Рисунок 5.

Плоскостные диоды (рисунок 6) применяются в схемах выпрямителей. Размеры р-n перехода плоскостных диодов может достигать 100 кв. мм., поэтому величина прямого тока намного больше, чем у точечных диодов.

Рисунок 6.

Основные сферы применения полупроводниковых диодов:

1. Преобразователи напряжения (выпрямители), преобразователи частоты.
2. Детекторные приборы (фотодиоды).
3. Устройства нелинейной обработки аналоговых сигналов.
4. Стабилизированные источники питания.
5. Схемы ограничения сигналов.
6. Индикаторы (светодиоды).



Всего комментариев: 0


Полупроводниковый диод. Принцип его работы, параметры и разновидности.

Устройство, параметры и разновидности диодов

В самом начале радиотехники первым активным элементом была электронная лампа. Но уже в двадцатые годы прошлого века появились первые приборы доступные для повторения радиолюбителями и ставшие очень популярными. Это детекторные приёмники. Более того они выпускались в промышленном масштабе, стоили недорого и обеспечивали приём двух-трёх отечественных радиостанций работавших в диапазонах средних и длинных волн.

Именно в детекторных приёмниках впервые стал использоваться простейший полупроводниковый прибор, называемый вначале детектором и лишь позже получивший современное название – диод.

Диод это прибор, состоящий всего из двух слоёв полупроводника. Это слой “p”- позитив и слой “n”- негатив. На границе двух слоёв полупроводника образуется “p-n” переход. Анодом является область “p”, а катодом зона “n”. Любой диод способен проводить ток только от анода к катоду. На принципиальных схемах он обозначается так.

Как работает полупроводниковый диод.

В полупроводнике “n” типа имеются свободные электроны, частицы со знаком минус, а в полупроводнике типа “p” наличествуют ионы с положительным зарядом, их принято называть «дырки». Подключим диод к источнику питания в обратном включении, то есть на анод подадим минус, а на катод плюс. Между зарядами разной полярности возникает притяжение и положительно заряженные ионы тянутся к минусу, а отрицательные электроны дрейфуют к плюсу источника питания. В “p-n” переходе нет носителей зарядов, и отсутствует движение электронов. Нет движения электронов – нет электрического тока. Диод закрыт.

При прямом включении диода происходит обратный процесс. В результате отталкивания однополярных зарядов все носители группируются в зоне перехода между двумя полупроводниковыми структурами. Между частицами возникает электрическое поле перехода и рекомбинация электронов и дырок. Через “p-n” переход начинает протекать электрический ток. Сам процесс носит название «электронно-дырочная проводимость». При этом диод открыт.

Возникает вполне естественный вопрос, как из одного полупроводникового материала удаётся получить структуры, обладающие различными свойствами, то есть полупроводник “n” типа и полупроводник “p” типа. Этого удаётся добиться с помощью электрохимического процесса называемого легированием, то есть внесением в полупроводник примесей других металлов, которые и обеспечивают нужный тип проводимости. В электронике используются в основном три полупроводника. Это германий (Ge), кремний (Si) и арсенид галлия (GaAs). Наибольшее распространение получил, конечно, кремний, так как запасы его в земной коре поистине огромны, поэтому стоимость полупроводниковых приборов на основе кремния весьма невысока.

При добавлении в расплав кремния ничтожно малого количества мышьяка (As) мы получаем полупроводник “n” типа, а легируя кремний редкоземельным элементом индием (In), мы получаем полупроводник “p” типа. Присадок для легирования полупроводниковых материалов достаточно много. Например, внедрение атомов золота в структуру полупроводника увеличивает быстродействие диодов, транзисторов и интегральных схем, а добавление небольшого числа различных примесей в кристалл арсенида галлия определяет цвет свечения светодиода.

Типы диодов и область их применения.

Семейство полупроводниковых диодов очень большое. Внешне они очень похожи за исключением некоторых групп, которые отличаются конструктивно и по ряду параметров. Наиболее распространены следующие модификации полупроводниковых диодов:

  • Выпрямительные диоды. Предназначены для выпрямления переменного тока.

  • Стабилитроны. Обеспечивают стабилизацию выходного напряжения.

  • Диоды Шоттки. Предназначены для работы в импульсных преобразователях и стабилизаторах напряжения. Например, в блоках питания персональных компьютеров.

  • Импульсные диоды отличаются очень высоким быстродействием и малым временем восстановления. Они применяются в импульсных блоках питания и в другой импульсной технике. К этой группе можно отнести и туннельные диоды.

  • СВЧ диоды имеют определённые конструктивные особенности и работают в устройствах на высоких и сверхвысоких частотах.

  • Диоды Ганна. Они предназначены для генерирования частот до десятков гигагерц.

  • Лавинно-пролётные диоды генерируют частоты до 180 ГГц.

  • Фотодиоды имеют миниатюрную линзу и управляются световым излучением. В зависимости от типа могут работать как в инфракрасном, так и в ультрафиолетовом диапазоне спектра.

  • Светодиоды. Излучают видимый свет практически любой длины волны. Спектр применения очень широк. Рассматриваются как альтернатива электрическим лампам накаливания и других осветительных приборов.

  • Твёрдотельный лазер так же представляет собой полупроводниковый диод. Спектр применения очень широк. От приборов военного назначения до обычных лазерных указок, которые легко купить в магазине. Его можно обнаружить в лазерных считывателях CD/DVD-плееров, а также лазерных уровнях (нивелирах), используемых в строительстве. Чтобы не говорили сторонники лазерной техники, как ни крути, лазер опасен для зрения. Так что, будьте внимательны при обращении с ним.

Также стоит отметить, что у каждого типа диодов есть и подгруппы. Так, например, среди выпрямительных есть и ультрабыстрые диоды. Могут называться как Ultra-Fast Rectifier, HyperFast Rectifier и т.п. Пример – ультрабыстрый диод с малым падением напряжения STTH6003TV/CW (аналог VS-60CPH03). Это узкоспециализированный диод, который применяется, например, в сварочных аппаратах инверторного типа. Диоды Шоттки являются быстродействующими, но не способны выдерживать больших обратных напряжений, поэтому вместо них применяются ультрабыстрые выпрямительные диоды, которые способны выдерживать большие обратные напряжения и огромные прямые токи. При этом их быстродействие сравнимо с быстродействием диодов Шоттки.

Параметры полупроводниковых диодов.

Параметров у полупроводниковых диодов достаточно много и они определяются функцией, которую те выполняют в конкретном устройстве. Например, в диодах, генерирующих СВЧ колебания, очень важным параметром является рабочая частота, а также та граничная частота, на которой происходит срыв генерации. А вот для выпрямительных диодов этот параметр совершенно не важен.

В импульсных и переключающих диодах важна скорость переключения и время восстановления, то есть скорость полного открытия и полного закрытия. В мощных силовых диодах важна рассеиваемая мощность. Для этого их монтируют на специальные радиаторы. А вот диоды, работающие в слаботочных устройствах, ни в каких радиаторах не нуждаются.

Но есть параметры, которые считаются важными для всех типов диодов, перечислим их:

  • U пр. – допустимое напряжение на диоде при протекании через него тока в прямом направлении. Превышать это напряжение не стоит, так как это приведёт к его порче.

  • U обр. – допустимое напряжение на диоде в закрытом состоянии. Его ещё называют напряжением пробоя. В закрытом состоянии, когда через p-n переход не протекает ток, на выводах образуется обратное напряжение. Если оно превысит допустимое значение, то это приведёт к физическому «пробою» p-n перехода. В результате диод превратиться в обычный проводник (сгорит).

    Очень чувствительны к превышению обратного напряжения диоды Шоттки, которые очень часто выходят из строя по этой причине. Обычные диоды, например, выпрямительные кремниевые более устойчивы к превышению обратного напряжения. При незначительном его превышении они переходят в режим обратимого пробоя. Если кристалл диода не успевает перегреться из-за чрезмерного выделения тепла, то изделие может работать ещё долгое время.

