Вольт-амперная характеристика полупроводниковых диодов, типовые ВАХи
Диод – нелинейный пассивный элемент, простейший прибор на основе полупроводника с одним p-n переходом и двумя выводами. Является одним из основных компонентов электронных устройств. Не углубляясь в физику процессов, происходящих в полупроводниковых структурах, следует отметить основное его назначение – пропускать ток в одном направлении. Выводы диода называются анодом и катодом, на обозначении стрелка – это анод, она же указывает на направление тока.
Полупроводниковый диод
Свойства и вольт-амперная характеристика
Если к аноду приложить положительное напряжение, то диод становится открытым, при этом его можно рассматривать как проводник, работающий в «одну сторону», при смене полярности (отрицательном напряжении на аноде) диод закрыт. Надо отметить, что прохождение тока в прямом направлении вызывает некоторое уменьшение напряжения на катоде, вызванное особенностями проводимости полупроводников. Падение напряжения для разных типов приборов составляет 0,3-0,8 вольт, в большинстве случаев им можно пренебречь.
Поведение диода при разных значениях протекающего тока, величины и полярности приложенного напряжения, в виде графика представляется как вольт амперная характеристика полупроводникового диода.
Типовая ВАХ
Часть графика, находящаяся в правой верхней части, соответствует прямому направлению тока. Чем ближе эта ветвь к вертикальной оси, тем меньше падение напряжения на диоде, её наклон указывает на эту величину при разных токах. Для идеального диода она не имеет наклона и почти совпадает с осью ординат, но реальный полупроводник не может обладать такими характеристиками.
В левом нижнем квадранте отображается зависимость тока от напряжения обратной полярности – в закрытом состоянии. Обратный ток для приборов общего назначения исчезающе мал, его не принимают во внимание до момента пробоя – возрастания обратного напряжения до недопустимой для конкретного типа величины. Большинство диодов при таком напряжении не могут работать, температура значительно возрастает, и прибор окончательно выходит из строя. Напряжение, при котором существует вероятность пробоя, называют обратным пиковым, обычно оно в несколько раз превышает рабочее, в документации указывается допустимое время – в пределах микросекунд.
Для измерения параметров применяется элементарная схема с прямым и обратным включением диодов.
Проверка характеристик
В технических описаниях вольт амперная характеристика диода в графическом представлении, как правило, не приводится, а указываются наиболее значимые точки характеристики, например, для часто используемых выпрямительных диодов:
- Максимальный и пиковый выпрямленный ток;
- Среднеквадратичное и пиковое значение обратного напряжения;
- Наибольший обратный ток;
- Падение напряжения при различном прямом токе.
Кроме указанных параметров, не меньшее значение имеют и другие свойства: статическое сопротивление, для импульсных диодов – граничная частота, ёмкость p – n перехода. Приборы специального назначения также имеют специфические характеристики и другой вид ВАХ полупроводникового диода.
Отдельный тип диодов работает в области электрического пробоя, они применяются для стабилизации напряжения – это стабилитроны. От ВАХ диода характеристика стабилитрона отличается резким уходом вниз левой ветви графика и малым её отклонением от вертикали. Эта точка на оси абсцисс называется напряжением стабилизации. Стабилитрон включается только с резистором, ограничивающим ток через него.
Видео
Оцените статью:Вольт-амперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода
Что такое идеальный диод?
Основная задача обычного выпрямительного диода – проводить электрический ток в одном направлении, и не пропускать его в обратном. Следовательно, идеальный диод должен быть очень хорошим проводником с нулевым сопротивлением при прямом подключении напряжения (плюс — к аноду, минус — к катоду), и абсолютным изолятором с бесконечным сопротивлением при обратном.
Вот так это выглядит на графике:
Такая модель диода используется в случаях, когда важна только логическая функция прибора. Например, в цифровой электронике.
ВАХ реального полупроводникового диода
Однако на практике, в силу своей полупроводниковой структуры, настоящий диод обладает рядом недостатков и ограничений по сравнению с идеальным диодом. Это можно увидеть на графике, приведенном ниже.
V
ϒ(гамма) — напряжение порога проводимости
При прямом включении напряжение на диоде должно достигнуть определенного порогового значения — V
I
D_MAX — максимальный ток через диод при прямом включенииПри прямом включении полупроводниковый диод способен выдержать ограниченную силу тока ID_MAX. Когда ток через прибор превышает этот предел, диод перегревается. В результате разрушается кристаллическая структура полупроводника, и прибор становится непригодным. Величина данной силы тока сильно колеблется в зависимости от разных типов диодов и их производителей.
I
OP – обратный ток утечкиПри обратном включении диод не является абсолютным изолятором и имеет конечное сопротивление, хоть и очень высокое. Это служит причиной образования тока утечки или обратного тока IOP. Ток утечки у германиевых приборов достигает до 200 µА, у кремниевых до нескольких десятков nА. Самые последние высококачественные кремниевые диоды с предельно низким обратным током имеют этот показатель около 0.5 nA.
PIV(Peak Inverse Voltage) — Напряжение пробоя
При обратном включении диод способен выдерживать ограниченное напряжение – напряжение пробоя PIV. Если внешняя разность потенциалов превышает это значение, диод резко понижает свое сопротивление и превращается в проводник. Такой эффект нежелательный, так как диод должен быть хорошим проводником только при прямом включении. Величина напряжения пробоя колеблется в зависимости от разных типов диодов и их производителей.
Паразитическая емкость PN-перехода
Даже если на диод подать напряжение значительно выше Vϒ, он не начнет мгновенно проводить ток. Причиной этому является паразитическая емкость PN перехода, на наполнение которой требуется определенное время. Это сказывается на частотных характеристиках прибора.
Приближенные модели диодов
В большинстве случаев, для расчетов в электронных схемах, не используют точную модель диода со всеми его характеристиками. Нелинейность этой функции слишком усложняет задачу. Предпочитают использовать, так называемые, приближенные модели.
Приближенная модель диода «идеальный диод + V
ϒ»Самой простой и часто используемой является приближенная модель первого уровня. Она состоит из идеального диода и, добавленного к нему, напряжения порога проводимости Vϒ.
Приближенная модель диода «идеальный диод + V
ϒ + rD»Иногда используют чуть более сложную и точную приближенную модель второго уровня. В этом случае добавляют к модели первого уровня внутреннее сопротивление диода, преобразовав его функцию из экспоненты в линейную.
применение характеристики для поиска сложных неисправностей полупроводниковых элементов
Широкое применение в области электроники получили полупроводниковые элементы, одним из которых является диод. Они используются практически во всех устройствах, но чаще — в различных блоках питания и для обеспечения электробезопасности. Каждый из них имеет свое конкретное предназначение и технические характеристики. Для выявления различного рода неисправностей и получения технических сведений нужно знать ВАХ диода.
Общие сведения
Диод (Д) — полупроводниковый элемент, служащий для пропускания тока через p-n-переход только в одном направлении. При помощи Д можно выпрямлять переменное U, получая из него постоянное пульсирующее. Для сглаживания пульсаций применяют фильтры конденсаторного или индуктивного типа, а иногда их и комбинируют.
Д состоит только из p-n-перехода с выводами, которые называются анодом (+) и катодом (-). Ток, при прохождении через проводник, оказывает на него тепловое действие. При нагреве катод испускает отрицательно заряженные частицы — электроны (Э). Анод притягивает электроны, так как обладает положительным зарядом. В процессе образуется эмиссионное поле, при котором возникает ток (эмиссионный). Между (+) и (-) происходит генерация пространственного отрицательного заряда, мешающего свободному движению Э. Э, достигшие анода, образуют анодный ток, а не достигшие — катодный. Если анодный и катодный токи равны нулю, Д находится в закрытом состоянии.
Устройство полупроводника
Д состоит из корпуса, изготавливаемого из прочного диэлектрического материала. В корпусе находится вакуумное пространство с 2 электродами (анод и катод). Электроды, представляющие металл с активным слоем, обладают косвенным накалом. Активный слой при нагревании испускает электроны. Катод устроен таким образом, что внутри его находится проволока, которая накаливается и испускает электроны, а анод служит для их приема.
В некоторых источниках анод и катод называют кристаллом, который изготавливается из кремния (Si) или германия (Ge). Одна из его составных частей имеет искусственный недостаток электронов, а другая — избыток (рис. 1). Между этими кристаллами существует граница, которая называется p-n-переходом.
Рисунок 1 — Схематическое изображение полупроводника p-n-типа.
