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:

1. Верхняя и правая — Д функционирует в прямом подключении. Показывает пропускной I и линия идет вверх, что свидетельствует о росте прямого U (Uпр).
2. 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). Алгоритм построения ВАХ следующий:

1. Подключить БП к диоду.
2. Произвести измерения U и I.
3. Внести данные в таблицу.
4. 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:

1. Наличие R (сопротивления) эмиттерной области кристалла, выводов и контактов.
2. Токи утечки.
3. Процессы генерации и рекомбинации.
4. 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:

1. Пробой. Диод утрачивает способность пропускать ток в одном направлении и становится обычным резистором.
2. Конструктивное повреждение.
3. 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:

1. Тепловой.
2. 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.

5.1 Вольт-амперная характеристика диода

Прежде всего, вернемся к теоретически изученным ВАХ. Теоретическая ВАХ n-p-перехода и диода показаны на рисунке 5.2

Из рисунка 5.2 видно, что кривые отличаются друг от друга.

1 — Кривая ВАХ — p-n-перехода; 2 — ВАХ — диода

Рисунок 5.2

Чем это объяснить?

В области прямых токов это объясняется тем, что часть внешнего напряжения, приложенного к выводам диода, падает на объемном электрическом сопротивлении базы r_Б(т.е. определяется объемом и собственным сопротивлением).r_Блежит в пределах 1..10 Ом. Падение напряжения на базе становится существенным для токов, больших, чем единицы миллиампер. Кроме того, часть напряжения падает на сопротивлениях выводов. В результате напряжение на p-n-переходе будет меньше, чем напряжение на диоде.

Реальная характеристика в области прямых напряжений описывается выражением

,

где U_пр— напряжение, приложенное к выводам;r— суммарное сопротивление базы и выводов.

При увеличении обратного напряжения ток диода не остается постоянным и равным I₀, а увеличивается.

Первая причина увеличения обратного тока заключается в термической генерации зарядов на переходе (что не учитывается при теоретическом выводе). Эта составляющая называется током термогенерации I_ТГ.С ростом обратного напряжения переход расширяется, количество генерируемых в нем носителей увеличивается иI_ТГрастет.

Вторая причина — конечная величина проводимости поверхности кристалла, из которого изготовлен диод. Этот ток называется током утечки I_У. У современных приборов он всегда меньше тока термогенерацииI_ТГ.

Таким образом, суммарный обработанный ток определяется выражением

.

5.2 Влияние температуры на вах диода

С изменением температуры меняется ход прямой и обратной ветвей ВАХ диода. При увеличении температуры возрастает количество неосновных носителей в кристалле полупроводника и поэтому растет обратный ток перехода. Это обусловлено увеличением токов I₀иI_ТГ,изменяющихся по законам:

,

где I₀(T₀) — токи при температуреТ₀;Т =Т —Т₀.

Для кремния = 0,09К^-1,b= 0,07К^-1.

Ток утечки мало зависит от температуры, но может существенно меняться во времени. Поэтому он не определяет временную нестабильность обратной ветви ВАХ диода.

Теперь о прямой ветви ВАХ. Прямая ветвь с ростом температуры сдвигается влево и становится более крутой (рисунок 5.3). Это объясняется ростом обратного тока I_обри уменьшением собственного сопротивления базыr_Б, что, в свою очередь, уменьшает падение напряжения на базе, а напряжение на переходе растет при неизменном напряжении на выводах.

Для оценки температурной нестабильности прямой ветки вводится температурный коэффициент напряжения (ТКН)

,

показывающий, как изменится прямое напряжение на диоде с изменением температуры на 1С. При фиксированном прямом токе в диапазоне от -60С до +60С.

5.3 Основные типы диодов

5.3.1 Выпрямительные диоды

Назначение — преобразование переменного тока промышленной частоты в постоянный. Используются переходы с большой площадью для пропускания больших токов.

Кремневые выпрямительные диоды работают в диапазоне температуры от -60С до +125С.

Предельные электрические режимы: обратное напряжение U_обр.maxи средний выпрямительный токI _выпр.

Сегодня промышленностью выпускаются кремниевые диоды, характеризуемые I _выпр >100A иU_обр.max =1000В.