  • I пр. – прямой ток диода. Это очень важный параметр, который стоит учитывать при замене диодов аналогами или при конструировании самодельных устройств. Величина прямого тока для разных модификаций может достигать величин десятков и сотен ампер. Особо мощные диоды устанавливают на радиатор для отвода тепла, который образуется из-за теплового действия тока. P-N переход в прямом включении также обладает небольшим сопротивлением. На небольших рабочих токах его действие не заметно, но вот при токах в единицы-десятки ампер кристалл диода ощутимо нагревается. Так, например, выпрямительный диодный мост в сварочном инверторном аппарате обязательно устанавливают на радиатор.

  • I обр. – обратный ток диода. Обратный ток – это так называемый ток неосновных носителей. Он образуется, когда диод закрыт. Величина обратного тока очень мала и его в подавляющем числе случаев не учитывают.

  • U стаб. – напряжение стабилизации (для стабилитронов). Подробнее об этом параметре читайте в статье про стабилитрон.

Кроме того следует иметь в виду, что все эти параметры в технической литературе печатаются и со значком “max”. Здесь указывается предельно допустимое значение данного параметра. Поэтому подбирая тип диода для вашей конструкции необходимо рассчитывать именно на максимально допустимые величины.

Главная &raquo Радиоэлектроника для начинающих &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

 

Диод: виды и устройство, параметры и характеристики.

Диод — это полупроводниковый прибор, пропускающий ток в одном направлении.

Работа диода основана на свойстве p-n перехода полупроводника проводить ток в одном направлении.

При подаче «плюса» на р-область — это включение в прямом направлении и сопротивление перехода мало.
При «минусе» на р-области переход включен в обратном направлении и он закрыт. Сопротивление перехода большое и ток через него очень мал.

Одностороннюю проводимость диодов еще называют вентильным свойством. Если на диод подать переменный ток, то он пропустит только положительный полупериод и на выходе будет ток в виде положительных импульсов.

Точечные диоды

Точечные диоды обычно состоят из стеклянного корпуса, в котором находится тонкое острие (анод), спаянное с германиевым или кремниевым кристаллом с n-проводимостью (катод).

Ток может проходить только от анода к катоду через p-n переход. Размер перехода примерно равен одной точке, откуда и произошло название диода — точечный.

Эти диоды, имея малую межэлектродную емкость (1-2 пФ) применяются в высокочастотных цепях, где небольшие напряжения (20-60 В) и токи (10-50мА).

Плоскостные диоды

Плоскостные диоды предназначены для выпрямления больших напряжений и токов. Основной частью диода является пластинка с n-проводимостью. В нее вплавлен индий, создающий область с р-проводимостью. На границе слоев образуется p-n переход. К индию припаян вывод анода, а к кристаллу — корпус диода для отвода тепла через радиатор при работе с большими токами. Корпус и будет являться катодом.

Диоды характеризуются следущими допустимыми параметрами:

— Максимально допустимый ток в прямом направлении. Это наибольший допустимый ток, протекающий через диод. При его превышении наступит пробой диода.

— Максимально допустимое постоянное обратное напряжение. Это наибольшее напряжение в обратном направлении. При его превышении диод выходит из строя.

Проверить диод можно омметром. В прямом направлении сопротивление должно быть в Омах, а в обратном — в килоОмах.

Вольтамперные характеристики диодов показывают зависимость величины тока от величины прямого и обратного напряжения подаваемого на диод.

Графики характеристик расположены на оси координат, где на горизонтальной оси абсцисс показано прямое и обратное постоянное напряжение, подаваемое на диод, а на вертикальной оси ординат — прямой и обратный ток.

На приведенном графике показаны для сравнения вольтамперные характеристики германиевого и кремниевого диодов.

Из графика видно, что германиевый диод начинает работать при меньшем прямом напряжении на выводах, чем кремниевый. Недостаток кремниевых диодов — это большое прямое сопротивление по сравнению с германиевыми. Но зато кремневые диоды допускают большие обратные напряжения (до 1500В) и работают при более высоких температурах (180-200 градусов).

По справочным данным, максимальное обратное напряжение у этих диодов (Д7Ж и Д226Б) одинаковое — 400 В, но на практике оно может быть и больше (см.график). Лучше не рисковать, и не превышать справочные параметры по напряжению и току.

Стабилитрон

Стабилитрон — это полупроводниковый диод, на котором напряжение сохраняется постоянным при протекании через него тока в заданных пределах.

Изготавливаются они из кремния и называются также опорными диодами. Включаются они в обратном направлении и работают в области обратных напряжений на пробойном участке (1-2). В этом режиме при увеличении напряжения ток резко увеличивается, а напряжение (Uст) остается практически постоянным.

Основные параметры стабилитрона:

— Напряжение стабилизации (Uст.) — значение напряжения стабилитрона при протекании тока стабилизации. Выпускаются стабилитроны низковольтные с напряжением от 2 до 12в, и высоковольтные до 300 вольт.

— Минимальный ток стабилизации (Iст. мин) — ток, с которого начинается процесс стабилизации напряжения.

— Максимальный ток стабилизации (Iст. макс) — ток, который нельзя превышать, чтобы не перегреть опорный диод.

Вверх

Топ-15 определений и параметров диодов, которые вы должны знать

Диод имеет разные параметры и определения, связанные с ним. В этом посте вы узнаете 14 основных определений и параметров диодов.

Производители полупроводников

предоставляют подробные спецификации своей продукции, включая диоды, в публикациях, известных как datasheets . Таблицы данных для широкого спектра полупроводниковых компонентов можно найти в справочниках и в Интернете. Я предпочитаю Интернет как источник технических характеристик компонентов, потому что все данные, полученные с веб-сайтов производителей, актуальны.

Типовой лист данных диода будет содержать цифры для следующих параметров:

Смещение диода

Приложение постоянного напряжения к диоду известно как диодное смещение

Диод Прямое падение напряжения

Напряжение, падающее на проводящий диод с прямым смещением, называется прямым напряжением

  • Кремниевые диоды имеют прямое напряжение приблизительно 0,7 В
  • Германиевые диоды имеют прямое напряжение приблизительно 0.3 В

Пиковое обратное напряжение

Максимальное напряжение обратного смещения, которое диод может выдержать без «поломки», называется номинальным значением пикового обратного напряжения или PIV .

Максимальное повторяющееся обратное напряжение

Максимальное повторяющееся обратное напряжение = В RRM , максимальное количество напряжения, которое диод может выдержать в режиме обратного смещения в повторяющихся импульсах. В идеале эта цифра была бы бесконечной.

Максимальное обратное напряжение постоянного тока

Максимальное обратное напряжение постоянного тока = В R или В постоянного тока , максимальное количество напряжения, которое диод может выдерживать в режиме обратного смещения на постоянной основе.В идеале эта цифра была бы бесконечной.

Максимальное прямое напряжение

Максимальное прямое напряжение = В F , обычно указывается при номинальном прямом токе диода. В идеале эта цифра должна быть равна нулю: диод не оказывает никакого сопротивления прямому току. В действительности прямое напряжение описывается «уравнением диода».

Максимальный (средний) прямой ток

Максимальный (средний) прямой ток = I F (AV) , максимальная средняя величина тока, которую диод может проводить в режиме прямого смещения.По сути, это тепловое ограничение: сколько тепла может выдержать PN-переход, учитывая, что мощность рассеяния равна току (I), умноженному на напряжение (V или E), а прямое напряжение зависит как от тока, так и от температуры перехода. В идеале эта цифра была бы бесконечной.

Максимальный (пиковый или импульсный) прямой ток

Максимальный (пиковый или импульсный) прямой ток = I FSM или i f (импульсный) , максимальная пиковая величина тока, которую диод может проводить в режиме прямого смещения.Опять же, этот рейтинг ограничен теплоемкостью диодного перехода и обычно намного выше, чем средний номинальный ток из-за тепловой инерции (тот факт, что диоду требуется конечное количество времени, чтобы достичь максимальной температуры для данного тока). . В идеале эта цифра была бы бесконечной.