Сферы применения
Д широко применяется в качестве выпрямителя переменного U в построении блоков питания (БП), диодных мостов, а также в виде одиночного элемента конкретной схемы. Д способен защитить цепь от несоблюдения полярности подключения источника питания. В цепи может произойти пробой какой-либо полупроводниковой детали (например, транзистора) и повлечь за собой процесс выхода из строя цепочки радиоэлементов. При этом применяется цепочка из нескольких Д, подключенных в обратном направлении. На основе полупроводников создаются переключатели для коммутации высокочастотных сигналов.
Д применяются в угольной и металлургической промышленностях, особенно при создании искробезопасных цепей коммутации в виде диодных барьеров, ограничивающих U в необходимой электрической цепи. Диодные барьеры применяются вместе с ограничителями тока (резисторами) для уменьшения значений I и повышения степени защиты, а следовательно, электробезопасности и пожаробезопасности предприятия.
Вольт-амперная характеристика
ВАХ — это характеристика полупроводникового элемента, показывающая зависимость I, проходящего через p-n-переход, от величины и полярности U (рис. 1).
Рисунок 1 — Пример вольт-амперной характеристики полупроводникового диода.
ВАХ отличаются между собой и это зависит от типа полупроводникового прибора. Графиком ВАХ является кривая, по вертикали которой отмечены значения прямого I (вверху). Внизу отмечены значения I при обратном подключении. По горизонтали указаны показания U при прямом и обратном включении. Схема состоит из 2 частей:
- Верхняя и правая — Д функционирует в прямом подключении. Показывает пропускной I и линия идет вверх, что свидетельствует о росте прямого U (Uпр).
- Нижняя часть слева — Д находится в закрытом состоянии. Линия идет практически параллельно оси и свидетельствует о медленном нарастании Iобр (обратного тока).
Из графика можно сделать вывод: чем круче вертикальная часть графика (1 часть), тем ближе нижняя линия к горизонтальной оси. Это свидетельствует о высоких выпрямительных свойствах полупроводникового прибора. Необходимо учитывать, что ВАХ зависит от температуры окружающей среды, при понижении температуры происходит резкое понижение Iобр. Если температура повышается, то повышается и Iобр.
Построение графика
Построить ВАХ для конкретного типа полупроводникового прибора несложно. Для этого необходимы блок питания, мультиметр (вольтметр и амперметр) и диод (можно построить для любого полупроводникового прибора).
- Подключить БП к диоду.
- Произвести измерения U и I.
- Внести данные в таблицу.
- На основании табличных данных построить график зависимости I от U (рис. 2).
Рисунок 2 — Пример нелинейной ВАХ диода.
ВАХ будет различна для каждого полупроводника. Например, одним из самых распространенных полупроводников является диод Шоттки, названный немецким физиком В. Шоттки (рисунок 3).
Рисунок 3 — ВАХ Шоттки.
Исходя из графика, носящего асимметричный характер, видно, что для этого типа диода характерно малое падение U при прямом подключении. Присутствует экспоненциальное увеличение I и U. Ток в барьере обусловлен отрицательно заряженными частицами при обратном и прямом смещениях. Шоттки обладают высоким быстродействием, так как диффузные и рекомбинационные процессы отсутствуют. I зависит от U благодаря изменению количества носителей, принимающих участие в процессах переноса заряда.
Кремниевый полупроводник широко применяется практически во всех электрических схемах устройств. На рисунке 4 изображена его ВАХ.
Рисунок 4 — ВАХ кремниевого Д.
На рисунке 4 ВАХ начинается с 0,6-0,8 В. Кроме кремниевых Д существуют еще германиевые, которые при нормальной температуре будут нормально работать. Кремниевый имеет меньший Iпр и Iобр, поэтому тепловой необратимый пробой у германиевого Д наступает быстрее (при подаче высокого Uобр), чем у его конкурента.
Выпрямительный Д применяется для преобразования переменного U в постоянное и на рисунке 5 приведена его ВАХ.
Рисунок 5 — ВАХ выпрямительного Д.
На рисунке изображена теоретическая (пунктирная кривая) и практическая (экспериментальная) ВАХ. Они не совпадают из-за того, что в теории не учитывались некоторые аспекты:
- Наличие R (сопротивления) эмиттерной области кристалла, выводов и контактов.
- Токи утечки.
- Процессы генерации и рекомбинации.
- Пробои различных типов.
Кроме того, температура окружающей среды значительно влияет на измерения, и ВАХ не совпадают, так как теоретические значения получают при температуре +20 градусов. Существуют и другие важные характеристики полупроводников, которые можно понять по маркировке на корпусе.
Существуют и дополнительные характеристики. Они нужны для применения Д в определенной схеме с U и I. Если использовать маломощный Д в устройствах с U, превышающем максимально допустимое Uобр, то произойдет пробой и выход из строя элемента, а также это может повлечь за собой цепочку выхода других деталей из строя.
Дополнительные характеристики: максимальные значения Iобр и Uобр; прямые значения I и U; ток перегрузки; максимальная температура; рабочая температура и так далее.
ВАХ помогает определить такие сложные неисправности Д: пробой перехода и разгерметизация корпуса. Сложные неисправности могут привести к выходу из строя дорогостоящих деталей, следовательно, перед монтажом Д на плату необходимо его проверить.
Возможные неисправности
Согласно статистике, Д или другие полупроводниковые элементы выходят из строя чаще, чем другие элементы схемы. Неисправный элемент можно вычислить и заменить, но иногда это приводит к потере функциональности. Например, при пробое p-n-перехода, Д превращается в обыкновенный резистор, а такая трансформация может привести к печальным последствиям, начиная от выхода из строя других элементов и заканчивая пожаром или поражением электрическим током. К основным неисправностям относятся:
- Пробой. Диод утрачивает способность пропускать ток в одном направлении и становится обычным резистором.
- Конструктивное повреждение.
- Утечка.
При пробое Д не пропускает ток в одном направлении. Причин может быть несколько и возникают они при резких ростах I и U, которые являются недопустимыми значениями для определенного Д. Основные виды пробоев p-n-перехода:
- Тепловой.
- Электрический.
При тепловом на физическом уровне происходит значительный рост колебания атомов, деформация кристаллической решетки, перегрев перехода и попадание электронов в проводимую зону. Процесс необратим и приводит к повреждению радиодетали.
Электрические пробои носят временный характер (кристалл не деформируется) и при возвращении к нормальному режиму работы его функции полупроводника возвращаются. Конструктивным повреждением являются физические повреждения ножек и корпуса. Утечка тока возникает при разгерметизации корпуса.
Для проверки Д достаточно выпаять одну ножку и прозвонить его мультиметром или омметром на наличияе пробоя перехода (должен звониться только в одном направлении). В результате появится значение R p-n-перехода в одном направлении, а в другом прибор покажет бесконечность. Если звониться в 2 направления, то радиодеталь неисправна.
Если отпала ножка, то ее нужно припаять. При повреждении корпуса — деталь необходимо заменить на исправную.
При разгерметизации корпуса понадобится построение графика ВАХ и сравнение его с теоретическим значением, взятым из справочной литературы.
Таким образом, ВАХ позволяет не только получить справочные данные о диоде или любом полупроводниковом элементе, но и выявить сложные неисправности, которые невозможно определить при проверке прибором.
ВАХ полупроводникового диода
Вах-вах-вах… Обычно эти слова употребляют, рассказывая анекдоты про кавказцев))) Кавказцев прошу не обижаться – я уважаю Кавказ. Но, как говорится, из песни слов не выкинешь. Да и в нашем случае это слово имеет другой смысл. Да и не слово это даже, а аббревиатура.
ВАХ – это вольт амперная характеристика. Ну а нас в этом разделе интересует вольт амперная характеристика полупроводникового диода.
График ВАХ диода показан на рис. 6.
Рис. 6. ВАХ полупроводникового диода.
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»).
На рис. 6 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.
Что же мы видим на графике? Ну 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 и обратное 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. То есть если вы подключите лампочку по первой схеме на рис. 3, а напряжение батареи питания у вас будет 9 В, то на лампочку попадёт уже не 9 В, а 8,5 или даже 8 (зависит от типа диода). 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. Что это значит? Если вы включите лампочку по второй схеме на рис. 3, то светиться она не будет, потому что диод в обратном направлении ток не пропускает (точнее, пропускает, как видно на графике, но этот ток настолько мал, что лампа светиться не будет). Но диод не может сдерживать напряжение бесконечно. Если увеличить, напряжение, например, до нескольких сотен вольт, то это высокое напряжение «пробьёт» диод (см. перегиб на обратной ветви графика) 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.