Если необходимо работать при U>U_обр,то диоды соединяются последовательно.

Для увеличения выпрямляемого тока можно включать диоды параллельно. Серийно выпускаемые промышленностью диоды имеют следующие обозначения: КД102, КД106, КД204, КД212, КД226; сдвоенные диоды КД205; два диода с общим катодом КД704; последовательно соединенные диоды КД629.

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_ϒ. Это напряжение, при котором PN-переход в полупроводнике открывается достаточно, чтобы диод начал хорошо проводить ток. До того как напряжение между анодом и катодом достигнет этого значения, диод является очень плохим проводником. V_ϒ у кремниевых приборов примерно 0.7V, у германиевых – около 0.3V.

I_{D_MAX} — максимальный ток через диод при прямом включении

При прямом включении полупроводниковый диод способен выдержать ограниченную силу тока I_{D_MAX}. Когда ток через прибор превышает этот предел, диод перегревается. В результате разрушается кристаллическая структура полупроводника, и прибор становится непригодным. Величина данной силы тока сильно колеблется в зависимости от разных типов диодов и их производителей.

I_OP – обратный ток утечки

При обратном включении диод не является абсолютным изолятором и имеет конечное сопротивление, хоть и очень высокое. Это служит причиной образования тока утечки или обратного тока I_OP. Ток утечки у германиевых приборов достигает до 200 µА, у кремниевых до нескольких десятков nА. Самые последние высококачественные кремниевые диоды с предельно низким обратным током имеют этот показатель около 0.5 nA.

PIV(Peak Inverse Voltage) — Напряжение пробоя

При обратном включении диод способен выдерживать ограниченное напряжение – напряжение пробоя PIV. Если внешняя разность потенциалов превышает это значение, диод резко понижает свое сопротивление и превращается в проводник. Такой эффект нежелательный, так как диод должен быть хорошим проводником только при прямом включении. Величина напряжения пробоя колеблется в зависимости от разных типов диодов и их производителей.

Паразитическая емкость PN-перехода

Даже если на диод подать напряжение значительно выше V_ϒ, 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 V_ϒ.

Приближенная модель диода «идеальный диод + V_ϒ + r_D»

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

1.4. Полупроводниковый диод

Полупроводниковый диод – это полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами, в котором используется то или иное свойство электрического перехода. В качестве электрического перехода может использоваться электронно-дырочный переход, контакт металл-полупроводник или гетеропереход.

Область полупроводникового кристалла диода, имеющая более высокую концентрацию примесей (следовательно, и основных носителей заряда), называется эмиттером, а другая, с меньшей концентрацией, – базой. Сторону диода, к которой при прямом включении подключается отрицательный полюс источника питания, часто называют катодом, а другую – анодом.

По назначению диоды делятся на:

1. выпрямительные (силовые), предназначенные для преобразования переменного напряжения источников питания промышленной частоты в постоянное;

2. стабилитроны (опорные диоды), предназначенные для стабилизации напряжений, имеющие на обратной ветви ВАХ участок со слабой зависимостью напряжения от протекающего тока:

3. варикапы, предназначенные для использования в качестве емкости, управляемой электрическим напряжением;

4. импульсные, предназначенные для работы в быстродействующих импульсных схемах;

5. туннельные и обращенные, предназначенные для усиления, генерирования и переключения высокочастотных колебаний;

6. сверхвысокочастотные, предназначенные для преобразования, переключения, генерирования сверхвысокочастотных колебаний;

7. светодиоды, предназначенные для преобразования электрического сигнала в световую энергию;

8. фотодиоды, предназначенные для преобразования световой энергии в электрический сигнал.

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.

1.5. Вольтамперная характеристика диода

Вольтамперная характеристика (ВАХ) диода аналогична вольтамперной характеристике p-n-перехода и имеет две ветви – прямую и обратную.

ВАХ диода представлена на рисунке 5.

Если диод включен в прямом направлении («+» – к области р, а «-» – к областиn), то при достижении порогового напряженияU_пордиод открывается и через него протекает прямой ток. При обратном включении («-» к областир, а «+» – к областиn) через диод протекает незначительный обратный ток, то есть фактически диод закрыт. Следовательно, можно считать, что диод пропускает ток только в одном направлении, что позволяет использовать его в качестве выпрямительного элемента.