Максимальное полное рассеивание

Максимальное полное рассеивание = P D , количество мощности (в ваттах), допустимое для рассеивания диода с учетом рассеяния (P = IE) тока диода, умноженного на падение напряжения на диоде, а также рассеяния (P = I 2 R) квадрата тока диода, умноженного на объемное сопротивление.В основном ограничивается теплоемкостью диода (способностью выдерживать высокие температуры).

Рабочая температура перехода

Рабочая температура перехода = T Дж , максимально допустимая температура PN перехода диода, обычно выражаемая в градусах Цельсия ( o C). Тепло — это «ахиллесова пята» полупроводниковых устройств: они должны храниться в прохладном состоянии, чтобы они работали должным образом и обеспечивали долгий срок службы.

Диапазон температур хранения

Диапазон температур хранения = T STG , диапазон допустимых температур хранения диода (без питания).Иногда указывается вместе с рабочей температурой перехода (T J ), потому что максимальная температура хранения и максимальная рабочая температура часто идентичны. Во всяком случае, максимальная номинальная температура хранения будет больше, чем максимальная номинальная рабочая температура.

Термическое сопротивление

Тепловое сопротивление = R (), разница температур между переходом и наружным воздухом (R (Θ) JA ) или между переходом и выводами (R (Θ) JL ) для заданной рассеиваемой мощности.Выражается в градусах Цельсия на ватт ( o C / Вт). В идеале эта цифра должна быть равна нулю, что означает, что корпус диода является идеальным проводником тепла и радиатором, способным передавать всю тепловую энергию от перехода к наружному воздуху (или к выводам) без разницы в температуре по толщине диодный пакет. Высокое тепловое сопротивление означает, что диод будет нагреваться до чрезмерной температуры на переходе (где это критично), несмотря на все усилия по охлаждению внешней части диода, и, таким образом, будет ограничивать его максимальное рассеивание мощности.

Максимальный обратный ток

Максимальный обратный ток = I R , величина тока через диод в режиме обратного смещения с максимальным приложенным номинальным обратным напряжением (В DC ). Иногда обозначается как ток утечки . В идеале эта цифра должна быть равна нулю, поскольку идеальный диод блокировал бы весь ток при обратном смещении. На самом деле это очень мало по сравнению с максимальным прямым током.

Типичная емкость перехода

Типичная емкость перехода = C Дж , типичная величина емкости, свойственная переходу, из-за обедненной области, действующей как диэлектрик, разделяющий соединения анода и катода.Обычно это очень маленькая цифра, измеряемая в пикофарадах (пФ).

Время обратного восстановления

Время обратного восстановления = t rr , количество времени, которое требуется диоду, чтобы «выключиться», когда напряжение на нем меняет полярность с прямого смещения на обратное. В идеале эта цифра была бы равна нулю: диод прекращает проводимость сразу при смене полярности. Для типичного выпрямительного диода время обратного восстановления находится в диапазоне десятков микросекунд; для диода с «быстрым переключением» это может быть всего несколько наносекунд.

Большинство этих параметров зависят от температуры или других условий эксплуатации, поэтому одна цифра не может полностью описать любой заданный рейтинг. Поэтому производители предоставляют графики характеристик компонентов в зависимости от других переменных (например, температуры), чтобы разработчик схем лучше понимал, на что способно устройство.


Статья извлечена из Урока Тони Купхальда по электрическим схемам, том III, Полупроводники на условиях лицензии на научный дизайн.

Таблица параметров диодов SPICE

Таблица параметров диодов SPICE

Параметры модели диода SPICE

141.0141 9014 CJO 9014 смещение нуля 9014 0 9014 9014 9014 .5 0 9014 temp 14 9014 9014 9014 9014 9014 901 9014 9014 9014 9014 9014 901 9014 9014 показатель фликкер-шума
название параметр единицы по умолчанию пример область
1 IS ток насыщения A *
2 RS омическое сопротивление Ом 0 10 *
3 4 9014 9014 9014 9014 9014 9014 9014 9014 9014 9014 9014 9014 9014 9014 9014 9014

4 TT время прохождения сек 0 0,1 нс
5 2pF *
6 VJ потенциал перехода V 1 0,6
0,5
8 EG энергия запрещенной зоны эВ 1,11 1,11 Si
3,0 3,0 pn
2,0 ​​Шоттки

10 KF Коэффициент фликкер-шума 0 1
12 FC коэффициент для прямого смещения
формула обедненной емкости
0.5
13 BV обратное напряжение пробоя В бесконечное 40.0
41 9014 9014 9014 9014 9014 9014 9014 9014 9014 9014 9014 9014 9014 9014 9014 9014 9014 1.0e-3
15 TNOM температура измерения параметра градус C 27 50

Характеристики диода по постоянному току определяются параметрами IS, N и омическим сопротивлением RS.Эффекты накопления заряда моделируются временем прохождения TT ​​и нелинейной емкостью обедненного слоя, которая определяется параметрами CJO, VJ и M. Температурная зависимость тока насыщения определяется параметрами EG, энергией запрещенной зоны и XTI, показатель текущей температуры насыщения. Номинальная температура, при которой были измерены эти параметры, — TNOM, которая по умолчанию равна значению для всей цепи, указанному в строке управления .OPTIONS. Обратный пробой моделируется экспоненциальным увеличением обратного тока диода и определяется параметрами BV и IBV (оба являются положительными числами).


Вернуться к:

Руководство по выбору диодов

: типы, характеристики, применение

Полупроводниковый диод — это нелинейное устройство, наиболее выдающейся особенностью которого является то, что ток, по сути, может течь только в одном направлении. Диод состоит из двух полупроводниковых материалов: материала N-типа (богатого отрицательными носителями или свободными электронами) и материала P-типа (богатого положительными носителями или дырками). Площадь контакта называется стыком.По этой причине диод обычно называют PN переходом .


Когда приложенное напряжение заставляет диод проводить электроны от анода к катоду, он работает в состоянии прямого смещения . Когда приложенный потенциал не допускает резкого увеличения тока и наблюдается только минимальное, практически нулевое значение тока на переходе, говорят, что диод находится в состоянии обратного смещения . При прямом смещении диод ведет себя так же, как замкнутый переключатель, а при обратном смещении диод ведет себя как разомкнутый переключатель.

Для обозначения диода используется следующий схематический символ:

Кредит изображения: GotToKnow.com

Анод представляет собой материал P-типа, а катод — материал N-типа перехода.

Работа диода

Работой диода управляет вольт-амперная характеристика диода.Диод в цепи с положительным (самым высоким) потенциалом, подключенным к материалу P, и отрицательным потенциалом, подключенным к материалу N, смещен в прямом направлении. Диод, самый высокий потенциал которого подключен к материалу N, а самый низкий потенциал — к материалу P, смещен в обратном направлении.

На следующем рисунке показано прямое и обратное смещение диода, подключенного к цепи.

Кредит изображения: Electrapk

Характеристики диода

Типичные ВАХ диода показаны на следующем рисунке.Есть две рабочие области, которые четко обозначены: область прямого смещения и область обратного смещения. Две шкалы используются вдоль каждой оси, чтобы отобразить различный отклик диода как в положительном, так и в отрицательном направлениях. Прямой смещенный ток на этой конкретной ВАХ выражается в миллиамперах (мА), тогда как в области обратного смещения ток выражается в микроамперах (мкА). Основные характеристики этих двух рабочих условий объясняются ниже.

Изображение предоставлено: Nikhil.М.Р.

Область прямого смещения

В области прямого смещения существуют две важные области, которые следует различать в зависимости от величины тока, наблюдаемого через диод. Первая область — это низкие уровни напряжения на диоде (V D ) и связанный с этим ток очень мал. Вторая область — это когда напряжение на диоде (V D ) превышает пороговое напряжение (V th ), и ток резко увеличивается.