Вольт-амперная характеристика — диод — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1
Вольт-амперная характеристика — диод
Cтраница 1
Вольт-амперная характеристика диода существенно зависит от температуры окружающей среды, с повышением которой прямой ток диода при одном и том же напряжении может увеличиться в несколько раз. При заданном прямом токе с увеличением температуры снижается прямое напряжение между электродами диода. [1]
Вольт-амперная характеристика диода ( рис. 38 — 6) показывает зависимость тока через диод от приложенного к нему напряжения. [2]
Вольт-амперные характеристики диода — двухэлектрод-ной электронной лампы и полупроводникового диода были показаны на рис. 3.3 и 3.17, в. Диод, у которого можно пренебречь обратным током и падением напряжения в прямом направлении, следует считать идеальным вентилем. Сопротивление идеального вентиля в прямом направлении ( гъ) равно нулю, а в обратном ( / чбр) — бесконечно велико. Вольт-амперная характеристика идеального вентиля, показанная на рис. 15.1, представляет собой отрезок ( Оа) положительной полуоси тока и отрезок ( Об) отрицательной полуоси напряжения. Заменой реальной характеристики вентиля отрезками прямых ( кусочно-линейная аппроксимация), в частности характеристикой идеального вентиля, шиши роко пользуются, чтобы упростить расчет режима цепи с вентилями. [3]
Вольт-амперная характеристика диода условно разделяется на три области: область насыщения и две области пробоя. В области насыщения ток насыщения, проходящий через диод, очень мал и практически не зависит от приложенного напряжения. [5]
Вольт-амперная характеристика диода нелинейна, и значение R зависит от величины напряжения U а. На рабочем участке характеристики величина R может иметь значения от нескольких десятков до нескольких тысяч ом. [7]
Вольт-амперные характеристики диодов сильно зависят от температуры. [9]
Вольт-амперная характеристика диода зависит от температуры. С повышением температуры прямое и обратное сопротивления уменьшаются. Наиболее сильно с изменением температуры меняются обратный ток и. [10]
Вольт-амперная характеристика диода в режиме теплового пробоя соответствует кривой б на рис. 3.4. Она имеет падающий характер, так как вследствие повышения температуры перехода концентрация носителей заряда в нем резко увеличивается и электрическое сопротивление перехода уменьшается относительно быстрее, чем растет ток перехода. [11]
Вольт-амперная характеристика диодов Шоттки почти идеально описывается экспоненциальной зависимостью ( 10 — 52) для идеализированного диода. Это обстоятельство позволяет с успехом использовать диоды Шоттки в качестве логарифмирующих элементов. [13]
Излом вольт-амперной характеристики диодов позволяет пропускать практически без искажений малые мгновенные значения напряжений и резко ослаблять вершины полуволн. [15]
Страницы: 1 2 3 4 5
Вольт-амперная характеристика полупроводниковых диодов, типовые ВАХи
Электровакуумный диод представляет собой прибор, работающий за счет контроля интенсивности нагрева положительного и отрицательного полюсов устройства. Вход устройства при подаче электрического тока нагревается, после чего появляется эффект выхода электронов из металла. Если подавать электрический ток с отрицательным напряжением, осуществляется процесс обратный термоэлектронной эмиссии. За счет этого идет выпрямление мощности, которая подается на радиодеталь.
Вах полупроводникового прибора
Вольтамперная характеристика вакуумного диодаДанная характеристика состоит из классических трех ступеней:
- Нелинейная часть. Вольт амперная характеристика диода в месте подачи тока возрастает небольшими темпами. Это объясняется эффектом противодействия полю анода отрицательного напряжения свободных электронов. На данном участке ток анода крайне низок. Влияние напряжения на силу экспоненциально.
- Вторая часть кривой описывается законом степени 3/2. Влияние электричества на аноде от подаваемого напряжения в данном случае записывается формулой трех вторых, в которой напряжение на аноде умножается на константу, характеристики габаритов электрода.
- Напряжение насыщения. Если напряжение на аноде продолжает увеличиваться соразмерно предыдущим показателям, скорость увеличения выходного тока снижается. Повысить мощность на выходе невозможно из-за отсутствия свободных электронов.
Диод – полупроводниковое устройство, которое обладает односторонней проводимостью. Эта характеристика появляется из-за особенностей pn перехода и сопротивления на его концах. Односторонняя проводимость обозначает, что радиодеталь пропустит электрический ток только в том случае, если на аноде (входе) будет больший потенциал. Если мощность выше на катоде, появляется обратный ток. Однако из-за высокой степени сопротивления величины такого электрического тока критически малы. Таким образом строится вольт амперная характеристика полупроводникового устройства.
Принцип функционирования диода вакуумного типаПри подаче электричества на выход электровакуумного диода электроны покидают поверхность из-за эффекта термоэлектронной эмиссии. При этом с накоплением свободных заряженных частиц в атмосфере появляется область, которая характеризуется негативным потенциалом. Характерной особенностью вакуумного прибора является то, что в это время поверхности анода начнут положительно заряжаться. Из-за этого последующим заряженным частицам потребуется более высокий уровень заряда для отрыва. В результате переходных процессов вокруг катода формируется облако заряженных частиц.
Интересно. Незначительная часть электронов возвращается на выход радиодетали. При температуре, которая соответствует требуемой, и стабилизации облака выход и возврат заряженных частиц из катода уравниваются, чем обеспечивают стабильное движение заряженных частиц.
Электрический ток в вакуумеЧтобы появилась возможность передавать ток в вакууме, требуется добавить в пространство свободные заряженные частицы при помощи явлений эмиссии:
- Термоэлектронная – представляет собой процесс освобождения заряженных частиц металлами во время нагрева. Скорость процесса зависит от площади, условий нагрева и свойств материала. Когда кинетическая энергия превышает мощь электронных связей, происходит освобождение частиц;
- Фотоэлектронная – возникает под действием освещения.
- Автоэлектронная эмиссия происходит из-за влияния электрического поля.
Уровень мощности, при котором прибор открыт, и через него течет электричество, называется ток. Обратное напряжение – отрицательная мощность, которая течет с катода на анод. В случае прямого напряжения уровень препятствия движению заряженных частиц не выше 100 Ом, однако при обратном напряжении уровень сопротивления возрастает в несколько сотен раз и может достигать миллионов Ом.
Прямое и обратное напряжение диода
Обратное включение диода, обратный токОбратный ток возникает, когда напряжение на катоде выше, чем на аноде. В такой ситуации заряженные частицы из области n перехода начнут смещаться к положительной части детали и передвигаться к отрицательному полюсу. Это приводит к возникновению области, которая содержит малое количество заряженных частиц, из-за чего повысится сопротивление. Однако течение электронов будет продолжаться.
Прямое включение диода, прямой токПри подключении к аноду большего напряжения, чем на катоде, возникает прямой ток. В таком случае агрегат находится в открытом состоянии. Итоговое значение на выходе зависит от технических характеристик и уровня напряжения на входе. При этом свободные участки из области n типа передвигаются к заряженным частицам из Р типа и, наоборот. На месте pn перехода происходит встреча дырок и электронов, и осуществляется рекомбинация.
ВАХ и выпрямительный диодВАХ диода состоит из нескольких квадрантов:
- В первом случае прибору присуща высокая проводимость, которая соответствует приложенному напряжению;
- Во второй части радиоэлектронное устройство получает ток до состояния насыщения, затем сбрасывается;
- В последующем сегменте присутствует обратная ветвь ВАХ диода. Аппроксимация данного состояния свидетельствует о низкой проводимости.
ВАХ стабилитрона
Идеализированная ВАХ полупроводникового диодаДанная характеристика присуща идеальному диоду. Главной задачей такого устройства является пропуск электричества исключительно в одну сторону. В таком случае сопротивление идеального радиоэлемента равно нулю в случае подключения положительного заряда к аноду, и может равняться бесконечности при обратном способе включения в цепь.
Практическое использование выпрямительного диодаИспользуют устройства в таких узлах:
- БП силовых агрегатов автомобилей и кораблей;
- В диодном мосту;
- В устройствах для выпрямления переменного тока и гальванических емкостей;
- В трансформаторах для передачи электричества посредством высоковольтной линии.
Во время подбора выпрямительных деталей требуется учитывать большое количество факторов:
- Частота тока;
- Значения входного тока в амперах;
- Параметр входного напряжения в вольтах;
- Устойчивость к условиям внешней среды..