Значения прямого и обратного токов отличаются на несколько порядков, а прямое падение напряжения не превышает единиц вольт по сравнению с обратным напряжением, которое может составлять сотни и более вольт. Выпрямительные свойства диодов тем лучше, чем меньше обратный ток при заданном обратном напряжении и чем меньше падение напряжения при заданном прямом токе.

Рисунок 5 – Условно-графическое обозначение (УГО) и вольтамперная характеристика диода при различных температурах

Параметрами ВАХ являются: динамическое (дифференциальное) сопротивление диода переменному току и статическое сопротивление постоянному току.

Статическое сопротивление диода постоянному току в прямом и обратном направлении выражается соотношением:

, (2)

где UиIзадают конкретные точки на ВАХ диода, в которых производится вычисление сопротивления.

Динамическое сопротивление переменному току определяет изменение тока через диод с изменением напряжения вблизи выбранной рабочей точки на характеристике диода:

. (3)

Поскольку типичная ВАХ диода имеет участки с повышенной линейностью (один на прямой ветви, один – на обратной), r_двычисляется как отношение малого приращения напряжения на диоде к малому приращению тока через него при заданном режиме:

. (4)

Чтобы вывести выражение для r_д, удобнее принять в качестве аргумента токI, а напряжение считать его функцией и, логарифмируя уравнение (1), привести его к виду:

. (5)

Тогда:

. (6)

Отсюда следует, что с ростом прямого тока r_дбыстро уменьшается, так как при прямом включении диодаI>>I_S.

На линейном участке ВАХ при прямом включении диода статическое сопротивление всегда больше динамического сопротивления: R_ст>r_д. При обратном включении диодаR_ст<r_д.

Таким образом, электрическое сопротивление диода в прямом направлении намного меньше, чем в обратном. Следовательно, диод обладает односторонней проводимостью и используется для выпрямления переменного тока.

Вольт-амперная характеристика диода

Режим работы диода определяется его вольт-амперной характеристикой. Типовая характеристика диода представлена на рис. 3.

Рис. 3. Типовая вольт – амперная характеристика диода

Характеристику диода (при прямом включении) можно аппроксимировать с помощью экспоненциальной функции: . Здесь обратный ток насыщенияI_s  10^-11А (для кремниевых диодов) и10^-7 А (для германиевых), коэффициент эмиссии n  1…2 и температурное напряжение U_T = kT/q  26 мВ при комнатной температуре. У реальных диодов характеристики отличаются от идеальных за счет наличия омического сопротивления тела полупроводника и выводов, что сказывается на прямой ветви характеристики, и токов утечки из-за загрязнений поверхности кристалла.

При больших обратных напряжениях, начиная с некоторого предела, сопротивление диода резко падает и наступает пробой перехода. Именно этот участок обратной ветви вольт-амперной характеристики, который идет почти параллельно оси токов, используется в качестве рабочего у стабилитронов. При этом характер пробоя может носить как лавинный, так и туннельный характер. Величина напряжения пробоя определяется удельным сопротивлением материала исходного полупроводника и видом механизма пробоя.

Основные параметры диода

• Постоянное прямое напряжение U_пр – постоянное напряжение на диоде при заданном прямом токе.

• Постоянный прямой ток I_пр – постоянный ток, протекающий через диод в прямом направлении.

• Постоянный обратный ток I_обр — постоянный ток, протекающий через диод в обратном направлении при заданном обратном напряжении.

• Средний прямой ток I_пр.ср. – прямой ток, усредненный за период.

• Средний обратный ток I_обр.ср. – обратный ток, усредненный за период.

• Дифференциальное сопротивление диода r_диф – отношение приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока.

• Рабочая частота – частота, при которой обеспечиваются заданные токи, напряжение и мощность.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Стабилитрон (диод Зенера) – полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации напряжения в источниках питания. Условное обозначение стабилитрона приведено на рис. 4. По сравнению с обычными диодами стабилитрон имеет достаточно низкое регламентированное напряжение пробоя (при обратном включении) и может поддерживать это напряжение на постоянном уровне при значительном изменении силы обратного тока.