Напряжение диода <В th — Для любого напряжения диода (V D ) от нуля до (V th ) ток очень мал. В общем, в качестве приближения мы можем считать этот ток равным нулю. Это означает, что в этом диапазоне диод ведет себя как разомкнутый переключатель или как устройство с очень высоким сопротивлением.

Напряжение диода ≥ В th — При любом напряжении диода (V D ) больше, чем (V th ), ток резко возрастает.В общем, в качестве приближения мы можем считать сопротивление равным нулю. Это означает, что в этом диапазоне диод ведет себя как замкнутый переключатель.

Реакция на приложенное напряжение в области прямого смещения контролируется пороговым напряжением диода, которое зависит от типа материала, из которого изготовлен диод. Кремниевый диод имеет приблизительное значение V th = 0,7 В, а германиевый диод имеет приблизительное значение V th = 0.3 В.


Область обратного смещения

В области обратного смещения также существуют две важные области, которые можно различить в зависимости от величины тока, наблюдаемого через диод. Ток через диод очень мал, практически равен нулю, когда напряжение на диоде находится между нулем и напряжением пробоя (V BD ). За пределами напряжения пробоя (V BD ) наблюдается резкое увеличение тока, которое отмечает вторую область интереса в области обратного смещения.

Напряжение диода <В BD — В этой области ток очень мал. Мы называем этот ток током утечки. В практических приложениях вы можете считать его равным нулю. Таким образом, в этой области диод ведет себя как разомкнутый переключатель или как устройство с очень большим сопротивлением.

Напряжение на диоде ≥V BD — В области пробоя ток очень быстро увеличивается в зависимости от напряжения на диоде.Диод ведет себя как замкнутый переключатель или как устройство с очень маленьким сопротивлением. Обратите внимание, что напряжение на диоде в этом случае очень близко к V BD для практических приложений, для любого напряжения источника.

Напряжение пробоя не является постоянным значением, как пороговое напряжение прямого смещения. V BD отличается для каждого диода. Это значение является параметром спецификации, предоставленным производителем.

В следующей таблице приведены рабочие условия диодов.Последний столбец таблицы показывает поведение идеального диода. Когда идеальный диод смещен в прямом направлении, он будет вести себя как замкнутый переключатель с сопротивлением, равным нулю (0 Вт). В обратном смещении идеальный диод аналогичен разомкнутому ключу с током, равным нулю, и бесконечным (∞ Ω) сопротивлением.

Напряжение диода (В D )

Текущий

Сопротивление

Идеальное поведение

Прямое смещение

≈ 0

очень большой

выключатель разомкнутый

(V D th )

(≈ ∞)

Прямое смещение

большой

очень маленький

выключатель замкнутый

(V D ≥ V th )
Обратное смещение

≈ 0

очень большой

выключатель разомкнутый

(V D BD )

(≈ ∞)

Обратное смещение

большой

очень маленький

выключатель замкнутый

(V D ≥ V BD )

Идентификация диода

Схематический символ, используемый для диода, обычно представляет собой стрелку с короткой линией на конце.Катод выполнен из материала N-типа и обозначен острием стрелки. Анод выполнен из материала P-типа и обозначен основанием стрелки.

Производители могут использовать различные методы для обозначения анода и катода диода. В наиболее распространенном методе катод (материал N-типа) идентифицируется цветной полосой. Таким образом, конец диода, ближайший к этой полосе, является катодом. Другой конец — анод (материал P-типа).

Изображение предоставлено: Integrated Publishing

Характеристики диода

Важные характеристики диодов зависят от типа диода и области его применения.Ниже мы перечислим наиболее важные характеристики для всех типов диодов.

  • Прямое напряжение (В F ) — это напряжение на выводах диода, приводящее к резкому увеличению тока в прямом направлении.

  • Прямой ток (I F ) — это ток при приложении прямого напряжения; он течет через диод в направлении меньшего сопротивления.

  • Обратный ток (I R ) или ток утечки — это значение тока при приложении обратного напряжения. Это ток, который протекает при приложении обратного смещения к полупроводниковому переходу.

  • Обратное напряжение (В R ) — это максимально допустимое обратное напряжение, которое можно применять повторно.

  • Напряжение пробоя (В BR ) — это обратное напряжение, при котором небольшое увеличение напряжения приводит к резкому возрастанию обратного тока.

  • Рассеиваемая мощность (P D ) — это максимально допустимая рассеиваемая мощность на выходе (в Вт) диода при указанной температуре окружающей среды. Рассеиваемая мощность — это мощность, рассеиваемая диодом во включенном состоянии.

  • Рабочая температура перехода (T j ) — это диапазон температур, при котором диод предназначен для работы.

Типы диодов

Термин «диод» можно использовать для описания типичного PN-диода, также известного как диод общего назначения, или его можно использовать как более широкий термин для описания одного из многих других типов диодов.Определенный тип диода может использоваться для конкретного приложения или демонстрировать определенное поведение или характеристику. Следующие ниже описания и иллюстрации охватывают краткий список диодов общего и специального назначения.

Диоды общего назначения — это электронные компоненты с двумя выводами, которые позволяют току течь только в одном направлении, от анода (+) к катоду. Эти простые полупроводники представляют собой PN-переходы с положительной или P-областью с положительными ионами и отрицательной или N-областью с отрицательными электронами.Приложение прямого напряжения к PN-переходу заставляет ток течь только в одном направлении, поскольку электроны из N-области заполняют «дыры» в P-области. Обратное напряжение диода является потенциальным барьером, препятствующим протеканию тока в обратном направлении, аналогично номинальному давлению на обратном клапане.

Изображение предоставлено: AMB Laboratories

Светоизлучающие диоды (СИД) — это устройства с PN переходом, которые испускают световое излучение посредством электролюминесценции при прямом смещении.Они используются в качестве различных индикаторов в авиационном, автомобильном и транспортном освещении, а также в качестве освещения некоторых ламп и фонарей. Большинство светодиодов работают в ближнем инфракрасном и видимом диапазонах, хотя теперь есть и УФ-светодиоды.

Кредит изображения: MRISAR

Фотодиоды представляют собой двухэлектродный, чувствительный к излучению переход, сформированный в полупроводниковом материале, в котором обратный ток изменяется в зависимости от освещения.Фотодиоды используются для определения оптической мощности и для преобразования оптической мощности в электрическую. Фотодиоды могут быть PN, PIN или лавинными. PN-фотодиоды имеют двухэлектродный, чувствительный к излучению PN-переход, сформированный в полупроводниковом материале, в котором обратный ток изменяется в зависимости от освещения. PIN-фотодиоды — это диоды с большой внутренней областью, зажатой между полупроводниковыми областями, легированными P и N. Фотоны, поглощенные в этой области, создают пары электрон-дырка, которые затем разделяются электрическим полем, таким образом генерируя электрический ток в цепи нагрузки.Лавинные фотодиоды — это устройства, в которых используется лавинное умножение фототока с помощью дырочных электронов, создаваемых поглощенными фотонами. Когда напряжение обратного смещения устройства приближается к уровню пробоя, пары дырка-электрон сталкиваются с ионами, создавая дополнительные пары дырка-электрон, таким образом достигая усиления сигнала.

Кредит изображения: MCU Tutor

PIN-диоды представляют собой трехслойные полупроводниковые диоды, состоящие из внутреннего слоя, разделяющего сильно легированные слои P и N.Заряд, накопленный в собственном слое, вместе с другими параметрами диода определяет сопротивление диода на ВЧ и СВЧ частотах. Это сопротивление обычно составляет от кОм до менее 1 Ом для данного диода. PIN-диоды обычно используются в качестве переключателей или элементов аттенюатора.