Типичная маркировка:
- Первый символ – Д – диод;
- Второй – нумерация, которая соответствует типу элемента, материалу и способу применения;
- Третий – разновидность устройства.
Вольт амперная характеристика диода показывает основные параметры диода. При помощи графика можно получить точную информацию о зависимости значения напряжения на выходе диода от напряжения на входе. Существует несколько видов диодов: идеальный и реальный, выпрямительный и стабилитрон, кремниевый и германиевый, а также светодиод и вакуумный. Отличия между ними – в выполняемой работе. При этом формула выходного напряжения в цепи будет незначительно отличаться. Так как лабораторные условия встречаются редко, то возможны незначительные погрешности во время включения и последующего выполнения функций устройством. ВАХ полупроводникового агрегата существенно различается от типа к типу, отличные характеристики могут быть значительными.
ВидеоПолупроводниковый диод. ВАХ специальных диодов. — Help for engineer
Полупроводниковый диод. ВАХ специальных диодов.
Существует три вида диодов:
— газонаполненные;
— электровакуумные;
— полупроводниковые диоды, про которые и будет идти речь дальше.
В чистом полупроводнике отсутствуют свободные электроны, поэтому его электропроводность, как и у диэлектрика крайне мала. Если добавить в полупроводник примесь, то проводимость увеличится. Для того чтоб заметить изменение электропроводимости, достаточно в чистый полупроводник добавить очень малое количество примеси – 1 атом примеси на 106 атомов полупроводника. Электрическая проводимость любого вещества зависит от наличия в атоме свободных, слабо связанных электронов на внешней орбите.
Если электрон освободился от соседнего атома, то на месте оборванного электрона появилась новая дырка. Электроны двигаются от отрицательного к положительному потенциалу, а дырки можно рассматривать как такие, что двигаются в обратном направлении. Также дырки можно рассматривать как элемент положительного заряда. Примеси, которые образовывают свободные электроны в полупроводнике, называются донорными, а которые делают дырки – акцепторными. Процесс заполнения неполных валентных связей называется рекомбинация.
Рисунок 1 – Проводимость полупроводникового диода
p-n переход – это переходной слой, полученный на границе полупроводников разной проводимости.
Различают два типа перехода:
— плоскостной;
— точечный.
Принцип работы полупроводникового диода основан на особенности p-n перехода — ярко выраженная проводимость, которая зависит от полярности приложенного напряжения (рисунок 1).
На основании представленных характеристик материалов создан полупроводниковый прибор – диод.
Рисунок 2 – Обозначение диода
Обозначение диода в электрических схемах – VD.
Основные электрические параметры диода:
1. Іном – максимальное значение действующего тока через диод, которое его не перегревает.
2. Максимальный импульсный ток – Іі.max.
3. Обратное максимальное напряжение Uобр.
Все полупроводниковые приборы очень чувствительны к примесям в воздухе, поэтому их размещают в герметичном корпусе из стекла или керамики.
Работа диода при прямом приложенном напряжении имеет следующий вид (ток — черная кривая, напряжение — красная):
Рисунок 3 – Ток и напряжение на диоде
С рисунка видно, что при положительном напряжении диод VD открывается и напряжение имеет малое значение, при отрицательном напряжении диод закрывает мгновенно, переставая пропускать через себя ток.
Широко применяются при необходимости преобразования переменного напряжения в постоянное. Выпрямленное напряжение будет иметь пульсирующий вид, как изображено на рисунке 3 – однополупериодное выпрямление, если же применять диодный мост, то будет осуществлено двухполупериодное выпрямление. В полученном пульсирующем напряжении для электрических приборов будет важно действующее значение напряжения. Для трехфазных сетей применяют выпрямитель Ларионова.
Специальные диоды
Стабилитрон – разновидность диода, которому характерна вертикально спадающая ВАХ, на которой стабилитрон предназначен продолжительно работать.
Рисунок 4 – Вольт-амперная характеристика (ВАХ) стабилитрона
Предназначается для работы в источниках питания для стабилизации напряжения.
Основные характеристики: Uстабилизации, Іmin, Imax– граничные значения тока через стабилитрон.
Туннельный диод – это диод, которому характерно наличие в прямой ветке вольт-амперной характеристики участок с обратным сопротивлением. При увеличении прямого напряжения монотонно увеличивается выходное значение тока. Напряжение пробоя такого полупроводника практически равно нулю.
Рисунок 5 – ВАХ туннельного диода
Используются в схемах переключения и генераторах электрических колебаний.
Динистор – специальный диод, который сохраняет высокое сопротивление до определенного значения прямого напряжения, после чего сопротивление резко спадает и равно величине сопротивления открытого диода.
Рисунок 6 – Вольт-амперная характеристика динистора
Используют в схемах автоматики и генераторах переменно-линейного напряжения.
Варикап – диод, у которого изменяется емкость в зависимости от значения приложенного обратного напряжения.
Рисунок 7 – ВАХ варикапа
Применяются в электрических схемах, где необходима настройка частоты контура колебания, деление или умножение частоты.
Характерные для варикапа параметры:
— общая емкость – измеренная емкость при определенном обратном напряжении;
— коэффициент перекрытия по емкости – при двух некоторых значениях напряжения отношения емкостей варикапа.
— температурный коэффициент емкости – относительное изменение емкости, вызванное сменой температуры.
— предельная частота – та, на которой реактивная составляющая варикапа становится равна активной.
Фотодиод – спец диод, обратная проводимость которого изменяется от величины светового потока Ф.
Рисунок 8 – ВАХ фотодиода
Используются в измерителях светового потока и приборах автоматики.
Светодиод излучает свет при прохождении через него в прямом направлении электрического тока, цвет свечения определяется химическим составом кристалла.
Отличительной особенностью светодиода является экономичность – очень малое потребление тока (2-5мА).
Недостаточно прав для комментирования
Вольт-амперная характеристика диода с PN переходом — характеристика смещения в прямом и обратном направлениях
Вольт-амперная характеристика диода с PN-переходом представляет собой кривую между напряжением на переходе и током цепи . Схема расположения кривой показана на рисунке ниже. Схема показывает, что резистор соединен в серии с диодом с PN переходом, чтобы ограничить возрастание тока прямого смещения в пределах допустимых значений.Характеристическая кривая диода с PN-переходом построена по трем кривым: нулевое внешнее напряжение, прямое смещение и обратное смещение.
Нулевое внешнее напряжение
Когда цепь K разомкнута, на цепь не подается внешнее напряжение. Следовательно, в цепи не течет ток. Нулевое внешнее напряжение показано точкой O на графике, показанном ниже.
Прямое смещение
Диод с PN-переходом подключается с прямым смещением, удерживая ключ K в замкнутом состоянии и удерживая переключатель двойного хода в положении один.При прямом смещении полупроводниковый материал p-типа подключается к положительному концу источника питания, а полупроводниковый материал n-типа подключается к отрицательному выводу источника питания.
Когда напряжение увеличивается путем изменения номинала резистора R h , кривая цепи увеличивается очень медленно, и кривая становится нелинейной. Точка OA на кривой показывает возрастающую характеристику напряжения.
Ток медленно нарастает при прямом смещении, поскольку приложенное внешнее напряжение используется для пересечения потенциального барьера диода с PN-переходом.Но когда потенциальный барьер полностью устранен и внешнее напряжение, приложенное к переходу, увеличивается, PN-переход ведет себя как обычный диод, и ток в цепи резко возрастает (показано в области AB).
Повышенный ток цепи контролируется сопротивлением R h и прямым сопротивлением перехода R f . Кривая становится линейной. Ток, превышающий номинальное значение, повредит диод.
Вольт-амперная характеристика PN перехода показана на рисунке ниже.
Обратное смещение
Когда положение двухполюсного переключателя двойного направления изменяется с 1 на 2, смещение диода меняется с обратного на прямое, т. Е. Материал p-типа подключается к отрицательному выводу источника питания, а n- Тип материала подключается к положительной клемме источника питания.
В условиях обратного смещения сопротивление диода становится очень высоким, и ток через диод практически не течет. Но на практике через диод протекает ток в миллиамперах.Этот ток известен как обратный ток. Обратный ток возникает из-за неосновных носителей заряда, присутствующих в полупроводниковом материале при нормальной комнатной температуре. Обратная характеристика диода с PN-переходом показана на рисунке выше.
Обратное смещение PN-перехода действует как прямое смещение для основных носителей заряда и, следовательно, они составляют неосновной ток в обратном направлении. Этот ток незначителен при рабочих напряжениях.