Рис. 4. Условное обозначение стабилитрона

Материалы, используемые для создания p-n-перехода стабилитронов, имеют высокую концентрацию примесей. Поэтому, при относительно небольших обратных напряжениях в переходе возникает сильное электрическое поле, вызывающее его электрический пробой, в данном случае являющийся обратимым (если не наступает тепловой пробой вследствие слишком большой силы тока).

Типовая статическая вольт-амперная характеристика стабилитрона представлена на рис. 5.

Рис. 5. Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Обратная ветвь характеристики стабилитрона имеет крутой излом, обусловленный резким ростом тока. Этот излом соответствует напряжению стабилизации U_ст. При достижении напряжения стабилизации обратный ток резко возрастает. Эффект стабилизации основан на том, что большое изменение тока вызывает малое изменение напряжения . Стабилизация тем лучше, чем круче идет эта кривая и, соответственно, чем меньше дифференциальное внутреннее сопротивление.

Диапазон рабочих токов стабилитрона снизу ограничен минимальным током стабилизации I_{ст мин}, определяемым началом пробоя, а сверху – максимальным током стабилизации I_{ст макс}, определяемым допустимой мощностью рассеяния прибора.

Вольт-амперная характеристика диода

Режим работы диода определяется его вольт-амперной характеристикой. Типовая характеристика диода представлена на рис. 3.

Рис. 3. Типовая вольт – амперная характеристика диода

Характеристику диода (при прямом включении) можно аппроксимировать с помощью экспоненциальной функции: . Здесь обратный ток насыщенияI_s  10^-11А (для кремниевых диодов) и10^-7 А (для германиевых), коэффициент эмиссии n  1…2 и температурное напряжение U_T = kT/q  26 мВ при комнатной температуре. У реальных диодов характеристики отличаются от идеальных за счет наличия омического сопротивления тела полупроводника и выводов, что сказывается на прямой ветви характеристики, и токов утечки из-за загрязнений поверхности кристалла.

При больших обратных напряжениях, начиная с некоторого предела, сопротивление диода резко падает и наступает пробой перехода. Именно этот участок обратной ветви вольт-амперной характеристики, который идет почти параллельно оси токов, используется в качестве рабочего у стабилитронов. При этом характер пробоя может носить как лавинный, так и туннельный характер. Величина напряжения пробоя определяется удельным сопротивлением материала исходного полупроводника и видом механизма пробоя.

Основные параметры диода

• Постоянное прямое напряжение U_пр – постоянное напряжение на диоде при заданном прямом токе.

• Постоянный прямой ток I_пр – постоянный ток, протекающий через диод в прямом направлении.

• Постоянный обратный ток I_обр — постоянный ток, протекающий через диод в обратном направлении при заданном обратном напряжении.

• Средний прямой ток I_пр.ср. – прямой ток, усредненный за период.

• Средний обратный ток I_обр.ср. – обратный ток, усредненный за период.

• Дифференциальное сопротивление диода r_диф – отношение приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока.

• Рабочая частота – частота, при которой обеспечиваются заданные токи, напряжение и мощность.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Стабилитрон (диод Зенера) – полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации напряжения в источниках питания. Условное обозначение стабилитрона приведено на рис. 4. По сравнению с обычными диодами стабилитрон имеет достаточно низкое регламентированное напряжение пробоя (при обратном включении) и может поддерживать это напряжение на постоянном уровне при значительном изменении силы обратного тока.

Рис. 4. Условное обозначение стабилитрона

Материалы, используемые для создания p-n-перехода стабилитронов, имеют высокую концентрацию примесей. Поэтому, при относительно небольших обратных напряжениях в переходе возникает сильное электрическое поле, вызывающее его электрический пробой, в данном случае являющийся обратимым (если не наступает тепловой пробой вследствие слишком большой силы тока).

Типовая статическая вольт-амперная характеристика стабилитрона представлена на рис. 5.

Рис. 5. Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Обратная ветвь характеристики стабилитрона имеет крутой излом, обусловленный резким ростом тока. Этот излом соответствует напряжению стабилизации U_ст. При достижении напряжения стабилизации обратный ток резко возрастает. Эффект стабилизации основан на том, что большое изменение тока вызывает малое изменение напряжения. Стабилизация тем лучше, чем круче идет эта кривая и, соответственно, чем меньше дифференциальное внутреннее сопротивление.

