3. Полупроводниковый диод. Температурная зависимость

  Зависимость параметров полупроводникового (ПП) диода довольно ощутима, поскольку материал из которого он сделан довольно охотно увеличивает количество свободных носителей заряда под действием светового потока, температуры, рентгеновского излучения и т. д. А это, в первую очередь, влияет на электрическую проводимость этого самого материала. Если взять два различных полупроводника, допустим германий (Ge) и кремний (Si), то при одинаковом повышении их температуры, проводимость германия будет увеличиваться существенно больше, чем у кремния. С чем это связано. Существует такой параметр, как ШИРИНА ЗАПРЕЩЕННОЙ ЗОНЫ, измеряется в электрон-вольтах (эВ). Он показывает, какое количество энергии нужно придать носителям заряда, чтобы они перешли из валентной зоны, в зону проводимости. В валентной зоне, носитель заряда не может участвовать в протекании эл. тока, поскольку он «связан» с ядром атома, но когда мы извне придаем ему энергию, допустим в виде тепла, он отрывается от атома и блуждает в кристаллической решетке материала. Так появляется свободный носитель заряда. У германия, ширина запрещенной зоны меньше, чем у кремния (0,7 эВ против 1,1 эВ), то есть носителям заряда в валентной зоне германия нужно придать меньше энергии для высвобождения. Вот почему при одинаковой высокой температуре, германий будет лучше проводить ток.

  Зависимость напряжения отпирания диода от температуры

  Что характерно для ПП диода, его напряжение отпирания практически линейно зависит от температуры в диапазоне от -55…+125ºC, убывая с ростом температуры приблизительно на 1,7 мВ на каждый градус (на практике). При этом, вольт-амперная характеристика имеет такой вид:

  При увеличении температуры, вольт-амперная характеристика смещается левее по графику, причем, форма кривой практически не изменяется. Давайте убедимся в вышесказанном, с помощью симулятора эл. цепей. Для этого, подключим к диоду источник тока, пропустив через него ток величиной 1 Ампер, подключив к нему вольтметр для мониторинга его напряжения отпирания при заданном токе и температуре диода, равного 27°С:

  Как видно из рисунка, для данного диода величина порога отпирания составляет 681 мВ при заданном токе и температуре. Давайте поднимем температуру до 127°С и посмотрим что получится:

  Напряжение отпирания снизилось до 508,4 мВ. То есть оно изменилось на 172,6 мВ (681-508,4). Поскольку, как было сказано выше, температурная зависимость практически линейна, можем узнать изменение напряжения на один градус: 172,6/100=1,726 (мВ). Выше было описано, что напряжение отпирания убывает с ростом температуры приблизительно на 1,7 мВ. Как видите, данные практически совпадают.

  Зависимость  тока диода в обратном включении от температуры

  Поскольку количество свободных носителей заряда с ростом температуры в диоде увеличивается, естественно, ток в обратном включении также будет повышаться. Давайте сразу перейдем к эксперименту. Подключим этот же диод в обратном включении к источнику напряжения величиной 12 Вольт последовательно с амперметром, и зададим температуру диода 27°C:

  Ток относительно мал и составляет 0,156 микроампер. Теперь увеличим температуру на 100°C, что при этом изменилось:

 Величина тока значительно возросла и теперь составляет 154,4 микроампер (практически в 1000 раз!). Но все же, обратный ток такой величины довольно мал относительно прямых токов, где их величина составляет единицы и десятки ампер, так что это не особо повлияет на работоспособность электрических схем с участием диодов, кроме редких случаев.

Влияние температуры на ВАХ диода — Студопедия

температура окружающей среды оказывает существенное влияние на вольт-амперную характеристику диода. С изменением температуры несколько меняется ход как прямой, так и обратной ветви ВАХ.

При увеличении температуры возрастает концентрация неосновных носителей в кристалле полупроводника. Это приводит к росту обратного тока перехода (за счет увеличения тока двух его составляющих: I

о и I_тг), а также уменьшению обьемного сопротивления области базы. При увеличении температуры обратный ток насыщения увеличивается примерно в 2 раза у германиевых и в 2,5 раза у кремниевых диодов на каждые 10 °С. Зависимость обратного тока от температуры аппроксимируется выражением

I₀(Т)=I_(То)2^{(Т-То)/Т*},

где: I_(Т0)-ток измерен при температуре Т0; Т – текущая температура; Т* — температура удвоения обратного тока — (5-6)⁰С – для Ge и (9-10)⁰

С – для Si.

Максимально допустимое увеличение обратного тока диода определяет максимально допустимую температуру диода, которая составляет 80— 100 °С для германиевых диодов и 150 — 200 °С для кремниевых..

Ток утечки слабо зависят от температуры, но может существенно изменяться во времени. Поэтому он, в основном, определяет временную нестабильность обратной ветви ВАХ.

Прямая ветвь ВАХ при увеличении температуры сдвигается влево и становится более крутой (рис.2.2). Это объясняется ростом I_обр (рис.2.2) и уменьшением r_б, Последнее, уменьшает падение напряжения на базе, а напряжение непосредственно на переходе растет при неизменном напряжении на внешних выводах.

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

т=DU/DT, показывающий, как изменится прямое напряжение на диоде с изменением температуры на 1⁰С при фиксированном прямом токе. В диапазоне температур от -60 до +60″С a_т @-2,3 мВ/°С.

Выпрямительные диоды

Выпрямительные диоды – предназначены для выпрямления низкочастотного переменного тока и обычно используются в источниках питания. Под выпрямлением понимают преобразование двухполярного тока в однополярный. Для выпрямления используется основное свойство диоды – их одностороняя проводимость.

В качествевыпрямительных

диодов в источниках питания для выпрямления больших токов используют плоскостные диоды, которые имеют большую площадь контакта р и п областей. Такие диоды обладают большой барьерная емкостью, емкостное сопротивление Xc=1/(ωC) с ростом частоты становится мало и закорачивает (шунтирует) сопротивление перехода г_pn, в результате чего выпрямления не выполняется, но это не существенно, т.к. такие диоды используют в низкочастотных схемах. Кроме того такие диоды имеет большую величину обратного тока.

Основные параметры выпрямительных диодов даются применительно к их работе в однополупериодном выпрямителе с активной нагрузкой (без конденсатора, сглаживающего пульсации).

Среднее прямое напряжение U_пр.._ср — среднее за период прямое напряжение на диоде при протекании через него максимально допустимого выпрямленного тока.

Средний обратный ток I_{обр. ср} — средний за период обратный ток, измеряемый при максимальном обратном напряжении.

Максимально допустимое обратное напряжение U_{обр. mах} (U_{обр. и mах}) — наибольшее постоянное (или импульсное) обратное напряжение, при котором диод может длительно и надежно работать.

Максимально допустимый выпрямленный ток I_{вп. ср}

m_аах— средний за период ток через диод (постоянная составляющая), при котором обеспечивается его надежная длительная работа.

Максимальная частота f_мах — наибольшая частота подводимого напряжения, при которой выпрямитель на данном диоде работает достаточно эффективно, а нагрев диода не превышает допустимой величины.

Средняя рассеиваемая мощность диода Р_срД – средняя за период мощность рассеиваемая диодом при протекании тока в прямом и обратном направлении.

Превышение максимально допустимых величин ведет к резкому сокращению срока службы или пробою диода.

Улучшая условия охлаждения (вентиляцией, применением радиаторов), можно увеличить отводимую мощность и избежать теплового пробоя. Применение радиаторов позволяет также увеличить прямой ток.

Промышленностью выпускаются кремниевые выпрямительные диоды на токи до сотен ампер и обратные напряжения до тысяч вольт. Если необходимо работать при обратных напряжениях, превышающих допустимые Uобр для одного диода, то диоды соединяют последовательно. Для увеличения выпрямленного тока можно применяться параллельное включение диодов.

1)

Однополупериодный выпрямитель (рис.2.6). Трансформатор предназначен для понижения амплитуды переменного напряжения. Диод служит для выпрямления переменного тока. Временные диаграммы, поясняющие процесс работы однополупериодного выпрямителя представлены на рис.2.7. 

2) Двухполупериодный выпрямитель. Предыдущая схема имеет существенный недостаток. Он состоит в том, что не используется часть энергии первичного источника питания (отрицательный полупериод). Недостаток устраняется в схеме двухполупериодного выпрямителя.

В первый положительный (+) полупериод, ток протекает так : +, VD3, , VD2, — . Во второй – отрицательный (-) так: +, VD4, , VD1,- . В обоих случаях он через нагрузку протекает в одном направлении ↓- сверху вниз, т.е. происходит выпрямление тока.

2.5 Импульсные диоды

Импульсные диоды

– это диоды, которые предназначены для работы в ключевом режиме в импульсных схемах. Диоды в таких схемах выполняют роль электрических ключей. Электрический ключ имеет два состояния:

1. Замкнутое, когда его сопротивление равно нулю R_vd =0.

2. Разомкнутое, когда его сопротивление бесконечно R_vd=∞.

Этим требованиям удовлетворяют диоды в зависимости от полярности приложенного напряжения. Они имеют малое сопротивление при смещениях в прямом направлении, и большое сопротивление при смещениях в обратном направлении

3. Важным параметром переключающих диодов является их быстродействие переключения. Факторами, ограничивающими скорость переключения диода, является:

а) ёмкость диода.

б) скорость диффузии и связанные с ней время накопления и рассасывания неосновных носителей заряда.

В импульсных диодах высокая скорость переключения достигается уменьшением площади p-n-перехода, что снижает величину ёмкости диода. Однако, это уменьшает величину максимального прямого тока диода (I_{прям.max.}). Импульсные диоды характеризуются теми же параметрами, что и выпрямительные, но имеют так же и специфические, связанные с быстродействием переключения. К ним относятся:

1) Время установления прямого напряжения на диоде (t_уст ):

t_уст. – время, за которое напряжение на диоде при включении прямого тока достигает своего стационарного значения с заданной точностью. Это время связанно со скоростью диффузии состоит в уменьшением сопротивления области базы за счёт накопления в ней неосновных носителей заряда инжектируемых эмиттером. Первоначально оно высоко, т.к. мала концентрация

носителей заряда. После подачи прямого напряжения концентрация неосновных носителей заряда в базе увеличивается, это снижает прямое сопротивление диода.

2) Время восстановления обратного сопротивления диода (t_восст.): определяется как время, в течение которого обратный ток диода после переключения полярности приложенного напряжения с прямого на обратное достигает своего стационарного значения с заданной точностью. Это время связано с рассасыванием из базы неосновных носителей заряда накопленных при протекании прямого тока.

t_восст. – время, за которое обратный ток через диод при его переключении достигает своего стационарного значения, с заданной точностью I₀, обычно 10% от максимального обратного тока.

t_восст.= t_1.+ t_2.

t_1. – время рассасывания, за которое концентрация неосновных носителей заряда на границе р-п-перехода обращается в ноль.

t_2. – время разряда диффузионной емкости, связанное рассасыванием неосновных зарядов в объме базы диода.

В целом время восстановление это время выключения диода, как ключа.

Диоды Шотки.

Электрический переход, возникающий на границе металл – полупроводник, при определенных условиях обладает выпрямительными свойствами. Он создаётся путём напыления металла на высокоомный полупроводник, например, n-типа. Прибор на основе такого перехода называется диодом Шотки. Главная особенность этого диода – это отсутствие неосновных носителей заряда в процессе его работы. Прямой ток обусловлен электронами, движущимися из кремния в металл. Следовательно, практически отсутствуют процессы их накопления и рассасывания, а потому диоды Шоттки имеют высокое быстродействие переключения.

Другой особенностью этих диодов является малое (по сравнению с обычными кремниевыми диодами) прямое напряжение, составляющее около 0,15В. Это связано с тем, что тепловой ток примерно на три порядка превышает ток р-n- перехода.

В импульсных схемах диоды Шоттки широко используются в комбинации с транзисторами. Такие транзисторы называются транзисторами Шотки – они имеют высокое быстродействие переключения.

Зависимость — обратный ток — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Зависимость — обратный ток

Cтраница 1

Зависимость обратного тока от различных факторов ( ток нагрузки, скорость спадания) качественно аналогична зависимости для диодов. Процесс выключения тиристора для различных типов вентилей и условий работы занимает от единиц до сотен микросекунд.  [1]

Зависимость обратного тока через диод от времени irr ( t) также получается из решения нестационарного уравнения непрерывности. Таким образом, при принудительном переключении диода, в отличие от рассмотренного выше случая спада прямого тока до нуля, избыточный заряд дырок в n — базе исчезает как за счет рекомбинации, так и благодаря его уходу через обратносмещенный р — л переход.  [2]

Зависимость температурного коэф — Зависимость обратного тока от фициента емкости от температуры.  [3]

Уточненная модель генерационно-рекомбинационных процессов позволяет объяснить зависимость обратных токов некоторых диодов от напряжения. Эти диоды были изготовлены из высо-коомного германия с небольшой добавкой золота, которое создает в германии центры рекомбинации и позволяет резко уменьшить время жизни носителей зарядов, что необходим для создания быстродействующих приборов.  [4]

При изучении обратной ветви вольт-амперной характеристики у диодов была обнаружена зависимость обратного тока от длительности прикладываемого импульса напряжения. Вначале за 10 — 30 мс ток резко падает, затем постепенно нарастает.  [5]

Нижняя кривая соответствует разомкнутому положению ключа в цепи эмиттера и показывает зависимость обратного тока коллектора от напряжения на коллекторном переходе.  [6]

Значения этих напряжений могут быть установлены подбором параметров делителя RJR2 — Вследствие зависимости обратных токов от температуры схема чувствительна к изменениям температуры. Компенсация температурных воздействий может быть осуществлена выполнением делителя Ri / Rz из температурнозависимых сопротивлений, например, с использованием полупроводниковых термосопротивлений с отрицательным температурным коэффициентом.  [7]

Теоретические вопросы, связанные с работой ртутных выпрямителей, это — вопросы о зависимости обратных токов с анода в его нерабочий период и напряжения обратного зажигания от различных условий, в том числе от материала анодов, вопросы теплового баланса различных частей выпрямителя и вопрос о разрыве дуги при больших токах.  [8]

Для маломощных триодов при небольших значениях напряжения на коллекторном переходе имеет место эйсакшен циалшая зависимость обратного тока от температуры: ток / к.  [10]

Подобная схема компенсации позволяет до известной степени компенсировать и температурный дрейф, вызванный зависимостью тока утечки затвора от температуры, так как зависимость обратного тока от температуры для ряда кремниевых диодов аналогична дрейфу тока утечки затвора.  [11]

Основные свойства селенового элемента определяются его вольтамперной характеристикой, представляющей для прямого направления зависимость падения напряжения на элементе от величины прямого тока, для обратного направления — зависимость обратного тока через элемент от приложенного к элементу обратного напряжения.  [12]

Исследование температурной зависимости обратного тока коллектора триода, включенного по схеме со свободной базой ( рис. 8 — 1 в), показывает, что его температурная характеристика подобно температурной характеристике диода описывается выражением ( 1 — 1), если рас — мка сматривается зависимость начального статического сопротивления от температуры, или выражением ( 6 — 11), если надо еооа-описать зависимость обратного тока от температуры. Об — soon — ратный ток коллектора в схеме со свободной базой значительно больше обратного тока коллектора в схеме со свободным эмиттером, измеренным при той же температуре.  [13]

При повышении температуры увеличивается тепловая энергия носителей, возникает генерация — образование свободных электронов и дырок, что ведет к появлению дополнительных основных и неосновных носителей. Зависимость обратного тока от температуры сильнее — сказывается на более высокоомном материале. Изменение-температуры гораздо слабее ощущается на прямой ветви.  [14]

Страницы:      1    2    3

14. Влияние температуры на вах диода

температура окружающей среды оказывает существенное влияние на вольт-амперную характеристику диода. С изменением температуры несколько меняется ход как прямой, так и обратной ветви ВАХ.

При увеличении температуры возрастает концентрация неосновных носителей в кристалле полупроводника. Это приводит к росту обратного тока перехода (за счет увеличения тока двух его составляющих: I_о и I_тг), а также уменьшению обьемного сопротивления области базы. При увеличении температуры обратный ток насыщения увеличивается примерно в 2 раза у германиевых и в 2,5 раза у кремниевых диодов на каждые 10 °С. Зависимость обратного тока от температуры аппроксимируется выражением

I₀(Т)=I_(То)2^{(Т-То)/Т*},

где: I_(Т0)-ток измерен при температуре Т0; Т – текущая температура; Т* — температура удвоения обратного тока — (5-6)⁰С – для Ge и (9-10)⁰С – для Si.

Максимально допустимое увеличение обратного тока диода определяет максимально допустимую температуру диода, которая составляет 80— 100 °С для германиевых диодов и 150 — 200 °С для кремниевых..

Ток утечки слабо зависят от температуры, но может существенно изменяться во времени. Поэтому он, в основном, определяет временную нестабильность обратной ветви ВАХ.

Прямая ветвь ВАХ при увеличении температуры сдвигается влево и становится более крутой (рис.2.2). Это объясняется ростом I_обр (рис.2.2) и уменьшением r_б, Последнее, уменьшает падение напряжения на базе, а напряжение непосредственно на переходе растет при неизменном напряжении на внешних выводах.

Для оценки температурной нестабильности прямой ветви вводится температурный коэффициент напряжения (ТКН) _т=U/T, показывающий, как изменится прямое напряжение на диоде с изменением температуры на 1⁰С при фиксированном прямом токе. В диапазоне температур от -60 до +60″С _т -2,3 мВ/°С.

15.Выпрямительные диоды

Выпрямительные диоды – предназначены для выпрямления низкочастотного переменного тока и обычно используются в источниках питания. Для выпрямления используется основное свойство диоды – их одностороняя проводимость. В качестве выпрямительных диодов используют плоскостные диоды, которые имеют большую площадь контакта р и п областей.

Среднее прямое напряжение U_пр.._ср — среднее за период прямое напряжение на диоде при протекании через него максимально допустимого выпрямленного тока.

Средний обратный ток I_{обр. ср} — средний за период обратный ток, измеряемый при максимальном обратном напряжении.Макс доп обратное напряжение U_{обр. mах} (U_{обр. и mах}) — наибольшее постоянное обратное напряжение, при котором диод может длительно и надежно работать.Макс доп выпрямленный ток I_{вп. ср mаах}— средний за период ток через диод. Максимальная частота f_мах — наибольшая частота подводимого напряжения, при которой выпрямитель на данном диоде работает достаточно эффективно. Средняя рассеиваемая мощность диода Р_срД – средняя за период мощность рассеиваемая диодом при протекании тока в прямом и обратном направлении.

Д ля увеличения выпрямленного тока можно применяться параллельное включение диодов. Однополупериодный выпрямитель (рис.2.6). Трансформатор предназначен для понижения амплитуды переменного напряжения. Временные диаграммы, поясняющие процесс работы однополупериодного выпрямителя представлены на рис. 2.7.

Температура — диод — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Температура — диод

Cтраница 1

Температура диода в силу тепловой инерции может меняться только непрерывно.  [1]

При увеличении температуры диода уменьшается высота потенциального барьера ( см. § 2.1) и изменяется распределение носителей заряда по энергиям — электроны, например, занимают более высокие энергетические уровни в зоне проводимости.  [3]

На ВАХ влияет температура диода. С увеличением температурь существенно возрастает обратный ток, а прямой ток изменяется незначительно. При приложении к диоду переменного напряжения проявляется емкость р-п перехода. Различают барьерную и диффузионную емкости.  [5]

Действительно, отклонение температуры диода от Граб в сторону снижения приводит к тому, что выделяемая в диоде мощность станет больше отводимой ( кривая Рвыд выше Ротв), следовательно, температура диода будет расти. Наоборот, не очень большое отклонение температуры вверх приводит к тому, что выделяемая мощность станет меньше отводимой и диод будет охлаждаться.  [7]

Пробивное напряжение зависит от температуры диода. Характер этой зависимости определяется параметрами полупроводникового материала, из которого изготовлен диод, и его конструкцией. Однако для большинства диодов с увеличением температуры пробой наступает при меньших напряжениях. Причем для высоковольтных диодов эта зависимость проявляется сильнее.  [9]

Спад яркости свечения возрастает с увеличением температуры диода, причем степень спада пропорциональна полному заряду, прошедшему через диод. Время полуспада экспоненциально зависит от температуры; энергия активации процесса старения, полученная из такой зависимости, заметно уменьшается в присутствии ионов меди.  [11]

Недостатком полупроводниковых выпрямителей является зависимость выпрямленного тока и напряжения пробоя от температуры диодов.  [13]

Необходимо иметь в виду, что время зависит от скорости спада тока di Jdt, температуры диода и в меньшей степени от уровня прямого тока диода ID. С ростом л / dt ( по абсолютной величине) оно падает, а при увеличении температуры — растет.  [14]

Величина выпрямленного тока в значительной степени зависит от условий охлаждения диода и должна выбираться такой, чтобы температура диода не превышала указанных пределов.  [15]

Страницы:      1    2    3

Температурная зависимость обратного тока полупроводникового диода

Соотношение (50), описывающее ВАХ идеального p-n перехода называют формулой Шокли. При приложении к p-n переходу положительного напряжения  наклон ВАХ в полулогарифмическом масштабе  постоянен. При T=300 К для увеличения плотности тока в 10 раз требуется увеличить напряжение на p-n переходе на ≈59.2 мВ ( ). При приложении же к p-n переходу отрицательного напряжения  плотность обратного тока J_R через него становится постоянной и равной по модулю плотности тока насыщения J_R=-J_S (рис.3).

Рассмотрим теперь влияние температуры на плотность обратного тока идеального p-n перехода, то есть тока насыщения. Для простоты ограничимся рассмотрением асимметричного p⁺-n перехода, (N_A>>N_D). При этом

,                               (52)

где  — эффективные плотности состояний соответственно в зоне проводимости и в валентной зоне.

Учитывая, что ~ , выделим зависящую от температуры часть плотности тока насыщения

,                                                  (53)

где C=const.

Степенной член  по сравнению с экспоненциальным членом  слабо зависит от температуры. При обратном смещении, когда , модуль обратного тока  будет увеличиваться с температурой примерно по экспоненте.

Прологарифмировав обе части уравнения (53) получим линейную зависимость логарифма плотности обратного тока от обратной температуры.

.        (54)

Наклон зависимости  будет определяться шириной запрещенной зоны E_g.

Из уравнения (54) можно получить ширину запрещенной зоны полупроводника в Дж:

.              (55)

Сплошная кривая 1 (Ge) на рис.4 представляет собой зависимость  в координатах Аррениуса ,  для идеального p-n перехода в германии (I_S0 – плотность тока насыщения при температуре 25 °C).

Рассмотрим теперь ток термогенерации при обратном смещении p-n перехода. Так как при обратном смещении будут уменьшаться концентрации носителей заряда в обедненном слое (pn<<n_i²), то скорость термогенерации электронно-дырочных пар согласно теории Шокли-Рида-Холла при условиях p<n_i и n<n_i составит

,                                     (56)

где E_i – энергия середины запрещенной зоны полупроводника, E_t – энергия уровня генерации-рекомбинации, σ_n – сечение захвата электрона, σ_p – сечение захвата дырки, v_Th – тепловая скорость носителей заряда, N_t – плотность центров генерации-рекомбинации, τ_g – эффективное время жизни.

Плотность тока термогенерации электронно-дырочных пар в области пространственного заряда полупроводникового диода будет равна.

,                                           (57)

где W – толщина слоя ОПЗ.

Полный обратный ток в асимметричном p⁺-n переходе (при p_n0>>n_p0 и ) приближенно можно представить суммой диффузионного тока в нейтральной области и тока термогенерации в ОПЗ.

.                                                 (58)

При неизменной температуре плотность тока J_TG пропорциональна толщине ОПЗ W, которая зависит от приложенного к p⁺-n переходу обратного напряжения U_R. Для резкого p⁺-n перехода плотность тока термогенерации пропорциональна корню квадратному из суммы контактной разности потенциалов и обратного напряжения.

.             (59)

В полупроводниках с большим значением собственной концентрации, например, в германии, при комнатной температуре преобладает диффузионный ток, и обратный ток p-n перехода подчиняется уравнению Шокли (рис.3 и рис.5, пунктирная кривая).

При малом значении собственной концентрации n_i, например, в кремнии, может преобладать ток термогенерации (рис.6, сплошная кривая).

Для p-n переходов в полупроводниках с достаточно широкой запрещенной зоной (например, в кремнии), если эффективное время жизни τ_g не зависит или слабо зависит от температуры, то в уравнении (58) можно пренебречь первым членом, и плотность обратного тока такого p⁺-n перехода будет пропорциональна собственной концентрации носителей n_i.

~ .               (60)

То есть при обратном смещении , когда  модуль плотности обратного тока  будет увеличиваться с температурой примерно по экспоненте.

Поэтому наклон зависимости  будет определяться половиной ширины запрещенной зоны .

~ .                                           (61)

Прологарифмировав обе части уравнения (61) получим линейную зависимость логарифма удельной электропроводности от обратной температуры.

,                                           (62)

Из уравнения (62) можно получить ширину запрещенной зоны полупроводника в Дж:

.                                               (63)

Пунктирная кривая на рис.4 представляет собой зависимость  в координатах Аррениуса ,  для p+-n перехода в кремнии (I_R0 – плотность обратного тока при температуре 25 °C).

Учет температурной зависимости ширины запрещенной зоны

Величина ширины запрещенной зоны, вычисленная по формуле (55) или (63), даёт истинное значение Е_g, лишь в случае, когда Е_g не зависит от температуры. В действительности ширина запрещенной зоны зависит от температуры. Эта зависимость определяется рядом причин, обусловленных статическими и динамическими факторами. К уменьшению ширины запрещенной зоны может приводить рост амплитуды тепловых колебаний атомов кристаллической решетки и увеличение расстояний между атомами при термическом расширении кристалла. Строго учесть эти факторы невозможно, поэтому зависимость ширины запрещенной зоны от температуры E_g(T) находят эмпирически.

,                                                  (64)

где E_g(0) – ширина запрещенной зоны полупроводника при температуре абсолютного нуля, α и β – постоянные.

Для линейного участка при температурах от 280 K до 400 K эту зависимость Е_g(Т)можно представить в линейной функции температуры

,                                                           (65)

 

где Е_g0 — ширина запрещенной зоны, полученная экстраполяцией линейной зависимости к абсолютному нулю; g — температурный коэффициент.

Величины Е_g(0 K), α, β, Е_g(З00 K), Е_g0 и g для кремния и германия приведены в таблице 1.

Таблица 1

Полупроводник	Еg(0), эВ	α∙104, эВ∙K-1	β, K	Еg(300 K), эВ	Еg0, эВ	g , эВ∙град-1
Ge	0.743	4.774	235	0.67	0.785	4.06∙10-4
Si	1.170	4.730	636	1.12	1.209	2.81∙10-4

Графики эмпирических зависимостей E_g(T) и экстраполирующих прямых (линейных линий тренда) в диапазоне температур от 280 K до 400 K представлены на рис.6. На этом же рисунке приведены данные линий тренда и коэффициенты корреляции, показывающие, что совпадение линий тренда с эмпирическими данными достаточно хорошее (R²≥0.99).

Для германиевого p-n перехода подставим зависимость (65) в выражение (55) и получим

.                                         (66)

В координатах Аррениуса ,  это выражение представляет собой прямую линию (рис.4, сплошная кривая). Ширина запрещенной зоны, определенная по представленной на рис.4 сплошной кривой составляет ≈0.66 эВ, что соответствует ширине запрещенной зоны германия при температуре 300 K.

Ширина запрещённой зоны определяется из значений производной функции ln(I_R) по .

.             (67)

Подставив же зависимость (65) в выражение (62) получаем

.         (68)

В координатах Аррениуса ,  выражение (67) представляет собой прямую линию (рис.4, пунктирная кривая).

Ширина запрещенной зоны, определенная по представленной на рис.4 пунктирной кривой 2 E_g≈1.12 эВ, что соответствует ширине запрещенной зоны кремния при температуре 300 K.

Окончательно ширина запрещённой зоны (в эВ), полученная экстраполяцией к абсолютному нулю, равна:

,                                                     (69)

где .

Для нахождения ширины запрещённой зоны при комнатной температуре необходимо воспользоваться формулой (65).

Полупроводниковые диоды

 

3.7. Полупроводниковые диоды

 

1. Электронно-дырочный переход

Основным элементом большинства полупроводниковых приборов является электронно-дырочный переход (p-n переход) – область на границе двух полупроводников с электронный и дырочной проводимостью.

При отсутствии внешнего электрического поля за счет теплового движения носители заряда будут диффундировать из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией: электроны из n области переходят в р область, дырки – в обратном направлении (см. рисунок 3.26а, где темными кружками изображены электроны, светлыми – дырки). В результате ухода электронов в n области остаются положительные ионы донорной примеси, а в результате ухода дырок в p области остаются отрицательные ионы акцепторной примеси. Кроме этого, электроны, пришедшие в р область, рекомбинируют с дырками, образуя отрицательные ионы. Аналогично, дырки в n области рекомбинируют с электронами, образуя положительные ионы.

В результате на границе между областями образуется двойной слой разноименно заряженных ионов (на рисунке ионы показаны кружками с плюсом и минусом). Этот слой называется запирающим. Он обеднен основными носителями заряда и обладает большим сопротивлением по сравнению с сопротивлением n и p областей.

 Между образовавшимися объемными зарядами существует электрическое поле с разностью потенциалов 0,3-0,7 В (контактная разность потенциалов). Напряженность этого поля Е_к направлена из n области в  р область (рис. 3.26а).

Она препятствует дальнейшей диффузии основных носителей заряда и способствует переходу неосновных носителей в соседнюю область. Для основных носителей в этом случае возникает потенциальный барьер, высота которого равна контактной разности потенциалов.

Электрический ток, созданный диффузией основных носителей через переход, называется диффузионным. Электрический ток, созданный движением неосновных носителей под действием электрического поля, называется дрейфовым. Эти токи направлены в разные стороны и в отсутствие внешнего электрического поля компенсируют друг друга. Поэтому полный ток через переход равен нулю.

 

2. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода

Полупроводниковый диод представляет собой кристалл с электронно-дырочным переходом, к противоположным областям которого присоединены контакты для включения в цепь. Рассмотрим процессы протекания тока через диод при различной полярности внешнего напряжения.

Сначала подключим положительный полюс источника напряжения к области р-типа, а отрицательный – к области n-типа (прямое подключение) и будем постепенно увеличивать подаваемое напряжение (рис. 3.26 б). Напряженность внешнего электрического поля Е_пр направлена противоположно напряженности электрического поля запирающего слоя Е_к, высота потенциального барьера понижается, что способствует движению основных носителей заряда через переход. Сопротивление перехода резко уменьшается и уже при напряжении десятые доли вольта запирающий слой (и, соответственно, потенциальный барьер) практически исчезает. Поэтому на начальном участке прямая ветвь вольт-амперной характеристики (зависимость силы тока в элементе от приложенного к нему напряжения) полупроводникового диода имеет значительную нелинейность, а затем становится почти линейной (рис. 3.27а). Небольшая нелинейность здесь объясняется тем, что при увеличении силы тока n и p области нагреваются и их сопротивление уменьшается (за счет генерации основных носителей заряда). У германиевых диодов рост тока начинается уже при напряжении около 0,1 В, а у кремниевых – около 0,5 В (рис. 3.27а).

При повышении температуры происходит разрыв ковалентных связей в полупроводниках, что приводит к увеличению концентрации носителей и, соответственно, уменьшению сопротивления. Поэтому при повышении температуры прямая ветвь вольт-амперной характеристики приближается к оси силы тока (рис. 3.28).

Если к диоду приложить напряжение обратной полярности (обратное подключение), то направление напряженности внешнего поля совпадет с направлением напряженности запирающего электрического слоя (рис. 3.26 в). Результирующее поле усиливается (потенциальный барьер повышается). Толщина запирающего слоя, а, следовательно, и сопротивление перехода значительно увеличивается. Это приводит к почти полному прекращению тока основных носителей и почти не увеличивает ток неосновных носителей, поскольку их число ограничено. В результате при увеличении обратного напряжения обратный ток через переход сначала резко увеличивается (за счет уменьшения тока основных носителей, направленного навстречу току неосновных), а затем практически не изменяется (рис. 3.27б). Рост обратного тока происходит за счет нагрева перехода током, а также за счет увеличения числа носителей заряда в результате ударной ионизации (при высоком обратном напряжении электроны приобретают большую скорость и энергию, достаточную для выбивания из атомов кристаллической решетки новых электронов).

Обратный ток сильно зависит от температуры и у германиевых диодов он значительно больше, чем у кремниевых. Поэтому германиевые диоды можно использовать как датчики температуры при их обратном включении.

При некотором значении обратного напряжения возникает электрический пробой p-n перехода (при нем еще не происходит разрушения структуры вещества). Сопротивление запирающего слоя значительно уменьшается и обратный ток резко возрастает (участок А-Б-В на рисунке 3.27б). Могут существовать два вида электрического пробоя – лавинный и туннельный. Лавинный пробой происходит за счет лавинного увеличения числа носителей в результате ударной ионизации. Он характерен для p-n переходов большой толщины, получающихся при малой концентрации примесей в полупроводниках. В тонких переходах возможен туннельный пробой за счет туннельного эффекта. Работа диода в режиме электрического пробоя используется в специальных типах диодов – полупроводниковых стабилитронах.

При дальнейшем увеличении напряжения возникает  тепловой пробой перехода (участок В-Г). При протекании большого обратного тока в переходе выделяется количество теплоты больше того, которое отводится от перехода. Поэтому температура перехода увеличивается, сопротивление уменьшается и ток еще больше возрастает. Переход перегревается и вещество разрушается.

Анализ прямого и обратного подключения диода к источнику напряжения позволяет сделать вывод, что полупроводниковый диод хорошо проводит ток в прямом направлении и очень плохо в обратном. Это свойство диода позволяет применять его для выпрямления переменного тока.

 

3. Проверка исправности и определение выводов диодов

Проверка исправности полупроводниковых диодов может осуществляться с помощью омметра. Для этого измеряют сопротивление диода, подключая его к омметру сначала в одном направлении, затем в обратном. Как указывалось выше, при подключении диода в прямом направлении его сопротивление малое, в обратном направлении – очень большое. У неисправного диода сопротивление в обоих случаях равно нулю или бесконечности.

По аналогии с выводами вакуумного диода выводы полупроводникового диода также называют катодом и анодом. Катод – это вывод от области n типа, а анод – вывод от области p типа. На корпусе больших диодов изображают условное обозначение диода, на корпусе малых диодов делают специальную отметку, позволяющую найти вывод анода. Полярность диода можно определить экспериментально с помощью омметра. Для этого нужно знать, какой вывод внутреннего источника питания омметра подключен к гнезду «общ». Это можно определить с помощью диода с маркированной полярностью или вольтметра.

Для определения выводов диода необходимо подключить его к омметру в прямом направлении (чтобы сопротивление было малым) и посмотреть, какой вывод диода подключен к проводу омметра, соединенному с положительным полюсом внутреннего источника питания. Этот вывод диода и будет анодом.

 

Почему обратный ток насыщения не зависит от обратного напряжения?

Почему обратный ток насыщения не зависит от обратного напряжения? — Обмен электротехнического стека

Сеть обмена стеков

Сеть Stack Exchange состоит из 178 сообществ вопросов и ответов, включая Stack Overflow, крупнейшее и пользующееся наибольшим доверием онлайн-сообщество, где разработчики могут учиться, делиться своими знаниями и строить свою карьеру.

Посетить Stack Exchange

2. 0
3. +0
6. Авторизоваться Подписаться

Electrical Engineering Stack Exchange — это сайт вопросов и ответов для профессионалов в области электроники и электротехники, студентов и энтузиастов.Регистрация займет всего минуту.

Зарегистрируйтесь, чтобы присоединиться к этому сообществу

Кто угодно может задать вопрос

Кто угодно может ответить

Лучшие ответы голосуются и поднимаются наверх

Спросил 4 года, 1 месяц назад

Просмотрено 864 раза

\ $ \ begingroup \ $

Я могу понять, что в области истощения диода больше ковалентных связей разрывается (больше электронов попадает в зону проводимости) с большей температурой, поэтому мы говорим, что обратный ток насыщения зависит от температуры i.е. добавлена ​​тепловая энергия.

Но каков аргумент, который объясняет, почему обратный ток насыщения не зависит от обратного напряжения (по крайней мере, до пробоя стабилитрона)? (До пробоя стабилитрона почему возрастающее обратное напряжение не влияет на обратный ток?)

Но в какой-то момент «стабилитрона» что-то происходит, и электроны начинают сходить лавинообразно и создавать больше электронов. Но почему это не происходит постепенно? Я имею в виду, что обратный ток насыщения постоянен до лавины, почему? Вещи начинают происходить в определенный момент внезапно, а не постепенно.

Создан 26 авг.

пользователь1245

3,1122 золотых знака2424 серебряных знака6565 бронзовых знаков

\ $ \ endgroup \ $ 4 \ $ \ begingroup \ $

Этот ток возникает исключительно из-за генерации носителей в области истощения из-за фононных взаимодействий, время от времени создающих электронно-дырочную боль.Как только эта дырка и электрон генерируются в этой области высокого электрического поля, они сметаются в противоположных направлениях. Поскольку обычно из-за теплового взаимодействия генерируется так мало носителей, ваш обратный ток очень мал и совсем не зависит от обратного напряжения, пока вы не дойдете до напряжения стабилитрона, которое позволяет происходить туннелиру, или пока вы не доберетесь до лавины. напряжение, при котором электронное поле добавляет носителям столько энергии, что они могут выбивать другие электроны, создавая больше электронно-дырочных пар.Вплоть до любой из этих двух точек у вас есть струйка тока из-за исключительно термически генерируемых носителей в области истощения p-n-перехода. Вот почему обратный ток сильно зависит от температуры перехода. Без какой-либо температуры у вас не было бы фононов для генерации пар e-h.

Создан 26 авг.

Hortahorta

11.8k1919 серебряных знаков4141 бронзовый знак

\ $ \ endgroup \ $ 3 Электротехнический стек Exchange лучше всего работает с включенным JavaScript

Ваша конфиденциальность

Нажимая «Принять все файлы cookie», вы соглашаетесь, что Stack Exchange может хранить файлы cookie на вашем устройстве и раскрывать информацию в соответствии с нашей Политикой в ​​отношении файлов cookie.

Принимать все файлы cookie Настроить параметры

3: Уравнение идеального диода — Engineering LibreTexts

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

1. Приближение
   1. Функция бесконечного шага
   2. Приближение прямого тока
   3. Приближение обратного тока
2. Ссылки

Как видно из предыдущих разделов, переходный диод p — n создает следующий ток: обратное смещение, есть небольшой постоянный обратный ток, а при прямом смещении есть прямой ток, который увеличивается с напряжением.Вольт-амперная функция (также называемая характеристикой i — v ) для идеального диода равна

\ [i (v) = I_S \ left [\ exp \ left (\ dfrac {v} {ηV_T} \ right) — 1 \ right], \ quad v> V_Z \ label {eq1} \]

• где \ (I_S \) — обратный ток насыщения,
• \ (v \) — приложенное напряжение (обратное смещение отрицательное),
• \ (V_T = T / 11,586 \) — вольт-эквивалент температуры, а
• \ (η \) — коэффициент излучения , который равен 1 для германиевых устройств и 2 для кремниевых устройств.

Обратите внимание, что \ (i \) определяется как положительное при движении от p к n . Уравнение \ ref {eq1} также называется уравнением идеального диода Шокли или законом диода . Также обратите внимание, что для \ (v ≤ V_Z \) диод находится в пробое, и уравнение идеального диода больше не применяется; для \ (v ≤ V_Z, \ quad i = -∞ \). Характеристическая кривая идеального диода i — v показана ниже:

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Уравнение идеального диода

Уравнение идеального диода очень полезно в качестве формулы для тока как функции напряжения.Однако иногда обратное соотношение может быть более полезным; если преобразовать уравнение идеального диода и решить его для напряжения как функции тока, мы находим:

\ [v (i) = ηV_T \ ln \ left [\ left (\ dfrac {i} {I_S} \ right) + 1 \ right]. \]

Приближение

Функция бесконечного шага

Ряд приближений поведения диода может быть сделан из уравнения идеального диода. Простейшее приближение — представить диод как устройство, которое не пропускает ток, то есть действует как разомкнутая цепь — при обратном смещении, и пропускает неограниченное количество тока через — замкнутую цепь — при прямом смещении.В этой упрощенной модели отношение тока к напряжению (также называемое «характеристикой i — v ») представляет собой бесконечную ступенчатую функцию:

\ [i = \ left \ {\ begin {array} {l}
0, v \ leq 0 \\
\ infty, v> 0
\ end {array} \ right. \]

Эта характеристика изображена ниже:

Это приближение используется при анализе схем, как мы увидим в следующем разделе.

Приближение прямого тока

В случае большого прямого смещения хорошее приближение уравнения идеального диода состоит в том, чтобы просто установить второй член уравнения \ ref {eq1} равным нулю.Это приближение справедливо, потому что идеальная кривая i-v диода растет очень быстро, а также потому, что обратный ток насыщения IS обычно очень мал. Это приближение приемлемо для v> 0,2 В. Приближение прямого тока, как мы его будем называть, приводит к следующей формуле:

\ [i (v) ≈ I_S \ exp \ left (\ dfrac {v} {ηV_T} \ right) \ quad v> 0,2 \, V. \]

Аппроксимация обратного тока

При обратном смещении результирующий ток можно рассматривать как просто обратный ток насыщения, \ (I_S \).В действительности, ток при обратном смещении будет асимптотически приближаться к \ (I_S \), но малая величина обратного тока насыщения делает это расхождение незначительным. Приближение обратного тока действительно в диапазоне \ (V_Z

\ [i (v) ≈ I_S, \ quad V_Z

Список литературы

1. «Глава 6: Диоды». Основы электротехники. 2-е изд. Нью-Йорк, Нью-Йорк: Oxford UP, 1996.363-64. Распечатать.

Неидеальные диоды с PN переходом — Engineering LibreTexts

Диод с p-n переходом — это полупроводниковый диод, который состоит из соединенных полупроводниковых слоев p-типа и n-типа. Ток в диоде с pn переходом может течь только с одной стороны на другую. Идеальный диод с pn переходом основан на следующем базовом предположении:

1. Диод в установившемся режиме.
2. Легирование диода представляет собой невырожденно легированный ступенчатый переход.
3. Диод одномерный (одномерный).
4. Квазинейтральные области находятся на низком уровне закачки.
5. В диоде не происходит никаких других процессов, кроме дрейфа, диффузии и генерации тепловой рекомбинации. G _L = 0.

Однако некоторые из приведенных выше предположений не имеют достаточных обоснований. В результате, анализируя экспериментальные ВАХ, могут быть выявлены следующие возможные источники отклонений от идеальных диодов с pn переходом:

1. Схождение лавин
2. Процесс Зенера
3. Р-Г, текущий
Сопротивление серии
5. Впрыск высокого уровня

Введение

Согласно идеальной теории pn перехода, прямой ток резко возрастает в зависимости от приложенного напряжения, в то время как обратный ток исчезает в очень небольшой степени.Однако на экспериментальной кривой ВАХ наблюдается очевидная особенность, выходящая за рамки ожиданий идеальной теории: когда обратное напряжение превышает определенное значение, генерируется большой ток обратного смещения. Такое явление называется поломкой. Величина напряжения пробоя варьируется в больших научных порядках, но явление пробоя происходит во всех диодах с pn переходом и устраняет серьезное отклонение от идеальных диодов с pn переходом.

Для определенного диапазона напряжения прямого смещения ВАХ соответствует идеальной теории.Однако, когда прямое смещение превышает определенное значение, крутизна ВАХ постепенно уменьшается от q / (kT). Это явление возникает из-за высокого тока в устройстве, когда V _A идет на V _bi. При очень небольшом прямом смещении наблюдаемый наклон кривой ВАХ приближается к q / (2kT), что также приводит к отклонениям от идеальной теории. Это явление указывает на возможную игнорируемую составляющую тока в уравнении идеального диода. Более того, при обратном смещении ток не насыщается согласно идеальной теории, а вместо этого увеличивается вместе с обратным смещением.Генерация-рекомбинация носителей, которой пренебрегают в теории идеального pn-перехода, ответственна за небольшое непрерывное изменение обратного и прямого смещения отличий от поведения идеального диода на pn-переходе.

Пробой с обратным смещением

Термин «пробой» означает, что это обратимый процесс, который не приводит к повреждению диода. Однако следует ограничить ток, чтобы предотвратить перегрев. Напряжение пробоя V _BR в области обратного смещения указывает, где возникает бесконечный ток.Для данного уровня легирования V _BR увеличивается с увеличением ширины запрещенной зоны полупроводникового материала в диоде. Кроме того, легирование на стороне легирующего перехода (N _B ) может изменить V _BR более чем на три порядка. Значение V _BR пропорционально 1 / N _{B ^0,75} .

Два процесса генерируют ток пробоя. Один называется сходом лавины, а другой — процессом Зенера. Как правило, преобладающим источником является сход лавины, в то время как процесс Зенера происходит только тогда, когда переход сильно легирован с обеих сторон.

Схождение лавин

В идеальных условиях, когда приложенное напряжение V _A намного меньше, чем напряжение пробоя в обратном смещении, обратный ток возникает в результате случайного движения неосновных носителей, движущихся и ускоряющихся в обедненной области от одной стороны к другой. из-за приложенного электрического поля. При малых обратных смещениях потери энергии носителей из-за каждого столкновения между носителями и решеткой полупроводника относительно невелики. Такая энергия просто формирует колебания решетки в виде рассеянного локализованного нагрева.

Когда обратное смещение непрерывно увеличивается, энергия, передаваемая при каждом столкновении, становится достаточно большой, чтобы ионизировать атом полупроводника — столкновение заставляет электрон перескакивать из валентной зоны в зону проводимости и, следовательно, генерирует электронно-дырочную пару. Описанный выше процесс ударной ионизации создает носители и немедленно ускоряется с приложенным смещением в области истощения. В результате сгенерированные носители сталкиваются с исходными носителями и образуют еще больше носителей, что можно визуализировать на рис.1.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \):. Поведение носителей внутри обедненной области диода с pn переходом при обратном смещении, когда а) при небольшом обратном смещении и V _A намного меньше, чем V _BR ; б) абсолютное значение V _A сравнимо с V _BR .

Следовательно, экспоненциальное создание несущей увеличивает обратный ток до бесконечности. Без умножения несущих коэффициент умножения M можно вычислить с помощью уравнения 1. Коэффициент умножения показывает, как ток увеличивается с увеличением несущих.m} \ label {2} \]

м обычно составляет от 3 до 6, в зависимости от типа полупроводника.

Напряжение пробоя V _BR обратно пропорционально легированию N _B на стороне легкого легирования pn перехода. Поскольку V _BR зависит от ширины запрещенной зоны, E _G, полупроводника, требуемая энергия ионизации также зависит от E _G . Более того, V _BR , возникший в результате схода лавины, также увеличивается с повышением температуры из-за увеличения рассеяния на решетке, вызванного повышением температуры.Увеличивающееся рассеяние на решетке может вызвать меньшую длину свободного пробега и большее лавинообразное критическое электрическое поле, оба из которых приводят к более высокому напряжению пробоя.

Процесс Зенера

Процесс стабилитрона — это термин, используемый для обозначения процесса «туннелирования» в диоде с обратным смещением. Прохождение туннелей можно визуализировать с помощью рисунка 2.

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \):. Визуализация туннелей

Туннелирование происходит и становится значимым при выполнении следующих двух основных требований:

1. Для барьера с той же энергией одна сторона барьера содержит заполненные состояния, а другая — пустые.Туннелирование не произойдет в регионе без разрешенных состояний.
2. Ширина потенциального барьера d должна быть очень тонкой, и квантово-механическое туннелирование становится важным только тогда, когда d меньше 10 ^-6 см.

Процесс Зенера визуализирован на рисунке 3. По мере того, как обратное смещение становится больше, более заполненные состояния валентных электронов на p-стороне, чем состояния пустой зоны проводимости на n-стороне, поэтому величина обратного смещения туннельный ток больше.

Рисунок \ (\ PageIndex {3} \):. Визуализация процесса Зенера

Туннелирование имеет значение только тогда, когда d меньше 10 ^-6 см, что требует более 10 ¹⁷ / см ³ легирования на «слегка» легированной стороне pn перехода. Таким образом, процесс Ценнера становится значимым только тогда, когда диод сильно легирован с обеих сторон перехода. Процесс Зенера вносит значительный вклад, когда V _BR <6E _G / q, и доминирует, когда V _BR <4E _G / q.По сравнению со сходом лавины, V _BR уменьшается с увеличением T, если преобладает стабилитрон.

Ток генерации рекомбинации (R-G)

Для малых прямых смещений и всех обратных смещений при комнатной температуре наблюдался ток, превышающий предсказанные значения теории идеальных диодов. Такой ток формируется за счет тепловой рекомбинации носителей заряда в области обеднения, но такой процесс RG не учитывается в теории идеальных диодов. Когда к диоду применяется обратное смещение, концентрация носителей заряда в обедненной области уменьшается ниже равновесных значений, что вызывает тепловую генерацию электронов и дырок в этой области.С другой стороны, прямое смещение увеличивает концентрацию носителей в обедненной области и приводит к рекомбинации носителей в той же области.

Сильноточные явления при V

_a -> V _bi

Значительное отклонение режима тока происходит, когда приложенное прямое смещение близко к V _bi . Большой ток приводит к поведению диода, выходящего за рамки теории идеального диода с pn-переходом. Не все приложенное напряжение падает в области обеднения, если принять во внимание последовательное сопротивление.Кроме того, большой ток может также вызвать высокий уровень инжекции, что противоречит одному из предположений об идеальном диоде.

Сопротивление серии

Легирование и размеры квазинейтральных областей обеспечивают им внутреннее сопротивление. Кроме того, в устройстве содержится остаточное сопротивление, связанное с контактами диода. Оба сопротивления вместе составляют R _S , которое представляет собой последовательное сопротивление, которое испытывает ток, когда он протекает через переход.При низком токе падение напряжения из-за последовательного сопротивления незначительно; однако, если ток достаточно велик, чтобы IR _S был сравним с V _A , приложенное падение напряжения должно быть изменено до

V _J = V _A -IR _S

На следующем рисунке 5 показано, как последовательное сопротивление влияет на ВАХ диодов с pn переходом.

Рисунок \ (\ PageIndex {5} \): (a) полулогарифмический график ВАХ при прямом смещении с отклонением R _S .(b) График зависимости падения напряжения от I для R _S .

Впрыск высокого уровня

Когда концентрация неосновных носителей заряда на краю обедненной области на стороне слабого легирования, предположение о низком уровне инжекции в теории идеальных диодов не выполняется. Например, для Si при комнатной температуре, когда приложенное напряжение на несколько десятых вольт ниже V _bi . Следует учитывать отклонение высокого уровня впрыска. При высокоуровневой инжекции концентрация основных носителей должна быть увеличена для сохранения нейтральности заряда в квазинейтральных областях.Наклон q / 2kT прогнозируется для кривой зависимости log (I) от V. Однако такой наклон наблюдается редко из-за эффекта последовательного сопротивления. Инжекция носителей высокого уровня может вызвать снижение удельного сопротивления из-за модуляции проводимости.

Заключение

Из приведенного выше анализа отклонения диодов pn перехода можно заключить с помощью следующей таблицы:

Наклон

Таблица 1: отклонения диодов с pn переходом от идеальной теории, их причины и результаты.

Отклонения от идеала	Причины	Результаты
сход лавин	ударная ионизация	бесконечный ток обратного смещения (пробой)
Процесс Зенера	туннелирование (высоколегированная, тонкая ширина барьера)	бесконечный ток обратного смещения (пробой)
R-G Текущий	термический R-G	Изменение наклона полулогарифмической ВАХ в небольших областях прямого / обратного смещения
Серия Сопротивление	большой ток делает сопротивление в контактах диода значительным	уменьшается наклон полулогарифмического графика I-V по мере того, как V A переходит в V bi .
Впрыск высокого уровня	основных носителей увеличивается, чтобы нейтрализовать заряд в квазинейтральных областях	области q / 2kT на графике зависимости log (I) от V.

Вопросы

1. На следующем рисунке 7 пометьте недостающую часть (A, B, C, D, E и F) с соответствующими характеристиками I-V.

Рисунок \ (\ PageIndex {} \): 7

2. Почему прогнозируемая область q / 2kT редко наблюдается для инжекции высокого уровня в диодах с pn переходом?

3.Назовите механизмы, которые могут заставить ток стремиться к бесконечности при обратном смещении.

ответов

1. A. Последовательное сопротивление; B, впрыск высокого уровня; C, идеальный регион; D — тепловая рекомбинация в обедненной области; E — тепловая генерация в области истощения; F, лавинный и / или стабилитронный процесс.

2. Поскольку эффект обычно скрывается за счет эффекта последовательного сопротивления.

3. Схождение лавин и стабилитрон.

Список литературы

1.Роберт Ф. Пьер, Основы полупроводниковых устройств, второе издание. Глава 6, страницы 235–300.

2. Бен Стритман, Санджай Банерджи, твердотельные электронные устройства, шестое издание

3. PN Соединительный диод. Электронные учебники. www.electronics-tutorials.ws/…e/diode_3.html.

Автор

• Ликсиан Хуанг (Калифорнийский университет в Дэвисе; Материаловедение и инженерия)

Обратный ток насыщения диода A Независимо от класса 12 по физике CBSE

Подсказка: мы знаем, что ток, протекающий в обратном смещении диода с PN переходом, называется обратным током насыщения.\ circ} $ повышение температуры.

Полный пошаговый ответ:

Когда диод PN-перехода смещен в обратном направлении, ширина его обедненной области увеличивается. Основные носители начинают уходить от перехода, и поэтому ток из-за большинства носителей отсутствует. Однако будут возникать термически генерируемые электронно-дырочные пары, и эти электроны-дырки, образующиеся вблизи перехода, известны как неосновные носители. Отрицательное напряжение около стороны P будет притягивать дырки (большинство) и, таким образом, отталкивать электроны (меньшинство).Точно так же положительное напряжение будет притягивать электроны (большинство) от перехода и отталкивать дырки (меньшинство), поэтому будет возникать ток из-за этих неосновных носителей. Ток обратного насыщения обычно выражается в единицах от наноампер до микроампер. Поскольку этот ток возникает из-за неосновных носителей, а количество неосновных носителей остается почти фиксированным при данной температуре, следовательно, ток, обусловленный этими неосновными носителями, также остается постоянным и, следовательно, называется обратным током насыщения \ [{I_ {CO}} \].\ circ} $ и для германия, и для кремния обратный ток увеличится примерно вдвое. Так что вариант Б правильный.

Примечание. В вопросах такого типа нам необходимо хорошо разбираться в физике работы диодов с PN переходом. Нам нужно знать о полупроводниках N-типа и P-типа, прямом смещении, обратном смещении, области истощения, основных и неосновных носителях, уравнении тока диода, обратном токе насыщения, уравнении проводимости и подвижности и т. Д.

250+ TOP MCQ по температурной зависимости характеристик и ответов PN

Испытание электронных устройств и схем на «Температурную зависимость характеристик P-N».

1. Величина электрического заряда (e) определяется как ____________
A. -1,6 * 10 ^-19 C
B. 1,6 * 10- ¹⁹ C
C. 9,11 * 10- ³¹ C
D. 1,637 * 10 ^-37 C
Ответ: A
Уточнение: заряд электрона — это величина электрической силы, которую электрон оказывает на другие частицы, которая равна -1,6 * 10 ^-19 С. отрицательный знак указывает направление силы.

2. Какое напряжение запрещенного промежутка для кремниевого материала?
А.1,46 В
B. 1,56 В
C. 10 В
D. 1,21 В
Ответ: D
Уточнение: Напряжение запрещенной зоны материала численно равно энергии запрещенной зоны материала, которая составляет 1,21 джоуля для кремния, поэтому величина запрещенной зоны напряжение будет 1,21 В.

3. Какой из следующих параметров диода P-N перехода увеличивается с температурой.
A. Подача напряжения
B. Обратный ток насыщения.
C. Фактор идеальности
D. Сопротивление
Ответ: B
Уточнение: обратный ток насыщения при температуре T ₂ равен 2 ^{[(T2 –T1) / 10] в} раза больше, чем обратный ток насыщения при температуре T ₁ где T ₂ больше, чем T ₁ .

4. Какой из следующих диодов не показывает постоянного обратного тока насыщения при изменении обратного напряжения насыщения.
A. 1N909
B. 1N405
C. 1N207
D. 1N676
Ответ: C
Уточнение: 1N207 — это германиевый диод, для которого обратный ток насыщения не является постоянным, а изменение напряжения из-за утечки на поверхности диода и за счет генерации новых носителей тока.

5. Какие из этих характеристик P-N перехода не зависят от температуры.
A. Сопротивление перехода
B. Обратный ток насыщения
C. Ток смещения
D. Напряжение барьера
Ответ: A
Уточнение: По мере увеличения температуры PN-перехода ток увеличивается, а напряжение уменьшается, поэтому напряжение барьера обратное насыщение ток смещения изменяется в зависимости от температуры, но сопротивление перехода не зависит от температуры.

6. По мере увеличения температуры P-N перехода ток увеличивается из-за?
A. Утечка в области смещения
B.Электронно-дырочная пара
C. Утечка в области P
D. Утечка в области N
Ответ: B
Уточнение: с увеличением температуры PN-перехода увеличивается подвижность зарядов, таким образом, увеличивается электронно-дырочная пара, что пропорционально увеличивает ток в диоде PN перехода.

7. На какой процент увеличивается обратный ток насыщения при повышении температуры на 10 ° C.
A. 25%
B. 12,5%
C. 50%
D. 7%
Ответ: D
Уточнение: по мере увеличения температуры диода с PN-переходом увеличивается подвижность зарядов, увеличивая, таким образом, ток, ток обратного насыщения увеличивается на 7% при повышении температуры на 10 ° C и удваивается при повышении температуры на 100 ° C.

8. Как будет уменьшаться напряжение барьера при повышении температуры на 10 ° C?
A. 10V
B. 1mV
C. 10mV
D. 2mV
Ответ: D
Уточнение: По мере увеличения температуры на диоде PN-перехода напряжение на переходе уменьшается, а ток увеличивается с каждым градусом повышения температуры барьера напряжение увеличивается на 2 мВ.

9. Каким будет ток обратного насыщения в переходе, когда напряжение на переходе равно 0?
А.0,3A
B. 0,7A
C. 0A
D. 1,24A
Ответ: C
Уточнение: когда напряжение на переходе равно нулю в том смысле, что между переходами будет разность потенциалов, следовательно, движение электронов не будет и дырки, значит ток будет 0.

10. Напряжение пробоя диода PN-перехода уменьшается из-за увеличения.
A. Обратный ток насыщения
B. Обратный ток утечки
C. Напряжение смещения
D. Напряжение барьера
Ответ: B
Уточнение: Напряжение пробоя диод обратно пропорционален обратному току утечки, поэтому он уменьшается с увеличением обратного тока утечки.

все области электронных устройств и схем для испытаний, 1 .

Вывод уравнения тока диода, калькулятор и пример

Диод — это нелинейный компонент электрической цепи. Это позволяет току при прямом смещении и току блокировки при обратном смещении. Поведение диода можно определить по характеристикам VI. Ток диода зависит от напряжения на диоде. Ток диода можно выразить в виде уравнения тока диода .В этой статье мы узнаем, каково уравнение для тока диода?

Вывод уравнения диода

Уравнение тока диода связывает ток с напряжением на диоде. Предположим, что через диод протекает напряжение $ V $ и ток $ I $. { \ frac {qV} {\ eta kT}} — 1 \ rbrack $

Где

$ k $ — постоянная Больцмана, $ 1.{- \ frac {V} {\ eta V_ {T}}} \ ll 1 $. Итак, $ I \ приблизительно I_ {o} $ действительно до тех пор, пока внешнее напряжение не станет ниже напряжения пробоя. Ток обратного насыщения диода также называется током темнового насыщения. Это зависит от скорости рекомбинации и качества материала. Также следует отметить, что темновой ток увеличивается с повышением температуры. И она уменьшается по мере повышения качества материала.

Уравнение тока диода Пример:

Обратное смещение приложено к германиевому диоду с PN переходом.{40 \ times 0.15} -1) $

$ I = 120.73 \ mu A $

Выше будет ток прямого смещения диода для данной ситуации.

Могу ли я использовать уравнение идеального диода Шокли для обратного тока?

Для обратного тока диод показывает постоянный обратный ток, который очень мал и пренебрежимо мал. Обратный ток диода не описывается уравнением идеального диода Шокли.

Калькулятор уравнения диода:

Калькулятор уравнения диода рассчитывает ток в диоде.Задайте внешнее напряжение, температуру тока насыщения и тип материала, чтобы рассчитать ток диода.

Лабораторная работа: зависимость диода от температуры — OnElectronTech

В этой лабораторной работе мы создадим простой датчик температуры с использованием диода и мультиметра. Ага, на самом деле это все, что нужно сделать. Что хорошо в использовании диодов в качестве датчиков температуры, так это то, что их можно включать в интегральные схемы (ИС) без каких-либо дополнительных процессов, поскольку … ну … это просто обычные диоды. Эти термочувствительные диоды не являются сверхточными по сравнению с другими датчиками температуры, но они подходят для множества универсальных измерительных приложений.ЦП и видеокарта вашего ПК, вероятно, используют термочувствительные диоды, встроенные непосредственно в кристалл, чтобы постоянно контролировать их температуру в случае их перегрева [1].

Вот изображение слабосигнального диода 1N4148. Несмотря на то, что его длина составляет всего пару миллиметров, на самом деле большая часть его — это упаковка! Его «диодная» часть — это крошечная вертикальная серебряная линия посередине.

Величина тока, протекающего через диод (ну, по крайней мере, идеальный), зависит от напряжения, приложенного к его выводам.Его можно смоделировать с помощью уравнения диода Шокли, которое связывает ток с напряжением, а также с некоторыми другими физическими факторами [2]. Что нас интересует, так это член I _S , известный как обратный ток насыщения (иногда также называемый диффузионным током), который имеет огромную температурную зависимость. Фактически, некоторые источники говорят, что с температурой эта зависимость возрастает на экспоненциально, на [3], что на самом деле является очень большой зависимостью . Это означает, что для данного напряжения диод пропускает больше тока, когда температура выше.

Уравнение для диода Шокли В основном то, что означают все элементы уравнения Шокли. Переставив несколько членов Отсюда, вы можете увидеть, что напряжение на диоде пропорционально логарифму чего-то, деленного на ток насыщения (1 можно не принимать во внимание для токи, с которыми мы имеем дело). Поскольку ток насыщения экспоненциально растет с температурой, напряжение на диоде изменяется линейно с температурой.

Если мы сохраним ток постоянным, мы обнаружим, что прямое напряжение диода уменьшается с увеличением температуры.Как показывает математика, прямое напряжение более или менее линейно зависит от температуры, что позволяет очень легко определить температуру. Отлично!

Многие мультиметры содержат функцию «Diode Test», которая пропускает через диод постоянный ток, чтобы попытаться измерить его прямое напряжение [4]. Мы будем использовать мультиметр для измерения нашего диода, так как он не требует дополнительных схем. В дикой природе эти диодные датчики температуры сопровождаются специальным источником постоянного тока и чувствительным аналого-цифровым преобразователем для выполнения той же работы.

• В этом эксперименте мы будем использовать нагреватель. Вещи не только станут очень горячими, но и будут оставаться горячими еще долго после того, как их выключили. Прежде чем прикасаться к чему-либо, подождите, пока все остынет.
• Старайтесь поддерживать температуру ниже 60 ° C (140 ° F) .

• Диод
  • Я использовал 1N4148, но для этого подойдет практически любой рабочий диод.
• Мультиметр с режимом проверки диодов
  • Обратите внимание на символ диода на вашем мультиметре:
• Зажимы типа «крокодил»
• Термопара
  • Другие устройства измерения температуры, если они подходят иметь разрешение 1 ° C (2 ° F) или лучше.
• Термостойкая лента
  • Каптонная лента хорошо подходит для этого.
• Нагревательная плита с контролируемой температурой
  • Интересный факт: многие 3D-принтеры имеют терморегулируемую кровать, которая отлично подходит для этого.
  • Если у вас нет нагревательной плиты, вы можете сделать самодельный нагреватель, используя силовой резистор и регулируемый источник питания (будьте осторожны, чтобы не допустить его перегрева)

1. Прикрепите датчик термопары и диод к электросети горячую плиту и старайтесь держать их как можно ближе друг к другу.
   • Если ваша плита сделана из металла, сначала положите слой ленты, прежде чем приклеивать предметы. Это защитит металлическую поверхность от соприкосновения с термопарой.
2. Включите мультиметр и установите его в режим проверки диодов.
3. Присоедините щупы мультиметра к диоду с помощью зажимов типа «крокодил».
   • Обычно вы хотите, чтобы отрицательный щуп был подключен к отрицательному выводу диода (конец, ближайший к полосе, нарисованной на диоде), но некоторые мультиметры отлично измеряют в любом направлении.
   • Если ваш мультиметр показывает «I» или «OL», переверните щупы.
4. Включите термопару.
5. Измерьте температуру при комнатной температуре. Запишите показания мультиметра и термопары.
   • Если мультиметр показывает отрицательное число, игнорируйте отрицательный знак. Это не важно для того, что мы делаем.
6. Включите конфорку и установите ее на температуру немного выше комнатной.Измерьте температуру и напряжение, когда температура стабилизируется.
   • Обычно конфорки имеют световой индикатор, который указывает на включение нагревательного элемента. Когда этот индикатор начинает мигать или не горит постоянно, это означает, что вы почти достигли стабильной температуры.
7. Поднимите конфорку на пару градусов (совсем немного) и сделайте еще одно измерение.
8. Повторяйте шаг 7, пока не достигнете 60 ° C (140 ° F) .

Использование нагревателя на моем 3D-принтере в качестве импровизированной плиты.Технически на этикетке только сказано, что нельзя печатать на этой поверхности. Заниматься наукой на нем прекрасно! Также обратите внимание, как термопара прижимается вплотную к диоду. Вы хотите, чтобы это значение было как можно более точным для точных показаний.

Я использовал подогреваемую кровать 3D-принтера Prusa i3 в качестве «горячей плиты», так как у меня нет подходящей горячей плиты, и в ней есть встроенные регуляторы температуры. Нагревательный элемент имеет низкое напряжение, но очень большой ток, поэтому я был обеспокоен тем, что он может создавать сильные магнитные поля и мешать работе термопары (вы действительно можете услышать щелчки металлических предметов на нагревательном слое, когда нагреватель пульсирует. и выкл).К счастью, эффект был не очень заметен, и нагреватель обычно полностью отключается, когда достигает заданной температуры.

37 9

Температура (° C)	Прямое напряжение диода (мВ)
22	544
30	533
523
40	517
42	513
44	509
46	3 507	903	500
52	498
54	494
56	490
58	488		9018 9 по собранным мною данным прямое напряжение моего диода равно -1.Температурная зависимость 63 мВ / ° C. Другими словами, прямое напряжение падает на 1,63 мВ на каждый градус Цельсия (или приблизительно 0,91 мВ на градус Фаренгейта) Согласно таблице данных, типичный 1N4148 имеет температурную зависимость от -1 до -2 мВ / ° C, что означает, что мой диод находится в пределах спецификации (ура!). Интересен тот факт, что температурная зависимость также зависит от величины тока, протекающего через диод. Фактический ток, протекающий через диод, когда вы измеряете его мультиметром, будет зависеть от самого измерителя, поэтому фактическая температурная зависимость, которую вы получите, может немного измениться от измерителя к измерителю. Возможно, в будущей лаборатории мы построим правильную измерительную установку с источником постоянного тока и аналого-цифровым преобразователем, чтобы мы могли фактически преобразовывать напряжение в температуру. Пробовали этот эксперимент? Поделитесь своими наблюдениями ниже! https://en. alexxlab Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email * Сайт Рубрики Прост Радио Разное Своими руками Советы Схем Схемы Транзист Транзисторы Электрон Электроника