Когда увеличивается обратное питание, увеличивается и обратный ток.Постоянное увеличение обратного напряжения увеличивает кинетическую энергию неосновных носителей заряда. Кинетическая энергия неосновных электронов увеличивается настолько, что они выбивают электроны из полупроводниковой связи.
В этом состоянии сопротивление барьера увеличивается, из-за чего на стыке происходит пробой. Следовательно, ток обратного смещения увеличивается и необратимо повреждает переход.
Напряжение, при котором разрывается PN-переход, называется напряжением пробоя.
Ниже приведены важные моменты, которые необходимо учитывать при построении вольт-амперной характеристики.
- Когда внешнее напряжение становится равным нулю, через диод не протекает ток.
- При прямом смещении ток немного увеличивается, пока область истощения не будет полностью стерта.
- Прямое смещение внезапно увеличивается после напряжения колена.
- Прямой ток ограничен последовательным сопротивлением R и прямым сопротивлением R f .
- Прямой ток превышает номинальное значение, диод разрушается.
- При обратном смещении обратный ток немного увеличивается с увеличением неосновных носителей заряда.
- С увеличением обратного напряжения обратный ток резко увеличивается до большого значения. Именно из-за этого напряжения переход транзистора ломается и сопротивление резко падает.
Двухполюсный двухпозиционный переключатель имеет два выхода (вкл. И выкл.) Для каждого входа.
Вольт-амперная характеристика PN диода
Какая вольт-амперная характеристика PN-диода?
Ток I в PN-диоде по отношению к напряжению перехода V В соотношением, задаваемым уравнением
……… .. (1)На рисунке 1 показана типичная вольт-амперная характеристика для PN-диода, построенная по приведенному выше уравнению. При прямом смещении прямой ток остается практически нулевым до тех пор, пока не будет достигнуто так называемое напряжение отсечки V В t-диода.Это напряжение включения определяется как напряжение, ниже которого прямой ток составляет менее 1% от максимального номинального тока диода. Это напряжение включения также известно как напряжение включения или пороговое напряжение. Напряжение среза зависит от материала полупроводника и от метода изготовления. Обычно напряжение среза составляет около 0,2 В для Ge диода и около 0,6 В для Si-диода. Это более высокое значение напряжения среза в Si-диоде в основном связано с низким значением I O .
Из рисунка 1 видно, что за пределами напряжения отключения прямой ток быстро увеличивается с увеличением прямого напряжения.В диапазоне прямого напряжения приложенное напряжение намного больше, чем V T (0,026 вольт при 300 K), так что в приведенном выше уравнении мы можем пренебречь 1 по сравнению с
и преобразовать его к следующей более простой форме ……… (2)При небольшом обратном смещении обратный ток увеличивается с увеличением величины обратного смещения. Когда величина обратного смещения превышает в несколько раз V T , мы можем пренебречь
является сравнением с I, и обратный ток становится устойчивым на значении I O .при дальнейшем увеличении обратного напряжения происходит пробой, а затем обратный ток резко увеличивается при почти постоянном значении обратного напряжения V Z .Зависимость температуры от вольт-амперной характеристики
Полный обратный ток насыщения:
Суммарное или измеренное значение обратного тока насыщения
, где I 0 — теоретическое значение обратного тока насыщения, а I R — составляющая обратного тока утечки.I R не зависит от температуры, тогда как I 0 сильно зависит от температуры. ……. (3)Это уравнение дает I 0 как функцию от D n , D p и n i 2 . Но n i 2 зависит от температуры в соответствии с уравнением ниже
…… .. (4)Напряжение V T также пропорционально температуре T. Далее D p и D n зависят от температуры T.Соответственно, общее выражение для I 0 , действительное как для Ge, так и для Si-диодов, равно
………. (5)Где k — константа, m — константа материала, qV G0 — запрещенная энергетическая щель в джоулях. Экспериментально обнаружено, что обратный ток насыщения
увеличивается со скоростью 7% на градус Цельсия как для Ge, так и для Si-диодов. Но . Следовательно, мы заключаем, что полный обратный ток насыщения удваивается на каждые 10 0 ° C повышения температуры.Напряжение отключения:
Следующее соотношение справедливо как для Ge, так и для Si-диодов,
…… .. (6)Таким образом, V, а также V V уменьшаются с повышением температуры со скоростью 2,5 мВ / градус C. Хотя напряжение отключения V V и полный обратный ток насыщения изменяются с температурой, форма общей ВАХ характеристики диода не меняется с температурой.
Сопротивление диода:
Статическое сопротивление диода R
Это отношение напряжения диода к току диода.Он сильно меняется при смещении рабочей точки. Он не является полезным параметром диода.
Динамическое или инкрементное сопротивление диода r
Определяется как,
………. (7)Таким образом, динамическое сопротивление диода является обратной величиной крутизны зависимости тока от напряжения и формирует важный параметр устройства для работы с малым сигналом. Однако динамическое сопротивление диода r меняется в зависимости от рабочей точки.
Из уравнения (1),
…….. (8)Для обратного смещения более нескольких десятых вольт,
и отрицательного. Следовательно, чрезвычайно мало, составлено до единицы, и, следовательно, r чрезвычайно велико.Для прямого смещения более нескольких десятых вольт,
и согласно уравнению (1), I >> I 0 . Затем из уравнения (8). ……… (9)Уравнение (9) показывает, что для прямого смещения r изменяется обратно пропорционально току I.
При комнатной температуре (300 К) V T = 0.026 вольт. Затем для
, ……. (10)Таким образом, для
Пример 1: Идеальный Ge-диод, работающий при температуре 100 0 C, имеет обратный ток насыщения. При 100 0 C найдите динамическое сопротивление диода для смещения 0,1 В (а) в прямом направлении и (б) в обратном направлении.
Решение:
При 100 0 C, T = 273 + 100 = 373 0 K,
Следовательно,
для Ge,
Следовательно,
Сейчас,
Для прямого смещения 0.1 вольт,
Следовательно,
Для обратного смещения 0,1 В,
Следовательно,
Кусочно-линейная аппроксимация характеристики диода
Для большой одиночной операции обычно достаточно использовать кусочно-линейное представление ВАХ PN-диода. На рис. 2 представлена кусочно-линейная аппроксимация. Для V
Нравится:
Нравится Загрузка …
Типичные характеристики диодаи его кривая V-I
Ⅰ ВведениеДиод — это двухконтактное устройство с однонаправленной проводимостью. Есть электронные диоды и кристаллические диоды.Чаще всего используются кристаллические диоды. Характеристики однонаправленной проводимости диодов используются почти во всех электронных схемах, и это играет важную роль во многих схемах. Это одно из первых полупроводниковых устройств, и его применение можно увидеть в очень широком диапазоне. Есть много характеристик диода , которые мы должны хорошо знать, давайте шаг за шагом проверим следующее содержание.
В этом видео представлены характеристики диодов при прямом и обратном смещении.
Каталог
Ⅱ Проводящие свойства 2.1 Положительный
Когда подается прямое напряжение , прямое напряжение вначале невелико (германиевая трубка менее 0,1 В, силиконовая трубка менее 0,5 В), что недостаточно для преодоления блокирующего действия электрического поля в PN-переходе. В это время прямой ток близок к нулю, и этот сегмент называется зоной нечувствительности.Это прямое напряжение, при котором не включается диод, называется напряжением зоны нечувствительности. Когда прямое напряжение больше, чем напряжение зоны нечувствительности, электрическое поле в блоке PN-перехода преодолевается, другими словами, диод имеет прямую проводимость, и ток быстро растет по мере увеличения напряжения. При нормальном использовании напряжение на клеммах диода остается постоянным во время включения, и его также называют прямым напряжением диода.
2.2 ОтрицательныйКогда приложенное обратное напряжение не превышает определенного диапазона, ток через диод представляет собой обратный ток, образованный дрейфовым движением неосновных носителей.Поскольку обратный ток небольшой, диод выключен. Этот обратный ток также называется обратным током насыщения или током утечки. Диоды из разных материалов имеют разные обратные токи. Силиконовая трубка имеет ток от 1 мА до десятков мА, а германиевые трубки могут достигать сотен мА. Кроме того, на обратный ток сильно влияет температура. Стабильность германиевых трубок хуже, чем у кремниевых.
2.3 Обратный пробойКогда приложенное обратное напряжение превышает определенное значение, обратный ток внезапно увеличивается. Это явление называется электрическим пробоем. Пороговое напряжение, которое вызывает это, называется напряжением обратного пробоя диода. Кроме того, диод теряет однонаправленную проводимость при электрическом пробое. Если диод не перегревается из-за электрического пробоя, однонаправленная проводимость не может быть навсегда нарушена. После нормального восстановления напряжения диод может нормально работать, иначе диод выйдет из строя.Поэтому обратное напряжение, подаваемое на диод, не должно превышать номинальное значение, указанное в таблице технических параметров.
1） Лавина
По мере увеличения обратного напряжения PN-перехода электрическое поле в области пространственного заряда усиливается. То есть через электроны и дырки в области пространственного заряда энергия, полученная электрическим полем, увеличивается, и электроны и дырки, движущиеся в кристалле, будут непрерывно сталкиваться с атомами кристалла.Когда энергия электронов и дырок достаточно велика, при таком столкновении электроны в ковалентной связи могут быть возбуждены с образованием свободной пары электрон-дырка. Это явление называется ударной ионизацией. Вновь сгенерированные электроны и дырки движутся в противоположном направлении под действием электрического поля, восстанавливают энергию и могут снова генерировать новые электронно-дырочные пары путем столкновения. Это эффект умножения текущей несущей. Когда обратное напряжение увеличивается до определенного значения, умножение носителей похоже на лавину на крутом снежном склоне.Носители увеличиваются намного быстрее и быстрее, в результате чего обратный ток резко увеличивается, поэтому в конце происходит лавинный пробой.
Лавинный пробой происходит в основном в диодах с низкой концентрацией примесей, и требуется относительно высокое напряжение, кроме того, напряжение пробоя обратно пропорционально концентрации.
2） Стабилитрон
Когда применяется обратное напряжение на выше , в области пространственного заряда PN-перехода возникает сильное электрическое поле, которое может разрушить ковалентную связь, чтобы отделить захваченные электроны, и заставит электронно-дырочные пары образовать большой обратный ток. .Напряженность электрического поля, необходимая для пробоя стабилитрона, составляет около 2 * 105 В / см, что может быть достигнуто только в PN-переходе с особенно большой концентрацией примесей. Из-за большой концентрации примесей плотность заряда (т.е. примесных ионов) в области объемного заряда также велика. Следовательно, область пространственного заряда становится узкой, а напряженность электрического поля может быть высокой. Так что пробой стабилитрона чаще всего происходит в диодах с более высокими концентрациями примесей. Если концентрация легирования мала, а область барьера широкая, пробой стабилитрона будет происходить редко.
Направленность тока большинства диодов часто называют «выпрямляющими». В диоде ток может проходить только в одном направлении (так называемое прямое смещение) и отключаться в обратном направлении (так называемое обратное смещение). Диод можно рассматривать как электронный обратный клапан. В действительности, однако, диоды демонстрируют не такую идеальную направленность включения-выключения, а довольно сложные нелинейные электронные характеристики, которые определяются конкретным типом диодов.
Напряжение и ток диода нелинейны, поэтому резисторы следует подключать, когда разные диоды включены параллельно.
Ⅲ Частотная характеристикаИз-за наличия емкости перехода, когда частота в некоторой степени высока, емкостное реактивное сопротивление настолько мало, что вызывает короткое замыкание PN перехода. В этом случае диод потеряет однонаправленную проводимость и не сможет работать. Кроме того, чем больше площадь PN перехода, тем больше емкость перехода и тем больше невозможно работать на высокой частоте.
Ⅳ Региональные рабочие характеристики1) Переднее рабочее пространство
Диод имеет прямую проводимость, и ток проводимости определяется внешним током, и максимальный ток не превышает максимального прямого рабочего тока диода, и прямое падение напряжения постепенно увеличивается с током, но изменение не большой.
2) Зона нечувствительности
Диод находится в состоянии положительного смещения, и его напряжение прямого смещения меньше, чем его напряжение включения, поэтому диод не может быть включен, и прямой ток равен нулю.
3) Обратное рабочее пространство
Когда диод находится в обратном рабочем состоянии, его обратный ток мал. Обычно силиконовая трубка имеет сопротивление от нескольких мкА до десятков мкА, а диод не проводящий. Вместе с передним рабочим пространством это рабочее пространство отражает однонаправленную проводимость диода, которая может использоваться для выпрямления и в других случаях.
4) Зона обратного пробоя
Диод тоже в обратном рабочем состоянии, но обратное напряжение большое. Хотя обратный рабочий ток диода быстро увеличивается, обратное рабочее напряжение остается практически неизменным. Эта характеристика может быть использована для стабилитрона.
Ⅴ Кривая VI (Вольт-амперная характеристическая кривая)Металлический проводник, когда температура существенно не изменяется, его сопротивление постоянно, поэтому его характеристика вольт-ампер представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат.Электрический компонент, имеющий такие вольт-амперные характеристики, называется линейным элементом, потому что их температура может определять значения сопротивления.
Закон Ома — экспериментальный закон с металлическими проводниками. Применим ли этот вывод к другим проводникам, все еще требует экспериментальной проверки. Эксперименты показали, что, кроме металлов, закон Ома также применим к растворам электролитов, но не к газовым проводникам (таким как люминесцентные лампы, газы в неоновых трубках) и полупроводниковым компонентам.То есть в этих случаях ток не пропорционален напряжению, и такие электрические компоненты называются нелинейными компонентами.
Связь между напряжением, приложенным к PN-переходу, и током, протекающим через диод, называется вольт-амперной характеристической кривой, как показано на рисунке:
Примечание: Падение напряжения на лампе диода: кремниевый диод (без подсветки) имеет прямое падение напряжения 0.7 В, а неоновая трубка — 0,3 В. Падение напряжения на передней трубке светодиодов зависит от цвета свечения. Существуют три контрольных значения основных цветов: падение напряжения красного светодиода составляет 2,0-2,2 В, желтого светодиода 1,8-2,0 В и зеленого светодиода 3,0-3,2 В. Номинальный ток при излучении света составляет примерно 20 мА.
Когда обратное напряжение превышает определенное значение U (BR), обратный ток резко увеличивается, что называется обратным пробоем.
Конденсатор, эквивалентный изменению ширины обедненного слоя, называется барьерной емкостью Cb.
Когда на PN переход подается обратное напряжение, Cb значительно изменяется с изменением u. В соответствии с этим могут изготавливаться различные варакторные диоды.
Меньшая часть PN-перехода в стабильном состоянии называется неосновной несущей.
Когда PN-переход находится в прямом смещении, дырки, которые диффундируют из области P в область N, и свободные электроны, которые диффундируют из области N в область P, называются неравновесными неосновными носителями.
Процесс накопления и высвобождения заряда в диффузионной области такой же, как процесс зарядки и разрядки конденсатора.Этот эффект называется диффузионной емкостью.
Часто задаваемые вопросы о характеристиках диода и его кривой V-I
1. Какие характеристики диода?
Основными статическими характеристиками диодов являются прямое напряжение VF и прямой ток IF, а также обратное напряжение и ток VR и IR. Область, обведенная оранжевой пунктирной линией на диаграмме справа, указывает полезную площадь выпрямительных диодов.
2.Какие характеристики идеального диода? Характеристики идеального диода
Пороговое напряжение: Идеальные диоды не имеют порогового напряжения.
Прямой ток: Идеальные диоды включают неограниченный прямой ток, когда любое прямое напряжение приложено к их клеммам.
Напряжение пробоя: Идеальные диоды не имеют напряжения пробоя.
Обратный (утечка) Ток
3. Каковы характеристики диода с pn переходом?
Область PN-перехода переходного диода имеет следующие важные характеристики:
Полупроводники содержат два типа мобильных носителей заряда: «дырки» и «электроны».
Дырки заряжены положительно, а электроны — отрицательно.
4. Каковы параметры диода?
Пиковое обратное напряжение, PIV: Характеристики диода представляют собой максимальное напряжение, которое диод может выдерживать в обратном направлении. … Максимальный прямой ток: Для конструкции электронной схемы, которая пропускает любые уровни тока, необходимо обеспечить, чтобы максимальные уровни тока для диода не превышались.
5. Какова основная функция диода PN?
Диод с p-n переходом — это базовое полупроводниковое устройство, которое контролирует поток электрического тока в цепи.Он имеет положительную (p) сторону и отрицательную (n) сторону, создаваемую добавлением примесей с каждой стороны кремниевого полупроводника.
6. Является ли характеристика диода линейной?