Диапазон рабочих токов стабилитрона снизу ограничен минимальным током стабилизации I_{ст мин}, определяемым началом пробоя, а сверху – максимальным током стабилизации I_{ст макс}, определяемым допустимой мощностью рассеяния прибора.

Электровакуумный диод — Википедия

several vacuum rectifier valves (WI1 5/20, PY88, EY51)

Электровакуумный диод — вакуумная двухэлектродная электронная лампа. Катод диода нагревается до температур, при которых возникает термоэлектронная эмиссия. При подаче на анод отрицательного относительно катода напряжения все эмитированные катодом электроны возвращаются на катод, при подаче на анод положительного напряжения часть эмитированных электронов устремляется к аноду, формируя его ток. Таким образом, диод выпрямляет приложенное к нему напряжение. Это свойство диода используется для выпрямления переменного тока и детектирования сигналов высокой частоты. Практический частотный диапазон традиционного вакуумного диода ограничен частотами до 500 МГц. Дисковые диоды, интегрированные в волноводы, способны детектировать частоты до 10 ГГц^[1].

Обозначение на схемах диода с катодом непрямого накала.

Электровакуумный диод представляет собой сосуд (баллон), в котором создан высокий вакуум. В баллоне размещены два электрода — катод и анод. Катод прямого накала представляет собой прямую или W-образную нить, разогреваемую током накала. Катод косвенного накала — длинный цилиндр или короб, внутри которых уложена электрически изолированная спираль подогревателя. Как правило, катод вложен внутрь цилиндрического или коробчатого анода, который в силовых диодах может иметь рёбра или «крылышки» для отвода тепла. Выводы катода, анода и подогревателя (в лампах косвенного накала) соединены с внешними выводами (ножками лампы).

При разогреве катода электроны начнут покидать его поверхность за счёт термоэлектронной эмиссии. По мере того как электроны покидают поверхность катода и накапливаются в его атмосфере, возникает область отрицательного заряда. При этом в такой же пропорции поверхность начинает заряжаться положительно. В итоге каждому следующему электрону для отрыва из атома потребуется больше энергии, а сами электроны будут удерживаться положительно заряженной поверхностью в некоторой ограниченной по объему области над катодом. В результате вокруг катода образуется своего рода облако электронов. Часть электронов с наименьшими скоростями из облака падает обратно на катод. При заданной температуре катода облако стабилизируется: на катод падает столько же электронов, сколько из него вылетает.

Уже при нулевом напряжении анода относительно катода (например, при коротком замыкании анода на катод) в лампе течёт ток электронов из катода в анод: относительно быстрые электроны преодолевают потенциальную яму пространственного заряда и притягиваются к аноду. Отсечка тока наступает только тогда, когда на анод подано запирающее отрицательное напряжение порядка −1 В и ниже. При подаче на анод положительного напряжения в диоде возникает ускоряющее поле, ток анода возрастает. При достижении током анода значений, близких к пределу эмиссии катода, рост тока замедляется, а затем стабилизируется (насыщается).

Участки вольт-амперной характеристики диода

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) электровакуумного диода имеет 3 характерных участка:

1. Нелинейный участок. На начальном участке ВАХ ток медленно возрастает при увеличении напряжения на аноде, что объясняется противодействием полю анода объёмного отрицательного заряда электронного облака. По сравнению с током насыщения, анодный ток при Ua=0{\displaystyle U_{a}=0} очень мал (и не показан на схеме). Его зависимость от напряжения растет экспоненциально, что обуславливается разбросом начальных скоростей электронов. Для полного прекращения анодного тока необходимо приложить некоторое анодное напряжение меньше нуля, называемое запирающим.

2. Участок закона степени трёх вторых. Зависимость анодного тока от напряжения описывается законом степени трёх вторых:

j=g⋅Ua3/2,{\displaystyle j=g\cdot U_{a}^{3/2},}

где g — постоянная, зависящая от конфигурации и размеров электродов (первеанс). В простейшей модели первеанс не зависит от состава и температуры катода, в действительности растёт с ростом температуры из-за неравномерного нагрева катода.