Кредит изображения: Все о схемах

Выпрямители получают переменный ток (AC) со средним значением ноль вольт и подают постоянный ток (DC), сигнал одной полярности с чистым значением больше нуля вольт, процесс, также известный как выпрямление.Важнейшим компонентом выпрямителя является диод. Диод — это электронный компонент, который позволяет току течь только в одном направлении, от анода (+) к катоду (-). Один выпрямительный диод позволит распространяться только половине сигнала переменного тока, блокируя обратную полярность, пока она не превышает напряжение пробоя. Доступны несколько схем, которые позволяют выполнять однополупериодное и двухполупериодное выпрямление.

Изображение предоставлено: Marine Insight

Диоды Шоттки также известны как диоды с барьером Шоттки или диоды с горячей несущей.Они состоят из соединения между металлическим слоем и полупроводниковым элементом. Металлический слой, катод, сильно занят электронами зоны проводимости. Полупроводниковый элемент, анод, представляет собой слаболегированный полупроводник N-типа. При прямом смещении электроны с более высокой энергией в N-области инжектируются в металлическую область, позволяя переходу работать во включенном состоянии. Диоды Шоттки достигают высоких скоростей переключения, поскольку они очень быстро отдают свою избыточную энергию, когда они колеблются между состояниями ВКЛ и ВЫКЛ.

Кредит изображения: Electrical-Info.com

Туннельные диоды — это сильно легированные P-N диоды, в которых туннелирование электронов из зоны проводимости материала N-типа в валентную зону в области P-типа создает область отрицательного сопротивления. Эта область отрицательного сопротивления является наиболее важной областью эксплуатации. По мере увеличения напряжения ток уменьшается. Эта функция делает туннельные диоды особенно полезными в генераторах малой мощности и радиочастотных (RF) приложениях.

Кредит изображения: HyperPhysics

Варакторные диоды — это диоды с p-n переходом, которые предназначены для работы в качестве конденсатора с регулируемым напряжением при работе в режиме обратного смещения. Когда PN-переход смещается путем приложения напряжения к переходу, это приводит к отрицательному заряду на стороне P и положительному заряду на стороне N. Область между этими положительными и отрицательными зарядами, известная как область истощения, не содержит движущихся зарядов.

Собственная емкость является результатом смещения перехода: два противоположных заряда разделены изолятором. Фактически, все PN-переходы имеют соответствующую емкость (Cj), и когда на диод подается напряжение, область обеднения уменьшается (прямое смещение) или увеличивается (обратное смещение), изменяя значение емкости PN-перехода.

Варакторы изготавливаются таким образом, что емкость PN перехода имеет известное и управляемое отношение к приложенному напряжению на диоде.Эта управляемая напряжением емкость обычно создается исключительно с использованием только обратного смещения. На следующем рисунке показаны схема, символ и кривая, показывающая взаимосвязь между приложенным напряжением обратного смещения и емкостью.

Изображение предоставлено: Политех Лилль

Обратите внимание, что по мере увеличения напряжения обратного смещения (V R ) емкость уменьшается.Качество C T — это емкость устройства при отсутствии приложенного напряжения. Связь между напряжением обратного смещения и емкостью определяется следующей формулой:

Где:

C j = емкость перехода

C T = конечная емкость

В R = напряжение обратного смещения

Стабилитроны — это устройства с PN-переходом, которые предназначены для работы в области обратного пробоя.Напряжение пробоя (Vz) стабилитронов устанавливается путем тщательного контроля уровня легирования во время изготовления. Это явление пробоя называется напряжением Зенера или эффектом Зенера.

Кредит изображения: TDK Lambda UK

Тип диода

Характеристики

Заявка

Светоизлучающий диод (LED)

PN Соединительное устройство, излучающее световое излучение

Передатчик света / оптических сигналов

PN Соединительный диод

Проводить ток от анода (+) к катоду (-)

Общего назначения

Фотодиод

Оптоэлектронное устройство, в котором обратный ток меняется в зависимости от освещенности

Обнаружение / преобразование оптической мощности

PIN диод

Увеличенная область истощения; Более низкая емкость; Повышенное обратное напряжение пробоя

Выпрямитель высокого напряжения, РЧ-переключатель; Фотоприемник

Выпрямитель

проводит постоянный ток (DC), сигнал одинарной полярности с чистым значением выше нуля вольт

Исправление

Диод Шоттки

Низкое прямое напряжение; Нет времени обратного восстановления

Высокая частота; Высокоскоростное переключение

Туннельный диод

Область отрицательного сопротивления в области прямого смещения; Узкая область истощения

Низкое усиление мощности; Высокая частота; Высокоскоростное переключение

Варакторный диод

Емкость является функцией обратного напряжения смещения; Используется как конденсатор переменной емкости

VCO; RF фильтры

Стабилитрон

проводит ток, когда обратное смещение достигает VBR; Постоянное выходное напряжение; Резкое увеличение тока @ VBR

Источники питания; Регулирование напряжения

Этапы жизненного цикла продукта

Диоды

соответствуют этапам жизненного цикла продукта, которые определены Альянсом электронной промышленности (EIA) в EIA-724.EIA-724 признает шесть различных фаз жизненного цикла продукта: внедрение, рост, зрелость, насыщение, снижение и постепенный отказ.

Кредит изображения: UIUC

  • Введение — Планирование или проектирование продукта продолжается. Образцы могут существовать, а могут и не существовать. Могут произойти изменения в спецификациях и запланированные даты внедрения могут быть отложены. Заказы и отгрузка продукции не разрешены.

  • Рост — Производство быстро растет. Производственные мощности добавляются. Заказы и отгрузки разрешены.

  • Срок погашения — Рост продукта стабилизировался или достиг пика. Качество продукции очень высокое. Заказы и отгрузки разрешены. Продукт рекомендован к использованию в новых разработках.

  • Насыщение — Продажи и мощности достигли пика. Заказы и отгрузки разрешены.

  • Снижение — Производственные мощности начинают сокращаться.Заказы и отгрузки разрешены, но устройства не рекомендуются для новых разработок

  • Поэтапный отказ — Производственные мощности быстро сокращаются. Может быть выпущено официальное уведомление о прекращении производства. Возможны ограничения на отгрузку, но заказы по-прежнему разрешены. Устройства не рассматриваются в новых разработках.

Соответствие RoHS

Изображение предоставлено: Решения по промышленной безопасности


Ограничение содержания опасных веществ (RoHS) — это директива Европейского Союза (ЕС), которая требует от всех производителей электронного и электрического оборудования, продаваемого в Европе, продемонстрировать, что их продукция содержит только минимальные уровни следующих опасных веществ: свинец, ртуть, кадмий, шестивалентный хром, полибромированный дифенил и полибромированный дифениловый эфир.RoHS вступил в силу 1 июля 2006 г.

Ресурсы

Диоды и выпрямители

Теория полупроводниковых диодов

Типы диодов


Diode_Model (Модель диода с PN-переходом)

Diode_Model (Модель диода с PN-переходом)

Условное обозначение
Параметры

Параметры модели должны быть указаны в единицах СИ.