Компонент схемы имеет нелинейную характеристику, если сопротивление не является постоянным на всем протяжении и является некоторой функцией напряжения или тока. Например, диод имеет разное сопротивление для разных значений напряжения. Однако он имеет линейную характеристику для узкой рабочей области.
7.Как температура влияет на кривую ВАХ диода?
Влияние повышенной температуры на характеристическую кривую диода с PN переходом показано на рисунке выше. Можно отметить, что прямая характеристика смещается вверх с повышением температуры. С другой стороны, обратная характеристика смещается вниз с повышением температуры.
8. Диоды переменного или постоянного тока?
Один или четыре диода преобразуют бытовую мощность 110 В в постоянный ток, образуя половинный (один диод) или двухполупериодный (четыре диода) выпрямитель.Диод пропускает через себя только половину сигнала переменного тока.
9. Каковы VI характеристики диода?
VI характеристики диода с PN переходом при прямом смещении нелинейны, то есть не являются прямой линией. Эта нелинейная характеристика показывает, что во время работы N-перехода сопротивление не является постоянным. Наклон диода с PN-переходом при прямом смещении показывает, что сопротивление очень низкое.
10. Увеличивают ли диоды напряжение?
Прямое напряжение
Чтобы «включиться» и проводить ток в прямом направлении, диод требует приложения к нему определенного количества положительного напряжения…. Однако, когда напряжение приближается к номинальному прямому напряжению, большое увеличение тока по-прежнему должно означать только очень небольшое увеличение напряжения.
Вам также может понравиться
Характеристики диода Шоттки и его применение
: каков принцип работы стабилитронов?
Учебное пособие по основам работы со светодиодами
ВАХ или вольт-амперные характеристики
ВАХ , сокращенно от ВАХ или просто ВАХ электрического устройства или компонента, представляют собой набор графических кривых, которые используются для определения его работы в электрической цепи.Как следует из названия, кривые ВАХ показывают взаимосвязь между током, протекающим через электронное устройство, и приложенным напряжением на его выводах.
Кривые ВАХ обычно используются в качестве инструмента для определения и понимания основных параметров компонента или устройства, а также могут использоваться для математического моделирования его поведения в электронной схеме. Но, как и в случае с большинством электронных устройств, существует бесконечное количество кривых ВАХ, представляющих различные входные данные или параметры, и поэтому мы можем отобразить семейство или группу кривых на одном графике для представления различных значений.
Например, «вольт-амперные характеристики» биполярного транзистора могут быть показаны с различной величиной возбуждения базы или кривыми ВАХ диода, работающего как в прямой, так и в обратной областях.
Но статические вольт-амперные характеристики компонента или устройства не обязательно должны быть прямой линией. Возьмем, например, характеристики резистора с фиксированным значением, мы ожидаем, что они будут достаточно прямыми и постоянными в определенных диапазонах тока, напряжения и мощности, поскольку это линейное или омическое устройство.
Однако существуют и другие резистивные элементы, такие как LDR, термисторы, варисторы и даже лампочки, кривые ВАХ которых не являются прямыми или линейными линиями, а вместо этого имеют изогнутую форму или форму и поэтому называются нелинейными устройствами, поскольку их сопротивление нелинейные сопротивления.
Если электрическое напряжение питания V, приложенное к клеммам резистивного элемента R выше, было изменено, и полученный ток, который я измерил, этот ток был бы охарактеризован как: I = V / R, что является одним из уравнений закона Ома.
Мы знаем из закона Ома, что по мере того, как напряжение на резисторе увеличивается, увеличивается и ток, протекающий через него, можно было бы построить график, показывающий взаимосвязь между напряжением и током, как показано на графике, представляющем напряжение амперные характеристики (его вольт-амперные характеристики) резистивного элемента. Рассмотрим схему ниже.
ВАХ идеального резистора
Приведенные выше кривые i-v характеристики определяют резистивный элемент в том смысле, что если мы приложим какое-либо значение напряжения к резистивному элементу, результирующий ток будет напрямую получен из ВАХ.В результате мощность, рассеиваемая (или генерируемая) резистивным элементом, также может быть определена по кривой ВАХ.
Если напряжение и ток по своей природе положительны, тогда кривые ВАХ будут положительными в квадранте Ι, если напряжение и, следовательно, ток имеют отрицательный характер, тогда кривая будет отображаться в квадранте, как показано.
В чистом сопротивлении соотношение между напряжением и током является линейным и постоянным при постоянной температуре, так что ток (i) пропорционален разности потенциалов V, умноженной на константу пропорциональности 1 / R, что дает i = (1 / R) х В.Тогда ток через резистор является функцией приложенного напряжения, и мы можем продемонстрировать это визуально, используя кривую ВАХ.
В этом простом примере ток i относительно разности потенциалов V представляет собой прямую линию с постоянным наклоном 1 / R, поскольку соотношение является линейным и омическим. Однако практические резисторы могут демонстрировать нелинейное поведение в определенных условиях, например, при воздействии высоких температур.
Есть много электронных компонентов и устройств с нелинейными характеристиками, то есть их отношение V / I непостоянно.Полупроводниковые диоды характеризуются нелинейными вольт-амперными характеристиками, поскольку ток, протекающий через общий кремниевый диод с прямым смещением, ограничен омическим сопротивлением PN-перехода.
ВАХ полупроводников
Полупроводниковые устройства, такие как диоды, транзисторы и тиристоры, все построены с использованием полупроводниковых PN-переходов, соединенных вместе, и поэтому их кривые ВАХ будут отражать работу этих PN-переходов.Тогда эти устройства будут иметь нелинейные ВАХ, в отличие от резисторов, которые имеют линейную зависимость между током и напряжением.
Так, например, основная функция полупроводникового диода — выпрямление переменного тока в постоянный. Когда диод смещен в прямом направлении (более высокий потенциал подключен к его аноду), он пропускает ток. Когда диод смещен в обратном направлении (более высокий потенциал подключен к его катоду), ток блокируется. Затем PN-переход требует напряжения смещения определенной полярности и амплитуды для протекания тока.Это напряжение смещения также управляет сопротивлением перехода и, следовательно, протеканием тока через него. Рассмотрим схему диода ниже.
ВАХ диода
Когда диод смещен в прямом направлении, анод положительный по отношению к катоду, прямой или положительный ток проходит через диод и действует в верхнем правом квадранте его кривых ВАХ, как показано. Начиная с нулевого пересечения, кривая постепенно увеличивается в прямом квадранте, но прямой ток и напряжение чрезвычайно малы.
Когда прямое напряжение превышает напряжение внутреннего барьера P-N переходов диодов, которое для кремния составляет около 0,7 вольт, происходит лавино, и прямой ток быстро увеличивается при очень небольшом увеличении напряжения, образуя нелинейную кривую. Точка «колена» на кривой вперед.
Аналогичным образом, когда диод смещен в обратном направлении, катод положительный по отношению к аноду, диод блокирует ток, за исключением чрезвычайно малого тока утечки, и работает в нижнем левом квадранте своих кривых ВАХ.Диод продолжает блокировать ток, протекающий через него, пока обратное напряжение на диоде не станет больше, чем его точка напряжения пробоя, что приведет к внезапному увеличению обратного тока, образуя довольно прямую нисходящую кривую при контроле потерь напряжения. Эта точка обратного напряжения пробоя хорошо работает с стабилитронами.
Затем мы можем видеть, что ВАХ для кремниевого диода нелинейны и сильно отличаются от линейных ВАХ предыдущих резисторов, поскольку их электрические характеристики отличаются.Кривые вольт-амперных характеристик можно использовать для построения графика работы любого электрического или электронного компонента, от резисторов до усилителей, полупроводников и солнечных элементов.
Вольт-амперные характеристики электронного компонента многое говорят нам о его работе и могут быть очень полезным инструментом при определении рабочих характеристик конкретного устройства или компонента, показывая его возможные комбинации тока и напряжения, а также в качестве графической помощи. помочь визуально лучше понять, что происходит в цепи.
Интерпретация вольт-амперных характеристик диода
Вольт-амперная характеристика — это соотношение между напряжением u, приложенным к обоим концам диода, и током, протекающим через диод =, т. Е. I = f (u). Вольт для 2CP12 (обычный кремний = диод) и 2AP9 (обычный германиевый диод).
(1) положительные характеристики
Первый квадрант кривой вольт-ложной характеристики диода называется прямой характеристикой.В начальной части прямой характеристики, поскольку прямое напряжение мало, внешнего электрического поля недостаточно для преодоления блокирующего эффекта внутреннего электрического поля на большинстве носителей, и прямой ток почти равен нулю. Эта область называется вольт-амперной характеристикой прямого диода
Мертвая зона, соответствующее напряжение называется напряжением мертвой зоны. Напряжение мертвой зоны кремниевой трубки составляет около 0,5 В, а германиевой трубки — около 0.2 В.