3. Участок насыщения. При дальнейшем увеличении напряжения на аноде рост тока замедляется, а затем полностью прекращается, так как все электроны, вылетающие из катода, достигают анода. Дальнейшее увеличение анодного тока при данной величине накала невозможно, поскольку для этого нужны дополнительные электроны, а их взять негде, так как вся эмиссия катода исчерпана. Установившейся анодный ток называется током насыщения. Этот участок описывается законом Ричардсона-Дешмана:

j=AT2exp⁡(−eφkT),{\displaystyle j=AT^{2}\exp \left(-{e\varphi \over kT}\right),}

где A=4πmek2h4=120Acm2K2{\displaystyle A={4\pi mek^{2} \over h^{3}}=120{{\text{A}} \over {{\text{cm}}^{2}{\text{K}}^{2}}}} — универсальная термоэлектронная постоянная Зоммерфельда.

ВАХ анода зависит от напряжения накала — чем больше накал, тем больше крутизна ВАХ и тем больше ток насыщения. Чрезмерное увеличение напряжения накала приводит к уменьшению срока службы лампы.

К основным параметрам электровакуумного диода относятся:

• Крутизна ВАХ: S=dIadUa{\displaystyle S={dI_{a} \over dU_{a}}} — изменение анодного тока в мА на 1 В изменения напряжения.
• Дифференциальное сопротивление: Ri=1S{\displaystyle R_{i}={1 \over S}}
• Ток насыщения.
• Запирающее напряжение — отрицательное напряжение на аноде относительно катода, необходимое для прекращения тока в диоде.
• Максимально допустимое обратное напряжение. При некотором напряжении, приложенном , происходит пробой диода — проскакивает искра между катодом и анодом, что сопровождается резким возрастанием силы тока.
• Максимально допустимая рассеиваемая мощность.

Крутизна и внутреннее сопротивление являются функциями от анодного напряжения и температуры катода.

Если температура катода постоянна, то в пределах участка «трех вторых» крутизна равна первой производной от функции «трех-вторых».

Электровакуумные диоды маркируются по такому принципу, как и остальные лампы:

1. Первое число обозначает напряжение накала, округлённое до целого.
2. Второй символ обозначает тип электровакуумного прибора. Для диодов:
   • Д — одинарный диод.
   • Ц — кенотрон (выпрямительный диод)
   • X — двойной диод, то есть содержащий два диода в одном корпусе с общим накалом.
     • МХ — механотрон-двойной диод
     • МУХ — механотрон-двойной диод для измерения углов
3. Следующее число — это порядковый номер разработки прибора.
4. И последний символ — конструктивное выполнение прибора:
   • С — стеклянный баллон диаметром более 24 мм без цоколя либо с октальным (восьмиштырьковым) пластмассовым цоколем с ключом.
   • П — пальчиковые лампы (стеклянный баллон диаметром 19 или 22,5 мм с жёсткими штыревыми выводами без цоколя).
   • Б — миниатюрная серия с гибкими выводами и с диаметром корпуса менее 10 мм.
   • А — миниатюрная серия с гибкими выводами и с диаметром корпуса менее 6 мм.
   • К — серия ламп в керамическом корпусе.

Если четвертый элемент отсутствует, то это говорит о присутствии металлического корпуса!

Сравнение с полупроводниковыми диодами[править | править код]

По сравнению с полупроводниковыми диодами в электровакуумных диодах отсутствует обратный ток, и они выдерживают более высокие напряжения. Стойки к ионизирующим излучениям. Однако они обладают гораздо большими размерами и меньшим КПД.

1. ↑ Батушев, В. А. Электронные приборы. — М.: Высшая школа, 1969. — С. 52. — 608 с. — 90,000 экз.

1. Клейнер Э. Ю. Основы теории электронных ламп. — М., 1974.
2. Электронные приборы: Учебник для вузов/В. Н. Дулин, Н. А. Аваев, В. П. Демин и др.; Под ред. Г. Г. Шишкина. — М.: Энергоатомиздат, 1989. — 496 с.
3. Физический энциклопедический словарь. Том 5, М. 1966, «Советская энциклопедия»