Таблица 1-1. Параметры Diode_Model
Уровень

Селектор уровня модели (1 = стандарт, 3 = геометрия)

1

,

ток насыщения (с N определяет характеристики диода по постоянному току)

А

10 -14

рупий

омическое сопротивление

ом

0.0

N

коэффициент излучения (Is, определяет характеристики диода по постоянному току)

1.0

Тт

время пробега

сек

0.0

Cjo ,

емкость перехода при нулевом смещении

F

0,0

VJ

потенциал перехода

V

1.0

M

оценочный коэффициент

0,5

Fc

коэффициент обедненной емкости прямого смещения

0.5

Imax

ток взрыва, за пределами которого ток диодного перехода линеаризуется

А

1.0

ISR ,

параметр тока рекомбинации

А

0.0

коэффициент выбросов для Isr

2.0

ИКФ

высокий впрыскиваемый ток колена

А

бесконечность

Икр

Обратный высокий инжекционный ток колена

А

0

IkModel

Модель для Ikf / Ikr: 1 = ADS / Libra / Pspice, 2 = Hspice

1

Xti

показатель температуры тока насыщения (с помощью Eg помогает определить зависимость Is от температуры)

3.0 ян

2,0 сбн

Bv

обратное напряжение пробоя

V

бесконечность

Ibv

ток при обратном напряжении пробоя

А

0.001

Nbv

коэффициент идеальности обратной разрушения

1.0

Ибвл

низкоуровневый обратный пробойный ток колена

А

0.0

Nbvl

низкоуровневый коэффициент идеальности обратной разбивки

1.0

Kf

коэффициент фликкер-шума

0.0

Af

показатель фликкер-шума

1.0

Ffe

показатель частоты фликкер-шума

1.0

Jsw *

ток насыщения боковой стенки

А

0,0

Cjsw *

емкость нулевого смещения боковой стенки

F

0.9

Msw

коэффициент решетки боковины

0,33

VJSW

потенциал соединения боковых стенок

V

Vj

Fcsw

коэффициент обедненной емкости при прямом смещении боковой стенки

0.0

Площадь

Область по умолчанию для диода

0

Периф

Периферия по умолчанию для диода

0

Ширина

Ширина диода по умолчанию

м

0

Длина

Длина по умолчанию для диода

м

0

Dwl

Сложение геометрической ширины и длины

м

0

Усадочная

Коэффициент усадки геометрии

1.0

Тном

Тлев

Селектор температурного уравнения (0/1/2)

0

Tlevc

Селектор температурного уравнения для емкости (0/1/2/3)

0

Xti

показатель температуры тока насыщения (с помощью Eg помогает определить зависимость Is от температуры)

3.0 ян

2,0 сбн

Например

энергетическая щель (с Xti помогает определить зависимость Is от температуры)

эВ

1.11

0,69 Сб

0.67 Гэ

1,43 GaAs

EgAlpha

Температурный коэффициент запрещенной зоны альфа

эВ / o C

7.02e-4

EgBeta

Температурный коэффициент запрещенной зоны бета

K

1108

Tcjo

Линейный температурный коэффициент Чжо

1/ o С

0

Tcjsw

Cjsw линейный температурный коэффициент

1 o С

0

Ttt1

Tt линейный температурный коэффициент

1/ o С

0

Ttt2

Квадратичный температурный коэффициент Tt

1 / ( o С) 2

0

Тм1

Mj линейный температурный коэффициент

1/ o С

0

Тм2

Квадратичный температурный коэффициент Mj

1 / ( o С) 2

0

Телевизор

Vj линейный температурный коэффициент

1/ o С

0

Tvjsw

Vjsw линейный температурный коэффициент

1/ o С

0

Trs

Rs линейный температурный коэффициент

1/ o С

0

TBV

Bv линейный температурный коэффициент

1/ o С

0

wBv

обратное напряжение пробоя (предупреждение)

W

0.0

wPmax

максимальная рассеиваемая мощность (предупреждение)

W

0,0

AllParams

имя DataAccessComponent для файловых значений параметров

Значение параметра масштабируется по площади, указанной с помощью диодного устройства.
Значение зависит от температуры в зависимости от модели Tном и устройства Темп.
Sbd = диод с барьером Шоттки.
jn = диод с PN переходом.
Значение 0,0 интерпретируется как бесконечность.
* Значение параметра масштабируется с помощью Periph, указанного в диодном устройстве /

Примечания / уравнения / ссылки
  1. Эта модель предоставляет значения для диодного устройства.
  2. Используйте AllParams с DataAccessComponent, чтобы указать параметры на основе файлов (см. DataAccessComponent). Обратите внимание, что явно указанные параметры модели имеют приоритет над параметрами, указанными через AllParams.
  3. Влияние температуры
Параметры Eg, Is, Isr, Cjo и Vj зависят от температуры.

Примечание Выражения для температурной зависимости ширины запрещенной зоны и собственной концентрации носителей заряда относятся только к кремнию.Истощающие емкости для некремниевых диодов могут не масштабироваться должным образом с температурой, даже если значения Eg и Xti изменяются, как указано в таблице параметров 1-1.
Для получения дополнительной информации о Diode_Model, его параметрах и уравнениях см. [1].
Параметры Eg, Is, Isr, Cjo, Vj, Jsw, Cjsw и Vjsw зависят от температуры.
  1. Температурная шкала
Модель указывает Tном, номинальную температуру, при которой параметры модели были рассчитаны или извлечены.Чтобы смоделировать устройство при температурах, отличных от Tном, некоторые параметры модели должны быть масштабированы с температурой. Температура, при которой моделируется устройство, определяется параметром Temp в элементе устройства. (Температуры в следующих уравнениях даны в Кельвинах.)
Токи насыщения Is, Isr и Jsw масштабируются следующим образом:



Емкости истощения перехода Cjo и Cjsw различаются следующим образом:

где — функция потенциала перехода и изменения запрещенной зоны в зависимости от температуры.
Потенциал перехода VJ и Vjsw различаются следующим образом:

, где n i — собственная концентрация носителей для кремния, рассчитанная при соответствующей температуре.
Модель шума
Тепловой шум, создаваемый резистором Rs, характеризуется следующей спектральной плотностью:

Дробовой шум и фликкер-шум (Kf, Af, Ffe), создаваемый протеканием постоянного тока через диод, характеризуется следующей спектральной плотностью:

В предыдущих выражениях k — постоянная Больцмана, T — рабочая температура в Кельвинах, q — заряд электрона, kf , af и ffe — параметры модели, f — частота моделирования, а f — ширина полосы шума.
  1. Параметры модели боковой стенки моделируют второй идеальный диод, который масштабируется с параметром экземпляра Periph, параллельно с основным диодом, который масштабируется с параметром экземпляра Area. Последовательное сопротивление Rs масштабируется только с площадью, а не с периферией.
  2. Для моделирования стабилитрона можно использовать параметры модели Bv и Ibv. Bv следует установить на напряжение обратного пробоя стабилитрона как положительное число. Ibv устанавливается равным току пробоя, который протекает при этом напряжении как положительное число; обычно это находится в диапазоне от 1 до 10 мА.Также следует установить последовательное сопротивление Rs; типичное значение — 1 Ом.
Использованная литература:
[1] Антогнетти и Г. Массобрио. Моделирование полупроводниковых устройств с помощью SPICE , Нью-Йорк: McGraw-Hill, Second Edition 1993.
Эквивалентная схема
Стабилитрон

— параметры, принцип работы, применение и преимущества

Стабилитрон

— это особый тип кремниевого полупроводникового прибора, который работает в области пробоя стабилитрона.В этом посте будет подробно рассказано о том, что такое стабилитрон, его параметры, как он работает, а также его применение в качестве регулятора напряжения, ограничителя и переключателя напряжения.

Что такое стабилитрон

В общем, диоды — это полупроводниковые устройства, которые позволяют протекать току при прямом смещении и предлагают сопротивление при обратном смещении. Стабилитрон — это особый тип диода, в котором может протекать критическое обратное напряжение и больший обратный ток.

Он начинает проводить в состоянии обратного смещения, когда приложенное напряжение выше напряжения пробоя, и это напряжение называется напряжением пробоя стабилитрона.Он назван в честь Кларенса Зенера, американского физика, который изобрел его в 1905 году.

Рис. 1 — Введение в стабилитрон

Он содержит сильно легированный P-N переход и, следовательно, имеет тонкую обедненную область. Он пропускает электроны из валентной зоны материала P-типа в зону проводимости материала N-типа. Другими словами, он пропускает больше электрического тока, чем другие диоды с P-N переходом. Он начинает проводить ток при обратном напряжении пробоя и продолжает работать в режиме обратного смещения.