Когда прямое напряжение превышает определенное значение, внутреннее электрическое поле значительно ослабевает, прямой ток быстро увеличивается, диодная проводимость, эта область называется положительной направляющей зоной. Диод является положительной направляющей, пока есть небольшое изменение прямого напряжения, прямой ток сильно изменится, прямая характеристическая кривая диода очень крутая, поэтому, когда диод проходит через положительную направляющую, прямое падение давления на трубке не происходит. большой, а изменение прямого падения давления небольшое.Как правило, силиконовая трубка составляет около 0 °. 7 В, а германиевая трубка составляет около 0,3 В. Следовательно, при использовании диода, если приложенное напряжение велико, обычно в цепи подключается сопротивление, ограничивающее ток, чтобы не производить слишком большой ток, чтобы сжечь диод.
(2) обратные характеристики
Третий квадрант характеристической кривой напряжения диодов называется обратной характеристикой. В определенном диапазоне обратного напряжения обратный ток очень мал и не сильно изменяется, что называется обратным срезом. — вне региона.Это связано с тем, что обратный ток формируется дрейфовым движением нескольких носителей; при определенной температуре количество мелких частиц в основном не изменяется, поэтому обратный ток в основном постоянен, а величина обратного напряжения не имеет никакого отношения с ним, поэтому его обычно называют обратным током насыщения.
(3) Характеристики обратного пробоя
Когда обратное напряжение продолжает увеличиваться до определенного значения, обратный ток в диоде внезапно увеличивается, и мы говорим, что диод имеет обратный пробой.Характеристики этого раздела показаны в разделе D раздела 1.2.6. Возникает обратный пробой. P-n переход имеет большой обратный ток, серьезный, когда он приведет к повреждению p-n перехода, поэтому обычный диод должен избегать пробоя, но я должен сделать Трубка стабилитрона в состоянии пробоя, из-за более значительных изменений площади пробоя, в то время как ток и напряжение могут в основном оставаться неизменными, используйте эту функцию, трубка регулятора напряжения может иметь эффект регулирования напряжения.
ХарактеристикиV-I PN переходного диода
Характеристики V-I PN-переходного диода
Вольт-амперная характеристика pn-перехода или полупроводникового диода — это кривая между напряжением на переходе и током в цепи.
Обычно напряжение снимается по оси x, а ток — по оси y.
Схема подключения для определения ВАХ pn перехода показана на рисунке ниже.
Рис.1: Схема подключения для ВАХ pn перехода
Характеристики можно объяснить в трех случаях, например:
- Нулевое смещение
- Прямое смещение
- Обратное смещение
Случай-1: нулевое смещение
В состоянии нулевого смещения на pn переход i не подается внешнее напряжение.e цепь разомкнута на K.
Следовательно, потенциальный барьер (см. Руководство по pn переходу для лучшего понимания) в переходе не пропускает ток.
Следовательно, ток цепи равен нулю при V = 0 В, как показано точкой O на рисунке ниже.
Рис.2: Характеристики V-I pn-перехода
Случай-2: прямое смещение
В состоянии прямого смещения p-тип pn перехода подключен к положительной клемме, а n-тип — к отрицательной клемме внешнего напряжения.
Это приводит к уменьшению потенциального барьера.
При некотором прямом напряжении, например 0,7 В для Si и 0,3 В для Ge, потенциальный барьер почти устраняется, и в цепи начинает течь ток.
С этого момента ток увеличивается с увеличением прямого напряжения. Следовательно. кривая OB получается с прямым смещением, как показано на рисунке выше.
Из прямых характеристик можно отметить, что сначала, то есть в области OA, ток увеличивается очень медленно и кривая является нелинейной.Это связано с тем, что в этой области внешнее напряжение, приложенное к pn переходу, используется для преодоления потенциального барьера.
Однако, как только внешнее напряжение превышает напряжение потенциального барьера, потенциальный барьер устраняется, и pn переход ведет себя как обычный проводник. Следовательно, кривая AB очень резко поднимается с увеличением внешнего напряжения, и кривая становится почти линейной.
Случай-3: обратное смещение
В состоянии обратного смещения p-тип pn перехода подключен к отрицательной клемме, а n-тип подключен к положительной клемме внешнего напряжения.
Это приводит к увеличению потенциального барьера на стыке.
Следовательно, сопротивление перехода становится очень большим, и в результате ток в цепи практически не протекает.
Однако на практике через цепь протекает очень небольшой ток порядка мкА. Это известно как обратный ток насыщения (I S ), и это связано с неосновными носителями в переходе.
Как мы уже знаем, в материале p-типа мало свободных электронов, а в материале n-типа мало дырок.Эти свободные электроны p-типа и дырки n-типа называются неосновными носителями.
Обратное смещение, приложенное к pn переходу, действует как прямое смещение к неосновным носителям, и, следовательно, небольшой ток течет в обратном направлении.
Если приложенное обратное напряжение постоянно увеличивается, кинетическая энергия неосновных носителей может стать достаточно высокой, чтобы выбить электроны из атома полупроводника.
На этом этапе может произойти обрыв соединения.Это характеризуется резким увеличением обратного тока и резким падением сопротивления барьерной области. Это может навсегда разрушить соединение.
Сасмита
Привет! Я Сасмита. В ElectronicsPost.com я преследую свою любовь к преподаванию. Я магистр электроники и телекоммуникаций. И, если вы действительно хотите узнать обо мне больше, посетите мою страницу «О нас». Узнать больше
Характеристики тиристора вольт-ампер
при открытом затворе
Тиристор в этом состоянии можно рассматривать как три последовательно включенных диода с такими направлениями, которые предотвращают проводимость в любом направлении.
Вперед Характеристики
Характеристическая кривая тиристора VIКогда устройство смещено в прямом направлении, т. Е. Положительный анод и отрицательный катод, тогда переходы J1 и J2 смещены вперед, а переход J2 смещен в обратном направлении. Никакой ток не течет, кроме тока утечки, пока не будет превышено напряжение отключения перехода J2. Следует отметить, что прямое и обратное напряжение переключения схожи по величине из-за того, что в состоянии обратной блокировки почти все напряжение появляется на анодном PN-переходе.
Как только происходит размыкание в прямом направлении, центральный P-слой нейтрализуется электронами с катода, и устройство действует как проводящий диод с двумя переходами, дающими прямое падение затвора примерно вдвое больше, чем у диода.
Чтобы тиристор перешел в состояние ВКЛ, анодный ток должен достичь уровня фиксации. Для сохранения включенного состояния анодный ток не должен опускаться ниже тока удержания. Ток фиксации обычно в два раза превышает ток удержания, но оба они низкие, намного меньше 1 процента от номинального значения полной нагрузки.
Обратные характеристики
Обратные характеристики, т.е. с отрицательным анодом и положительным катодом, такие же, как у обычного диода с PN переходом.
Ток удержания
Минимальное значение прямого анодного тока, которое будет удерживать тиристор во включенном состоянии, называется удерживающим током.
Ток фиксации
Для того, чтобы тиристор достиг и удерживал состояние ВКЛ, анодный ток должен достигнуть уровня фиксации.Этот уровень тока называется током фиксации.
или
Это минимальный анодный ток, необходимый для поддержания тиристора во включенном состоянии сразу после включения тиристора.
Примечание: — Между I H и I L есть переход из ВКЛ в ВЫКЛ и ВЫКЛ в ВКЛ.
Приложение напряжения затвора
Тиристор, при прямом смещении, может быть включен путем подачи тока на вывод затвора относительно отрицательного катода, как показано ниже.
Напряжение затвора тиристораДействие тока затвора заключается во введении дырок во внутренний P-срез, которые вместе с электронами из катодного слоя N пробиваются через центральный управляющий переход, переводя тиристор во включенное состояние.
Если I G увеличить от нуля, точка перехода будет достигнута раньше, но характеристическая кривая будет иметь ту же форму. При дальнейшем увеличении I G напряжение отключения будет достигнуто раньше.как только анодный ток превысит уровень фиксации, ток затвора может прекратиться, тиристор останется во включенном состоянии, независимо от условий в цепи затвора.
Влияние I
G на перенапряжение отключения (В BO )Из кривой ВАХ видно, что прямое напряжение переключения уменьшается с увеличением тока затвора.