Этот тип диодов выгоден тем, что падение напряжения в широком диапазоне напряжений остается постоянным. Кривая вольт-амперной (VI) характеристики стабилитрона и его символ показаны на рис. 2. Она показывает, что обратное сопротивление велико, а обратный ток утечки чрезвычайно мал, когда обратное напряжение ниже, чем обратное. напряжение пробоя. Но когда обратное напряжение превышает, обратный ток внезапно возрастает, что называется пробоем, а обратное сопротивление внезапно падает до небольшого значения.

Рис. 2 — Характеристики VI и символ

Параметры стабилитрона

Различные параметры влияют на характеристики VI. Это:

  • Максимальный ток стабилитрона
  • Минимальный ток стабилитрона
  • Номинальное напряжение
  • Рассеиваемая мощность

Другие параметры, которые влияют на его характеристики: прямой ток, прямое напряжение, тип упаковки и т. Д.

Максимальный ток стабилитрона

Он определяется как ток, который может пройти через стабилитрон при напряжении пробоя стабилитрона.

Минимальный ток стабилитрона

Это ток, который требуется для проведения стабилитрона в области пробоя.

Номинальное напряжение

Напряжение пробоя стабилитрона также называется номинальным рабочим напряжением. Это один из важных параметров при выборе стабилитрона.

Рассеиваемая мощность

Это максимальная мощность, которую может рассеять стабилитрон. Рассеиваемая мощность — важный параметр, который следует учитывать при выборе стабилитрона, поскольку чрезмерная номинальная мощность приводит к чрезмерному повышению температуры, что приводит к необратимому повреждению устройства.

Как работает стабилитрон

Устройство работает по принципу эффекта Зенера, что означает, что обратная проводимость возникает из-за электронного квантового туннелирования в коротком пространстве между высоколегированными областями P-N. В обычных диодах, когда приложенное напряжение превышает напряжение пробоя; это приводит к необратимому повреждению диода. Однако в стабилитроне напряжение пробоя не такое высокое и не приводит к необратимому повреждению устройства.

Рис.3 — Схематическое изображение принципа работы

В основном, значение регулирования напряжения ниже 6 вольт называется Пробой стабилитрона , и на этом этапе температурный коэффициент диода отрицательный, т.е. при повышении температуры слой обеднения уменьшается. . В этой узкой обедненной области энергия валентных электронов атома возрастает, и электрическое поле меньшей интенсивности может возбуждать валентные электроны из атомов, вызывая пробой Зенера.

Когда истощающий слой широкий с большей напряженностью электрического поля, повышение температуры; увеличивает энергию атомов решетки, препятствуя движению носителей, вызывая лавинный пробой. Лавинный пробой происходит только при увеличении обратного напряжения и, следовательно, температурный коэффициент положительный.

Применение стабилитрона

Его способность выдерживать высокие напряжения без повреждений создает несколько применений в современных электронных схемах.Три основных применения перечислены ниже:

  • Регулятор напряжения
  • Схема ограничения
  • Сдвигатель напряжения

Использование стабилитрона в качестве регулятора напряжения

Основное применение регулятора напряжения — обеспечить постоянное выходное напряжение независимо от изменения энергии, потребляемой током нагрузки или нестабильности напряжения питания.

Рисунок. 4 иллюстрирует свойство стабилитронов по напряжению.Резистор R1 подключен к стабилитрону последовательно. Диод подключен к обратному смещению для регулирования напряжения.

Рис. 4 — Схема регулятора напряжения

Резистор R1 рассчитывается по приведенной ниже формуле.

R1 = (В в — В z ) / I z

Где,

  • I z = ток стабилитрона
  • В z = стабилитрон / выходное напряжение
  • В in = Входное напряжение
  • R1 = Сопротивление

Исходя из формулы, легко убедиться, что значение выбранного резистора не приводит к протеканию тока выше, чем ток Зенера.

Использование стабилитрона в качестве ограничителя

Схема ограничения используется для предотвращения превышения выходным напряжением заданного напряжения без изменения входного сигнала или формы волны. Стабилитрон работает как обычный диод, когда приложенное напряжение меньше напряжения пробоя стабилитрона. Следовательно, он широко используется в схемах отсечения.

Рис. 5 — Схема ограничителя

Цепи ограничения могут быть разработаны для ограничения сигнала в положительной, отрицательной или обеих областях.Стабилитрон используется для ограничения выходного сигнала независимо от формы входного сигнала. Если устройство используется для ограничения положительного размаха цепи ограничения, то оно предотвращает превышение напряжением напряжения пробоя стабилитрона без изменения формы входного сигнала.

Во время отрицательного размаха цепи ограничения он действует как обычный кремниевый диод и ограничивает выходное напряжение. Чтобы ограничить выходной сигнал как в положительном, так и в отрицательном направлении; используется двойная стабилитронная схема ограничения.

Использование стабилитрона для переключения напряжения

Схема переключения напряжения, которая помогает преобразовывать сигнал из одной области напряжения в другую.Они обладают способностью поддерживать постоянное выходное напряжение независимо от входного напряжения, что делает их идеальным компонентом в качестве переключателя напряжения. Это устройство в схеме смещения напряжения минимизирует выходное напряжение на величину, равную напряжению пробоя стабилитрона. Пример схемы переключения напряжения показан ниже на рис. 6.

Рис. 6 — Схема переключения напряжения

Преимущества стабилитрона

Преимущества включают:

  • Они дешевле, чем другие типы диодов.
  • Поддерживает стабильное выходное напряжение независимо от входного напряжения.
  • Его можно использовать как обычный кремниевый диод при прямом смещении.
  • Они обладают очень высокой рассеиваемой мощностью.
  • У них очень высокие стандарты производительности.
  • Благодаря небольшому размеру они могут использоваться в небольших электронных устройствах.

Недостатки стабилитрона

Недостатки:

  • Эти диоды имеют низкий КПД при более высоких токах нагрузки.
  • У них относительно плохой коэффициент регулирования напряжения.
  • При использовании в качестве регулятора напряжения всегда есть небольшое изменение на выходе постоянного тока из-за сопротивления стабилитрона.
  Также читают:
Тиристор - рабочий, VI-характеристики, типы, применение, преимущества и недостатки
Гальванический элемент - конструкция, типы, принцип работы, применение, преимущества 
  Термистор - классификация, принцип работы, применение и преимущества 
 

Характеристики диода

ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИОДА

Полупроводниковые диоды обладают свойствами, позволяющими им выполнять множество различных функций. электронные функции.Для выполнения своей работы инженеры и техники должны иметь данные об этих различных типах диодов. Информация, представленная для этой цели, является называется ДИОДНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ. Эти характеристики предоставляются производителями либо в их руководствах или на листах спецификаций (технических паспортах). Из-за множества производителей и многочисленных типов диодов, нецелесообразно ставить перед вами лист спецификации и назовем его типовым. Помимо разницы между производителями, один производитель может даже предоставить листы спецификаций, которые различаются как по формату, так и по содержание.Несмотря на эти различия, определенная информация о характеристиках и конструкции обычно требуется. Мы обсудим эту информацию в следующих нескольких абзацах.

Стандартный лист технических характеристик обычно содержит краткое описание диода. Включено в этом описании указывается тип диода, основная область применения и любые специальные Особенности. Особый интерес представляет конкретное применение, в котором используется диод. подходит. Производитель также предоставляет чертеж диода с указанием размеров, вес и, при необходимости, любые опознавательные знаки.Помимо приведенных выше данных, Также предоставляется следующая информация: статический операционный стол (дающий точечные значения параметров при фиксированных условиях), иногда характеристическая кривая, аналогичная той, что в рисунок 1-20 (показывает, как параметры меняются во всем рабочем диапазоне) и номиналы диодов (которые являются предельными значениями условий эксплуатации, за пределами которых может произойти повреждать).

Производители указывают эти различные рабочие параметры и характеристики диодов с «буквенные обозначения» в соответствии с фиксированными определениями.Ниже приводится список, буквенным обозначением основных электрических характеристик выпрямителя и сигнала диоды.

ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ

БЛОКИРУЮЩЕЕ НАПРЯЖЕНИЕ ПОСТОЯННОГО ТОКА [В R ] — максимальное обратное постоянное напряжение, которое не будет вызвать поломку.

AVERAGE FORWARD VOLTAGE DROP [V F (AV) ] — среднее прямое падение напряжения через выпрямитель при заданном прямом токе и температуре.

СРЕДНИЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЙ ПЕРЕДНИЙ ТОК [I F (AV) ] — средний выпрямленный вперед ток при указанной температуре, обычно при 60 Гц с резистивной нагрузкой.

AVERAGE REVERSE CURRENT [I R (AV) ] — средний обратный ток при заданная температура, обычно при 60 Гц.

PEAK SURGE CURRENT [I SURGE ] — пиковый ток, указанный для данного числа циклов или части цикла.

СИГНАЛЬНЫЕ ДИОДЫ

PEAK REVERSE VOLTAGE [PRV] — максимальное обратное напряжение, которое может быть приложено перед достигнув точки поломки. (PRV также относится к выпрямительному диоду.)

REVERSE CURRENT [I R ] — небольшое значение постоянного тока, протекающего при полупроводниковый диод имеет обратное смещение.

МАКСИМАЛЬНОЕ ПЕРЕПАД НАПРЯЖЕНИЯ В ПЕРЕДНЕМ НАПРЯЖЕНИИ ПРИ УКАЗАННОМ ПЕРЕДНЕМ ТОКЕ [V F @I F ] — максимальное прямое падение напряжения на диоде при указанном прямом токе.

REVERSE RECOVERY TIME [t rr ] — максимальное время, необходимое для прямого смещения диод для восстановления его обратного смещения.

Параметры диода (как указано ранее) являются предельными значениями рабочего условия, превышение которых может вызвать повреждение диода из-за пробоя напряжения или перегрев. Диоды с PN-переходом обычно рассчитаны на: МАКСИМАЛЬНОЕ СРЕДНЕЕ ВПЕРЕД. ТОК, ПИКОВЫЙ РЕАКТОР ПРЯМОЙ ТОК, МАКСИМАЛЬНЫЙ БРОСНЫЙ ТОК и ПИКОВОЕ ОБРАТНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ.

Максимальный средний прямой ток обычно дается при особой температуре, обычно 25C, (77F) и относится к максимальной допустимой величине среднего тока. течь в прямом направлении. Если этот рейтинг будет превышен, разбивка структуры может происходить.

Пиковый рекуррентный прямой ток — это максимальный пиковый ток, который может быть разрешен для поток в прямом направлении в виде повторяющихся импульсов.

Максимальный импульсный ток — это максимальный ток, разрешенный для протекания в прямом направлении. направление в виде неповторяющихся импульсов. Ток не должен равняться этому значению больше чем несколько миллисекунд.

Пиковое обратное напряжение (PRV) — один из наиболее важных параметров. PRV указывает максимальное напряжение обратного смещения, которое может быть приложено к диоду, не вызывая перехода авария.

Все вышеперечисленные характеристики могут изменяться в зависимости от температуры. Если для Например, рабочая температура выше указанной для номинальных значений, номинальные значения должны быть уменьшенным.

Q.31 Что используется, чтобы показать, как параметры диода изменяются во всем рабочем диапазоне?
В.32 Что подразумевается под номиналами диодов?

D. Диод

D. Диод

Обозначения символов: ДИОД, ЗЕНЕР, ШОТТКИ, ВАРАКТОР.

Синтаксис: Dnnn анодный катод <модель> [область]

+ [выкл.] [M = <значение>] [n = <значение>] [temp = <значение>]

Примеры:

ВЫХОД D1 MyIdealDiode

. Модель MyIdealDiode D (Ron = .1 Roff = 1Meg Vfwd = .4)

ВЫХОД ВЫХОДА D2 dio2

. Модель dio2 D (Is = 1e-10)

Параметр экземпляра M устанавливает количество параллельных устройств, а параметр экземпляра N устанавливает количество последовательных устройств.

Для определения характеристик диода требуется карта .model. Доступны два типа диодов. Одна из них — это линейная модель области проводимости, которая дает упрощенное в вычислительном отношении представление идеализированного диода. Он имеет три линейных области проводимости: включение, выключение и обратный пробой. Прямая проводимость и обратный пробой могут быть нелинейными, если задать предел тока с помощью Ilimit (revIlimit). tanh () используется для согласования крутизны прямой проводимости с предельным током.Параметры эпсилон и реепсилон могут быть заданы для плавного переключения между выключенным и проводящим состояниями. Квадратичная функция подбирается между выключенным и включенным состоянием, так что ВАХ диода имеет непрерывную величину и наклон, а переход происходит при напряжении, заданном значением эпсилон для прямой проводимости и реепсилон для перехода между выключенным и прямым током. обратная поломка.

Ниже приведены параметры модели для этого типа диода:

Имя

Описание

Шт.

По умолчанию

Рон

Сопротивление прямой проводимости

Вт

1.

Рофф

Сопротивление в выключенном состоянии

Вт

1./Gmin

Vfwd

Прямое пороговое напряжение для входа в проводимость

В

0.

Врев

Напряжение обратного пробоя

В

Infin.

Ррев

Пробивное сопротивление

Вт

Рон

Ilimit

Ограничение прямого тока

А

Infin.

Ревилимит

Ограничение обратного тока

А

Infin.

Эпсилон

Ширина квадратичной области

В

0.

Ревепсилон

Ширина обратной четверки. регион

В

0.

Эта идеализированная модель используется, если в модели указано любое из Ron, Roff, Vfwd, Vrev или Rrev.

Другая доступная модель — это стандартный полупроводниковый диод Berkeley SPICE, но расширенный, чтобы обрабатывать более детальные характеристики пробоя и рекомбинационный ток. Коэффициент площади определяет количество эквивалентных параллельных устройств указанной модели. Ниже приведены параметры модели диода для этого диода.

Имя

Описание

Шт.

По умолчанию

Пример

Is

ток насыщения

А

1e-14

1e-7

рупий

Омическое сопротивление

Вт

0.

10.

N

Коэффициент выбросов

1

1.

Тт

Время в пути

сек

0.

Чжо

Переходная крышка с нулевым смещением.

Ф

0

2 пол.

Вдж

Соединительный потенциал

В

1.

,6

м

Градуировочный коэффициент

0.5

0,5

Например,

Энергия активации

эВ

1,11

1,11 Si

0,69 Сб

0,67 Ge

Xti

Сб.-текущая темп. ехр

3,0

3.0 ян

2,0 Сб

Kf

Коэфф. Фликкер-шума.

0

Аф

Показатель фликкер-шума

1

1

Fc

Coeff.для формулы обедненной емкости прямого смещения

0,5

Б.В.

Напряжение обратного пробоя

В

Infin.

40.

Ibv

Ток при напряжении пробоя

А

1e-10

тном

Параметр измерения темп.

ºC

27

50

Иср

Параметр тока рекомбинации

А

0

Изр. Коэфф. Эмиссии.

2

ИКФ

Большой ток колена впрыска

А

Infin.

Тикф

Линейный коэффициент Ikf temp.

/ ºC

0

Trs1

линейный Rs темп. Коэфф.

/ ºC

0

Trs2

Квадратичный темп. Коэфф.

/ ºC / ºC

0

Для модели можно указать номинальные значения напряжения, тока и рассеиваемой мощности. Эти параметры модели не влияют на электрические характеристики. Они позволяют LTspice проверять, используется ли диод сверх его номинальной мощности. Следующие параметры применимы к любой модели. Эти параметры не масштабируются по площади.

Имя

Описание

Шт.

Впк

Пиковое напряжение

В

IPK

Максимальный ток

А

Iave

Средний текущий рейтинг

А

Irms

RMS текущий рейтинг

А

дисс

Максимальная мощность рассеивания

Вт

.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *