Чим визначається максимальне зворотне напруга на діоді. Принцип роботи та призначення діодів. Основні параметри діодів, прямий струм діода, зворотна напруга діода

Привіт шановні читачі сайту sesaga.ru. У першій частині статті ми з Вами розібралися, що таке напівпровідник і як виникає в ньому струм. Сьогодні ми продовжимо почату тему і поговоримо про принцип роботи напівпровідникових діодів.

Діод - це напівпровідниковий прилад з одним p-n переходом, що має два висновки (анод і катод), і призначений для випрямлення, детектування, стабілізації, модуляції, обмеження і перетворення електричних сигналів.

За своїм функціональним призначенням діоди підрозділяються на випрямні, універсальні, імпульсні, СВЧ-діоди, стабілітрони, варикапи, переключають, тунельні діоди і т.д.

Теоретично ми знаємо, що діод в одну сторону пропускає струм, а в іншу немає. Але як, і яким чином він це робить, знають і розуміють не всі.

Схематично діод можна представити у вигляді кристала складається з двох напівпровідників (областей). Одна область кристала має провідність p-типу, а інша - провідність n-типу.

На малюнку дірки, що переважають в області p-типу, умовно зображені червоними кружками, а електрони, що переважають в області n-типу - синіми. Ці дві області є електродами діода анодом і катодом:

Анод - позитивний електрод діода, в якому основними носіями заряду є дірки.

Катод - анод діода, в якому основними носіями заряду є електрони.

На зовнішні поверхні областей нанесені контактні металеві шари, до яких припаяні дротові висновки електродів діода. Такий прилад може перебувати тільки в одному з двох станів:

1. Відкрите - коли він добре проводить струм; 2. Закрите - коли він погано проводить струм.

Пряме включення діода. Прямий струм.

Якщо до електродів діода підключити джерело постійної напруги: на висновок анода «плюс» а на висновок катода «мінус», то діод виявиться у відкритому стані і через нього потече струм, величина якого буде залежати від прикладеної напруги і властивостей діода.

При такій полярності підключення електрони з області n-типу кинуться назустріч діркам в область p-типу, а дірки з області p-типу рушать назустріч електронів в область n-типу. На кордоні розділу областей, званої електронно-дірковий або p-n переходом, вони зустрінуться, де відбувається їх взаємне поглинання або рекомбінація.

Наприклад. Oсновной носії заряду в області n-типу електрони, долаючи p-n перехід потрапляють в дірковий область p-типу, в якій вони стають неосновними. Що стали неосновними, електрони будуть поглинатися основними носіями в доречний області - дірками. Таким же чином дірки, потрапляючи в електронну область n-типу стають неосновними носіями заряду в цій області, і будуть також поглинатися основними носіями - електронами.

Контакт діода, з'єднаний з негативним полюсом джерела постійної напруги буде віддавати області n-типу практично необмежену кількість електронів, поповнюючи спадання електронів в цій області. А контакт, з'єднаний з позитивним полюсом джерела напруги, здатний прийняти з області p-типу така ж кількість електронів, завдяки чому відновлюється концентрація дірок в області p-типу. Таким чином, провідність p-n переходу стане великою і опір току буде мало, а значить, через діод буде текти струм, званий прямим струмом діода Іпр.

Зворотне включення діода. Зворотний струм.

Поміняємо полярність джерела постійної напруги - діод виявиться в закритому стані.

У цьому випадку електрони в області n-типу стануть переміщатися до позитивного полюса джерела живлення, віддаляючись від p-n переходу, і дірки, в області p-типу, також будуть віддалятися від p-n переходу, переміщаючись до негативного полюса джерела живлення. В результаті межа областей як би розшириться, від чого утворюється зона збіднена дірками і електронами, яка буде надавати току великий опір.

Але, так як в кожній з областей діода присутні неосновні носії заряду, то невеликий обмін електронами і дірками між областями відбуватися все ж буде. Тому через діод буде протікати струм у багато разів менший, ніж прямий, і такий струм називають зворотним струмом діода (Iобр). Як правило, на практиці, зворотним струмом p-n переходу нехтують, і звідси виходить висновок, що p-n перехід має тільки однобічну провідність.

Пряме і зворотне напруга діода.

Напруга, при якому діод відкривається і через нього йде прямий струм називають прямим (Uпр), а напруга зворотної полярності, при якому діод закривається і через нього йде зворотний струм називають зворотним (Uобр).

При прямій напрузі (U пр) опір діода не перевищує і кількох десятків Ом, зате при зворотній напрузі (Uобр) опір зростає до кількох десятків, сотень і навіть тисяч кіло. У цьому не важко переконатися, якщо виміряти зворотне опір діода омметром.

Опір p-n переходу діода величина не постійна і залежить від прямого напруги (U пр), яке подається на діод. Чим більше це напруга, тим менший опір чинить p-n перехід, тим більший прямий струм Іпр тече через діод. У закритому стані на діоді падає практично всю напругу, отже, зворотний струм, що проходить через нього малий, а опір p-n переходу велике.

Наприклад. Якщо включити діод в ланцюг змінного струму, то його можна буде відкрити позитивних напівперіодах на аноді, вільно пропускаючи прямий струм (Іпр), і закриватися при негативних напівперіодах на аноді, майже не пропускаючи струм протилежного напрямку - зворотний струм (Iобр). Ці властивості діодів використовують для перетворення змінного струму в постійний, і такі діоди називають випрямними.

Вольт-амперна характеристика напівпровідникового діода.

Залежність струму, що проходить через p-n перехід, від величини і полярності прикладеної до нього напруги зображують у вигляді кривої, яку називають вольт-амперної характеристикою діода.

На графіку нижче зображена така крива. За вертикальної осі у верхній частині позначені значення прямого струму (Іпр), а в нижній частині - зворотного струму (Iобр) .По горизонтальній осі в правій частині позначені значення прямого напруги Uпр, а в лівій частині - зворотної напруги (Uобр).

Вольт-амперна характеристика складається ніби з двох гілок: пряма гілка, в правій верхній частині, відповідає прямому (пропускного) току через діод, і зворотна гілка, в лівій нижній частині, відповідна зворотному (закритому) току через діод.

Пряма гілка йде круто вгору, притискаючись до вертикальної осі, і характеризує швидке зростання прямого струму через діод зі збільшенням прямого напряженія.Обратная гілка йде майже паралельно горизонтальній осі і характеризує повільне зростання зворотного струму. Чим крутіше до вертикальної осі пряма гілка і чим ближче до горизонтальної зворотна гілка, тим краще випрямні властивості діода. Наявність невеликого зворотного струму є недоліком діодів. З кривої вольт-амперної характеристики видно, що прямий струм діода (Іпр) в сотні разів більше зворотного струму (Iобр).

При збільшенні прямої напруги через p-n перехід ток спочатку зростає повільно, а потім починається ділянку швидкого наростання струму. Це пояснюється тим, що германієвого діод відкривається і починає проводити струм при прямій напрузі 0,1 - 0,2 В, а кремнієвий при 0,5 - 0,6.

Наприклад. При прямій напрузі Uпр \u003d 0,5 В прямий струм Іпр дорівнює 50mA (точка «а» на графіку), а вже при напрузі Uпр \u003d 1В струм зростає до 150mA (точка «б» на графіку).

Але таке збільшення струму призводить до нагрівання молекули напівпровідника. І якщо кількість виробленого тепла буде більше відведеного від кристала природним шляхом, або за допомогою спеціальних пристроїв охолодження (радіатори), то в молекулі провідника можуть статися безповоротні зміни аж до руйнування кристалічної решітки. Тому прямий струм p-n переходу обмежують на рівні, що виключає перегрів напівпровідникової структури. Для цього використовують обмежувальний резистор, включений послідовно з діодом.

У напівпровідникових діодів величина прямого напруги Uпр при всіх значеннях робочих струмів не перевищує: для германієвих - 1В; для кремнієвих - 1,5 В.

При збільшенні зворотної напруги (Uобр), прикладеного до p-n переходу, струм збільшується незначно, про що говорить зворотна гілка вольтамперной характерістікі.Напрімер. Візьмемо діод з параметрами: Uобр max \u003d 100В, Iобр max \u003d 0,5 mA, де:

Uобр max - максимальне постійна зворотна напруга, В; Iобр max - максимальний зворотний струм, мкА.

При поступовому збільшенні зворотної напруги до значення 100В видно, як незначно зростає зворотний струм (точка «в» на графіку). Але при подальшому збільшенні напруги, понад максимального, на яке розрахований p-n перехід діода, відбувається різке збільшення зворотного струму (пунктирна лінія), нагрів кристала напівпровідника і, як наслідок, настає пробою p-n переходу.

Пробої p-n переходу.

Пробоєм p-n переходу називається явище різкого збільшення зворотного струму при досягненні зворотною напругою певного критичного значення. Розрізняють електричний і тепловий пробої p-n переходу. У свою чергу, електричний пробій розділяється на тунельний і лавинний пробої.

Електричний пробій.

Електричний пробій виникає в результаті впливу сильного електричного поля в p-n переході. Такий пробій є оборотний, тобто він не призводить до пошкодження переходу, і при зниженні зворотної напруги властивості діода зберігаються. Наприклад. У такому режимі працюють стабілітрони - діоди, призначені для стабілізації напруги.

Тунельний пробій.

Тунельний пробій відбувається в результаті явища тунельного ефекту, який проявляється в тому, що при сильній напруженості електричного поля, що діє в pn переході малої товщини, деякі електрони проникають (просочуються) через перехід з області p-типу в область n-типу без зміни своєї енергії . Тонкі p-n переходи можливі тільки при високій концентрації домішок в молекулі напівпровідника.

Залежно від потужності і призначення діода товщина електронно-діркового переходу може перебувати в межах від 100 нм (нанометрів) до 1 мкм (мікрометр).

Для тунельного пробою характерний різке зростання зворотного струму при незначному зворотному напрузі - зазвичай кілька вольт. На основі цього ефекту працюють тунельні діоди.

Завдяки своїм властивостям тунельні діоди використовуються в підсилювачах, генераторах синусоїдальних релаксаційних коливань і перемикаючих пристроях на частотах до сотень і тисяч мегагерц.

Лавинний пробій.

Лавинний пробій полягає в тому, що під дією сильного електричного поля неосновні носії зарядів під дією тепла в p-n переході прискорюються на стільки, що здатні вибити з атома один з його валентних електронів і перекинути його в зону провідності, утворивши при цьому пару електрон - дірка. Утворилися носії зарядів теж почнуть розганяти і стикатися з іншими атомами, утворюючи такі пари електрон - дірка. Процес набуває лавиноподібний характер, що призводить до різкого збільшення зворотного струму при практично незмінній напрузі.

Діоди, в яких використовується ефект лавинного пробою використовуються в потужних випрямних агрегатах, що застосовуються в металургійній і хімічній промисловості, залізничному транспорті та в інших електротехнічних виробах, в яких може виникнути зворотна напруга вище допустимого.

Тепловий пробій.

Тепловий пробій виникає в результаті перегріву p-n переходу в момент протікання через нього струму великого значення і при недостатньому теплоотводе, що не забезпечує стійкість теплового режиму переходу.

При збільшенні прикладеного до p-n переходу зворотної напруги (Uобр) розсіює потужність на переході зростає. Це призводить до збільшення температури переходу та сусідніх з ним областей напівпровідника, посилюються коливання атомів кристала, і слабшає зв'язок валентних електронів з ними. Виникає ймовірність переходу електронів в зону провідності і утворення додаткових пар електрон - дірка. При поганих умовах тепловіддачі від p-n переходу відбувається лавиноподібне наростання температури, що призводить до руйнування переходу.

На цьому давайте закінчимо, а в наступній частині розглянемо пристрій і роботу випрямних діодів, діодного моста.Удачі!

джерело:

1. Борисов В.Г - Юний радіоаматор. 1985г.2. Горюнов М.М. Носов Ю.Р - Напівпровідникові діоди. Параметри, методи вимірювань. 1968р.

sesaga.ru

Основні параметри діодів, прямий струм діода, зворотна напруга діода

Основні параметри діодів - це прямий струм діода (Іпр) і максимальне зворотне напруга діода (Uобр). Саме їх треба знати, якщо стоїть завдання розробити новий випрямляч для джерела живлення.

Прямий струм діода

Прямий струм діода можна легко обчислити, якщо відомий загальний струм, який буде споживати навантаження нового блоку живлення. Потім, для забезпечення надійності, необхідно дещо збільшити це значення і вийде ток, на який треба підібрати діод для випрямляча. Наприклад, блок живлення повинен витримувати струм в 800 мА. Тому ми вибираємо діод, у якого прямий струм діода дорівнює 1А.

Зворотна напруга діода

Максимальна зворотна напруга діода - це параметр, який залежить не тільки від значення змінної напруги на вході, а й від типу випрямляча. Для пояснення цього твердження, розглянемо наступні малюнки. На них показані всі основні схеми випрямлячів.

Мал. 1

Як ми говорили раніше, напруга на виході випрямляча (на конденсаторі) одно чинному напрузі вторинної обмотки трансформатора, помноженому на √2. У однополуперіодним випрямлячі (рис. 1), коли напруга на аноді діода має позитивний потенціал щодо землі, конденсатор фільтра заряджається до напруги, що перевищує чинне напруга на вході випрямляча в 1.4 рази. Під час наступного напівперіоду напруга на аноді діода негативно щодо землі і досягає амплітудне значення, а на катоді - позитивно щодо землі і має таке ж значення. В цей напівперіод до діода докладено зворотна напруга, яке виходить завдяки послідовному з'єднанню обмотки трансформатора і зарядженого конденсатора фільтра. Тобто зворотна напруга діода повинно бути не менше подвійного амплітудного напруги вторинки трансформатора або в 2.8 рази вище його діючого значення. При розрахунку таких випрямлячів треба вибирати діоди з максимальним зворотною напругою в 3 рази перевищує діюче значення змінної напруги.

Мал. 2

На малюнку 2 зображений двонапівперіодний випрямляч з висновком середньої точки. У ньому також, як і в попередньому, діоди треба підбирати з зворотною напругою в 3 рази перевищує діюче значення вхідного.

Мал. 3

Інакше йде справа в разі мостового двухполуперіодного випрямляча. Як можна бачити на рис. 3, в кожен з напівперіодів подвійну напругу прикладається до двох непровідним, послідовно з'єднаним диодам.

katod-anod.ru

Принцип роботи та призначення діодів

Діод є однією з різновидів приладів, сконструйованих на напівпровідниковій основі. Володіє одним p-n переходом, а також анодним і катодним висновком. У більшості випадків він призначений для модуляції, випрямлення, перетворення та інших дій зі вступниками електричними сигналами.

Принцип роботи:

1. Електричний струм впливає на катод, підігрівач починає розжарюються, а електрод випускати електрони.
2. Між двома електродами відбувається утворення електричного поля.
3. Якщо анод має позитивний потенціал, то він починає притягувати електрони до себе, а що виникло поле є каталізатором цього процесу. При цьому, відбувається утворення емісійного струму.
4. Між електродами відбувається утворення просторового негативного заряду, здатного перешкодити руху електронів. Це відбувається, якщо потенціал анода виявляється занадто слабким. В такому випадку, частинам електронів не вдається подолати вплив негативного заряду, і вони починають рухатися в зворотному напрямку, знову повертаючись до катода.
5. Всі електрони, які досягли анода і не повернулися до катода, визначають параметри катодного струму. Тому даний показник безпосередньо залежить від позитивного анодного потенціалу.
6. Потік всіх електронів, які змогли потрапити на анод, має назву анодний струм, показники якого в діоді завжди відповідають параметрам катодного струму. Іноді обидва показники можуть бути нульовими, це відбувається в ситуаціях, коли анод має негативним зарядом. В такому випадку, що виникло між електродами поле не прискорює частинки, а, навпаки, гальмує їх і повертає на катод. Діод в такому випадку залишається в замкненому стані, що призводить до розмикання ланцюга.

Пристрій

Нижче наводиться докладний опис пристрою діода, вивчення цих відомостей необхідно для подальшого розуміння принципів дії цих елементів:

1. Корпус являє собою вакуумний балон, який може бути виготовлений зі скла, металу або міцних керамічних різновидів матеріалу.
2. Усередині балона є 2 електрода. Перший є напруженим катодом, який призначений для забезпечення процесу емісії електронів. Найпростіший за конструкцією катод являє собою нитку з невеликим діаметром, яка розжарюється в процесі функціонування, але на сьогоднішній день більш поширені електроди непрямого напруження. Вони являють собою циліндри, виготовлені з металу, і що володіють особливим активним шаром, здатним випускати електрони.
3. Усередині катода непрямого напруження є специфічний елемент - дріт, яка розжарюється під впливом електричного струму, вона називається підігрівач.
4. Другий електрод є анодом, він необхідний для прийому електронів, які були випущені катодом. Для цього він повинен володіти позитивним щодо другого електрода потенціалом. У більшості випадків анод також має циліндричну форму.
5. Обидва електроди вакуумних приладів повністю ідентичні емітера і бази напівпровідникової різновиди елементів.
6. Для виготовлення діодного кристала найчастіше використовується кремній або германій. Одна з його частин є електропровідність по p-типу і має недолік електронів, який утворений штучним методом. Протилежна сторона кристала також має провідність, але n-типу і володіє надлишком електронів. Між двома областями є межа, яка і називається p-n переходом.

Такі особливості внутрішнього устрою наділяють діоди їх головним властивістю - можливістю проведення електричного струму тільки в одному напрямку.

призначення

Нижче наводяться основні області застосування діодів, на прикладі яких стає зрозуміло їх основне призначення:

1. Діодні мости являють собою 4, 6 або 12 діодів, з'єднаних між собою, їх кількість залежить від типу схеми, яка може бути однофазної, трифазної полумостовой або трифазної полномостовой. Вони виконують функції випрямлячів, такий варіант найчастіше використовується в автомобільних генераторах, оскільки впровадження подібних мостів, а також використання разом з ними щітково-колекторних вузлів, дозволило в значній мірі скоротити розміри даного пристрою і збільшити ступінь його надійності. Якщо з'єднання виконано послідовно і в одну сторону, то це підвищує мінімальні показники напруги, який буде потрібно для відмикання всього діодного моста.
2. Діодні детектори виходять при комбінованому використанні даних приладів з конденсаторами. Це необхідно для того, щоб було можна виділити модуляцію з низькими частотами з різних модульованих сигналів, в тому числі амплітудно-модульованої різновиди радіосигналу. Такі детектори є частиною конструкції багатьох побутових споживачів, наприклад, телевізорів або радіоприймачів.
3. Забезпечення захисту споживачів від невірної полярності при включенні схемних входів від виникаючих перевантажень або ключів від пробою електрорушійної силою, що виникає при самоіндукції, яка відбувається при відключенні індуктивного навантаження. Для забезпечення безпеки схем від виникаючих перевантажень, застосовується ланцюжок, що складається з декількох діодів, що мають підключення до живильних шинам в зворотному напрямку. При цьому, вхід, яким забезпечується захист, повинен підключатися до середини цього ланцюжка. Під час нормального функціонування схеми, все діоди знаходяться в закритому стані, але якщо ними було зафіксовано, що потенціал входу пішов за допустимі межі напруги, відбувається активація одного з захисних елементів. Завдяки цьому, даний допустимий потенціал отримує обмеження в рамках допустимого напруги живлення в сумі з прямим падінням показників напруга на захисному приладі.
4. Перемикачі, створені на основі діодів, використовуються для здійснення комутації сигналів з високими частотами. Управління такою системою здійснюється за допомогою постійного електричного струму, поділу високих частот і подачі керуючого сигналу, яке відбувається завдяки індуктивності і конденсаторів.
5. Створення диодной іскрозахисту. Використовуються шунт-діодні бар'єри, які забезпечують безпеку шляхом обмеження напруги у відповідній електричного кола. У сукупності з ними застосовуються струмообмежувальні резистори, які необхідні для обмеження показників електричного струму, що проходить через мережу, і збільшення ступеня захисту.

Використання діодів в електроніці на сьогоднішній день досить широко, оскільки фактично жодна сучасна різновид електронного обладнання не обходиться без цих елементів.

Пряме включення діода

На p-n-перехід діода може впливати напруга, що подається з зовнішніх джерел. Такі показники, як величина і полярність, будуть позначатися на його поведінці і проведеному через нього електричний струм.

Нижче детально розглянуто варіант, при якому відбувається підключення плюса до області p-типу, а негативного полюса до області n-типу. В цьому випадку відбудеться пряме включення:

1. Під впливом напруги від зовнішнього джерела, в p-n-переході сформується електричне поле, при цьому його напрямок буде протилежним щодо внутрішнього дифузійного поля.
2. Напруга поля значно знизиться, що викличе різке звуження замикаючого шару.
3. Під впливом цих процесів значна кількість електронів знайде можливість вільно переходити з p-області в n-область, а також у зворотному напрямку.
4. Показники струму дрейфу під час цього процесу залишаються колишніми, оскільки вони безпосередньо залежать тільки від числа неосновних заряджених носіїв, які знаходяться в області p-n-переходу.
5. Електрони мають підвищений рівень дифузії, що призводить до інжекції неосновних носіїв. Іншими словами, в n-області відбудеться підвищення кількості дірок, а в p-області буде зафіксована підвищена концентрація електронів.
6. Відсутність рівноваги і підвищений число неосновних носіїв змушує їх йти вглиб напівпровідника і змішуватися з його структурою, що в підсумку призводить до руйнування його властивостей електронейтральності.
7. Напівпровідник при цьому здатний відновити своє нейтральне стан, це відбувається завдяки отриманню зарядів від підключеного зовнішнього джерела, що сприяє появі прямого струму в зовнішньому електричному ланцюзі.

Зворотне включення діода

Тепер буде розглянуто інший спосіб включення, під час якого змінюється полярність зовнішнього джерела, від якого відбувається передача напруги:

1. Головна відмінність від прямого включення полягає в тому, що створюване електричне поле буде мати напрямком, повністю збігається з напрямком внутрішнього дифузійного поля. Відповідно, що замикає шар буде вже не звужуватися, а, навпаки, розширюватися.
2. Поле, що знаходиться в p-n-переході, буде надавати прискорює ефект на цілий ряд неосновних носіїв заряду, з цієї причини, показники дрейфового струму залишаться без змін. Він буде визначати параметри результуючого струму, який проходить через p-n-перехід.
3. У міру зростання зворотної напруги, висока напруга, яка через перехід, буде прагнути досягти максимальних показників. Він має спеціальну назву - струм насичення.
4. Відповідно до експоненціальним законом, з поступовим збільшенням температури будуть збільшуватися і показники струму насичення.

Пряме і зворотне напруга

Напруга, яке впливає на діод, поділяють за двома критеріями:

1. Пряме напруга - це те, при якому відбувається відкриття діода і починається проходження через нього прямого струму, при цьому показники опору приладу є вкрай низькими.
2. Зворотна напруга - це те, яке володіє зворотною полярністю і забезпечує закриття діода з проходженням через нього зворотного струму. Показники опору приладу при цьому починають різко і значно зростати.

Опір p-n-переходу є мінливим показником, в першу чергу на нього впливає пряме напруга, що подається безпосередньо на діод. Якщо напруга збільшується, то показники опору переходу будуть пропорційно зменшуватися.

Це призводить до зростання параметрів прямого струму, що проходить через діод. Коли даний прилад закритий, то на нього впливає фактично всю напругу, з цієї причини показники проходить через діод зворотного струму є незначними, а опір переходу при цьому досягає пікових параметрів.

Робота діода і його вольт-амперна характеристика

Під вольт-амперної характеристикою даних приладів розуміється крива лінія, яка показує те, в яку залежність знаходиться висока напруга, яка через p-n-перехід, від обсягів і полярності напруги, що впливає на нього.

Подібний графік можна описати таким чином:

1. Ось, розташована по вертикалі: верхня область відповідає значенням прямого струму, нижня область параметрам зворотного струму.
2. Ось, розташована по горизонталі: область, що знаходиться праворуч, призначена для значень прямого напруги; область зліва для параметрів зворотного напруги.
3. Пряма гілка вольт-амперної характеристики відображає пропускної електричний струм через діод. Вона спрямована вгору і проходить в безпосередній близькості від вертикальної осі, оскільки відображає збільшення прямого електричного струму, яке відбувається при збільшенні відповідного напруги.
4. Друга (зворотна) гілка відповідає і відображає стан закритого електричного струму, який також проходить через прилад. Положення у неї таке, що вона проходить фактично паралельно відносно горизонтальної осі. Чим крутіше ця гілка підходить до вертикалі, тим вище випрямні можливості конкретного діода.
5. За графіком можна спостерігати, що після зростання прямого напруги, що протікає через p-n-перехід, відбувається повільне збільшення показників електричного струму. Однак поступово, крива досягає області, в якій помітний стрибок, після якого відбувається прискорене наростання його показників. Це пояснюється відкриттям діода і проведенням струму при прямій напрузі. Для приладів, виготовлених з германію, це відбувається при напрузі рівному від 0,1 до 0,2 В (максимальне значення 1В), а для кремнієвих елементів потрібно більш високий показник від 0,5 В до 0,6 В (максимальне значення 1,5 В).
6. Показане збільшення показників струму може призвести до перегріву напівпровідникових молекул. Якщо відведення тепла, що відбувається завдяки природним процесам і роботі радіаторів, буде менше рівня його виділення, то структура молекул може бути зруйнована, і цей процес буде мати вже незворотній характер. З цієї причини, необхідно обмежувати параметри прямого струму, щоб не допустити перегріву напівпровідникового матеріалу. Для цього, в схему додаються спеціальні резистори, що мають послідовне підключення з діодами.
7. Досліджуючи зворотний гілка можна помітити, що якщо починає збільшуватися зворотна напруга, яке докладено до p-n-переходу, то фактично непомітний зростання параметрів струму. Однак у випадках, коли напруга досягає параметрів, що перевершують допустимі норми, може статися раптовий стрибок показників зворотного струму, що перегріє напівпровідник і сприятиме подальшому пробою p-n-переходу.

Основні несправності діодів

Іноді прилади подібного типу виходять з ладу, це може відбуватися через природної амортизації і старіння даних елементів або з інших причин.

Всього виділяють 3 основних типи поширених несправностей:

1. Пробій переходу призводить до того, що діод замість напівпровідникового приладу стає за своєю суттю самим звичайним провідником. У такому стані він позбавляється своїх основних властивостей і починає пропускати електричний струм в абсолютно будь-якому напрямку. Подібна поломка легко виявляється за допомогою стандартного мультиметра, який починає лунати сигнал і показувати низький рівень опору в діоді.
2. При обриві відбувається зворотний процес - прилад взагалі перестає пропускати електричний струм в будь-якому напрямку, тобто він стає за своєю суттю ізолятором. Для точності визначення обриву, необхідно використовувати тестери з якісними і справними щупами, в іншому випадку, вони можуть іноді помилково діагностувати дану несправність. У сплавних напівпровідникових різновидів така поломка зустрічається вкрай рідко.
3. Витік, під час якої порушується герметичність корпусу приладу, внаслідок чого він не може справно функціонувати.

Пробій p-n-переходу

Подібні пробої відбуваються в ситуаціях, коли показники зворотного електричного струму починають раптово і різко зростати, відбувається це через те, що напруга відповідного типу досягає неприпустимих високих значень.

Зазвичай різниться кілька видів:

1. Теплові пробої, які викликані різким підвищенням температури і подальшим перегрівом.
2. Електричні пробої, що виникають під впливом струму на перехід.

Графік вольт-амперної характеристики дозволяє наочно вивчати ці процеси і різницю між ними.

електричний пробій

Наслідки, що викликаються електричними пробоями, не носять незворотного характеру, оскільки при них не відбувається руйнування самого кристала. Тому при поступовому зниженні напруги можна відновити всій властивості і робочі параметри діода.

При цьому, пробої такого типу діляться на два різновиди:

1. Тунельні пробої відбуваються при проходженні високої напруги через вузькі переходи, що дає можливість окремим електронам проскочити через нього. Зазвичай вони виникають, якщо в напівпровідникових молекулах є велика кількість різних домішок. Під час такого пробою, зворотний струм починає різко і стрімко зростати, а відповідну напругу знаходиться на низькому рівні.
2. Лавинні різновиди пробоїв можливі завдяки впливу сильних полів, здатних розігнати носіїв заряду до граничного рівня через що вони вибивають з атомів ряд валентних електронів, які після цього вилітають в проведену область. Це явище носить лавиноподібний характер, завдяки чому даний вид пробоїв і отримав таку назву.

тепловий пробій

Виникнення такого пробою може статися з двох основних причин: недостатній тепловідвід і перегрів p-n-переходу, який відбувається через протікання через нього електричного струму із занадто високими показниками.

Підвищення температурного режиму в переході і сусідніх областях викликає такі наслідки:

1. Зростання коливання атомів, що входять до складу кристала.
2. Попадання електронів в проведену зону.
3. Різке підвищення температури.
4. Руйнування і деформація структури кристала.
5. Повний вихід з ладу і поломка всього радіокомпонентів.

slarkenergy.ru

Випрямний діод | Volt-info

Малюнок 1. Вольтамперная характеристика випрямного діода.

Вольтамперная характеристика випрямного діода

На малюнку в першому квадраті розташована пряма, в третьому - зворотна гілка характеристики діода. Пряма гілка характеристики знімається при дії прямого напруги, зворотна відповідно - зворотної напруги на діод. Прямим напругою на діод називається така напруга, при якому на катоді утворюється вищий електричний потенціал по відношенню до анода, а якщо говорити мовою знаків - на катоді мінус (-), на аноді плюс (+), як показано на малюнку 2.

Малюнок 2. Схема для вивчення ВАХ діода при прямому включенні.

На малюнку 1 наведено такі умовні позначення:

Iр - робочий струм діода;

Uд - падіння напруги на діоді;

Uо - зворотна напруга діода;

Uпр - напруга пробою;

Iу - струм витоку, або зворотний струм діода.

Поняття і позначення характеристик

Робочий струм діода (Iр), це прямий електричний струм, тривалий час проходить через діод, при якому пристрій не піддається необоротного температурному руйнування, і його характеристики не зазнають значних якісних змін. У довідниках може вказуватися як прямий максимальний струм. Падіння напруги на діоді (Uд) - напруга на висновках діода, що виникає при проходженні через нього прямого робочого струму. У довідниках може бути позначено як пряме напруга на діоді.

Прямий струм тече при прямому включенні діода.

Зворотна напруга діода (Uо) - допустимий зворотна напруга на діоді, прикладена до нього тривалий час, при якому не відбувається необоротне руйнування його p-n переходу. У довідковій літературі може називатися максимальним зворотною напругою.

Напруга пробою (Uпр) - зворотна напруга на діоді, при якому відбувається незворотний електричний пробій p-n переходу, і, як наслідок, вихід приладу з ладу.

Зворотний струм діода, або струм витоку (Iу) - зворотний струм, тривалий час не викликає незворотного руйнування (пробою) p-n переходу діода.

При виборі випрямних діодів зазвичай керуються зазначеними вище його характеристиками.

Робота діода

Тонкощі роботи p-n переходу, тема окремої статті. Спростимо задачу, і розглянемо роботу діода з позиції односторонньої провідності. І так, діод працює як провідник при прямому, і як діелектрик (ізолятор) при зворотному включенні. Розглянемо дві схеми на малюнку 3.

Малюнок 3. Зворотне (а) і пряме (б) включення діода.

На малюнку зображені два варіанти однієї схеми. На малюнку 3 (а) положення перемикачів S1 і S2 забезпечують електричний контакт анода діода з мінусом джерела живлення, а катода через лампочку HL1 з плюсом. Як ми вже визначилися, це зворотне включення діода. В цьому режимі діод буде вести себе як електрично ізолює елемент, електричний ланцюг буде практично розімкнути, лампа горіти не буде.

При зміні положення контактів S1 і S2, малюнок 3 (б), забезпечується електричний контакт анода діода VD1 з плюсом джерела живлення, а катода через лампочку - з мінусом. При цьому виконується умова прямого включення діода, він «відкривається» і через нього, як через провідник, тече струм навантаження (лампи).

Якщо Ви тільки почали вивчати електроніку, Вас може трохи збентежити складність з перемикачами на малюнку 3. Проведіть аналогію з наведеним опису, спираючись на спрощені схеми малюнка 4. Ця вправа дозволить Вам трохи зрозуміти і зорієнтуватися щодо принципу побудови і читання електричних схем.

Малюнок 4. Схема зворотного і прямого включення діода (спрощена).

На малюнку 4 зміна полярності на висновках діода забезпечується зміною положення діода (перевертанням).

Односпрямована провідність діода

Малюнок 5. Діаграми напруг до і після випрямного діода.

Приймемо умовно, що електричний потенціал перемикача S2 завжди дорівнює 0. Тоді на анод діода буде подаватися різниця напруги -US1-S2 і + US1-S2 в залежності від положення перемикачів S1 і S2. Діаграма такого змінної напруги прямокутної форми зображена на малюнку 5 (верхня діаграма). При негативній різниці напруг на аноді діода він замкнений (працює як ізолюючий елемент), при цьому через лампу HL1 струм не тече і вона не горить, а напруга на лампі практично дорівнює нулю. При позитивній різниці напруг діод відмикається (діє як електричний провідник) і по послідовної ланцюжку діод-лампа тече струм. Напруга на лампі зростає до UHL1. Ця напруга трохи менше напруги джерела живлення, оскільки частина напруги падає на діоді. З цієї причини, різниця напруг в електроніці та електротехніці іноді називають «падінням напруги». Тобто в даному випадку, якщо лампу розглядати як навантаження, то на ній буде напруга навантаження, а на діоді - падіння напруги.

Таким чином, періоди негативної різниці напруги як би ігноруються діодом, обрізаються, і через навантаження тече струм тільки в періоди позитивної різниці напруг. Таке перетворення змінної напруги в однополярної (пульсуюче або постійне) назвали випрямляння.

volt-info.ru

1.Полупроводніковие діоди, принцип дії, характеристики:

НАПІВПРОВІДНИКОВИЙ ДИОД - напівпровідниковий прилад з двома електродами, що володіє однобічну провідність. До напівпровідникових діодів відносять велику групу приладів з p-n-переходом, контактом метал - напівпровідник і ін. Найбільш поширені електропреобразовательниє напівпровідникові діоди. Служать для перетворення і генерування електричних коливань. Один з основних сучасних електронних приладів. Принцип дії напівпровідникового діода: В основі принципу дії напівпровідникового діода - властивості електронно-діркового переходу, зокрема, сильна асиметрія вольт-амперної характеристики щодо нуля. Таким чином розрізняють пряме і зворотне включення. У прямому включенні діод має малу електроопору і добре проводить електричний струм. У зворотному - при напрузі менше напруги пробою опір дуже велике і ток перекритий. Характеристики:

2.Полупроводніковие діоди, пряме і зворотне включення, вах:

Пряме і зворотне включення:

При прямому включенні p-n-переходу зовнішня напруга створює в переході поле, яке протилежно по напрямку внутрішнього диффузионному полю. Напруженість результуючого поля падає, що супроводжується звуженням замикаючого шару. В результаті цього велика кількість основних носіїв зарядів отримує можливість диффузионно переходити в сусідню область (струм дрейфу при цьому не змінюється, оскільки він залежить від кількості неосновних носіїв, що з'являються на кордонах переходу), тобто через перехід буде протікати результуючий струм, який визначається в основному дифузійної складової. Дифузний струм залежить від висоти потенційного бар'єру і в міру його зниження збільшується експоненціально.

Підвищена дифузія носіїв зарядів через перехід привід до підвищення концентрації дірок в області n-типу і електронів в області p-типу. Таке підвищення концентрації неосновних носіїв внаслідок впливу зовнішнього напруги, прикладеного до переходу, називається інжекцією неосновних носіїв. Нерівноважні неосновні носії дифундують углиб напівпровідника і порушують його електронейтральність. Відновлення нейтрального стану напівпровідника відбувається за рахунок надходження носіїв зарядів від зовнішнього джерела. Це є причиною виникнення струму в зовнішньому ланцюзі, званого прямим.

При включенні p-n-переходу в зворотному напрямку зовнішнє зворотна напруга створює електричне поле, що збігається по напрямку з дифузійним, що призводить до зростання потенційного бар'єру і збільшення ширини замикаючого шару. Все це зменшує дифузійні струми основних носіїв. Для неосновних носії поле в p-n-переході залишається пришвидшує, і тому дрейфовий струм не змінюється.

Таким чином, через перехід буде протікати результуючий струм, який визначається в основному струмом дрейфу неосновних носіїв. Оскільки кількість дрейфуючих неосновних носіїв не залежить від прикладеної напруги (воно впливає тільки на їх швидкість), то при збільшенні зворотної напруги струм через перехід прагнути до граничного значення IS, яке називається струмом насичення. Чим більше концентрація домішок донорів і акцепторів, тим менше струм насичення, а зі збільшенням температури струм насичення зростає за експоненціальним законом.

На графіку зображені ВАХ для прямого і зворотного включення діода. Ще кажуть, пряма і зворотна гілка вольт-амперної характеристики. Пряма гілка (Іпр і Uпр) відображає характеристики діода при прямому включенні (тобто коли на анод подається «плюс»). Зворотній гілка (Iобр і Uобр) відображає характеристики діода при зворотному включенні (тобто коли на анод подається «мінус»).

Синя товста лінія - це характеристика германієвого діода (Ge), а чорна тонка лінія - характеристика кремнієвого (Si) діода. На малюнку не вказані одиниці виміру для осей струму і напруги, так як вони залежать від конкретної марки діода.

Для початку визначимо, як і для будь-якої плоскої системи координат, чотири координатних кута (квадранта). Нагадаю, що першим вважається квадрант, який знаходиться справа вгорі (тобто там, де у нас букви Ge і Si). Далі квадранти відраховуються проти годинникової стрілки.

Отже, II-й і IV-й квадранти у нас порожні. Це тому, що ми можемо включити діод тільки двома способами - в прямому або в зворотному напрямку. Неможлива ситуація, коли, наприклад, через діод протікає зворотний струм і одночасно він включений в прямому напрямку, або, іншими словами, неможливо на один висновок одночасно подати і «плюс» і «мінус». Точніше, це можливо, але тоді це буде коротке замикання. Залишається розглянути тільки два випадки - пряме включення діодаіобратное включення діода.

Графік прямого включення намальований в першому квадраті. Звідси видно, що чим більша напруга, тим більше струм. Причому до якогось моменту напруга зростає швидше, ніж струм. Але потім настає перелом, і напруга майже не змінюється, а струм починає зростати. Для більшості діодів цей перелом настає в діапазоні 0,5 ... 1 В. Саме ця напруга, як кажуть, «падає» на діоді. Ці 0,5 ... 1 В і є падіння напруги на діоді. Повільне зростання струму до напруги 0,5 ... 1В означає, що на цій ділянці струм через діод практично не йде навіть в прямому напрямку.

Графік зворотного включення намальований в третьому квадранті. Звідси видно, що на значній ділянці ток майже не змінюється, а потім збільшується лавиноподібно. Якщо збільшити, напруга, наприклад, до декількох сотень вольт, то це висока напруга «проб'є» діод, і струм через діод буде текти. Ось тільки «пробою» - це процес незворотний (для діодів). Тобто такий «пробою» призведе до вигоряння діода і він або взагалі перестане пропускати струм в будь-якому напрямку, або навпаки - буде пропускати струм у всіх напрямках.

У характеристиках конкретних діодів завжди вказується максимальна зворотна напруга - тобто напруга, яке може витримати діод без «пробою» при включенні в зворотному напрямку. Це потрібно обов'язково враховувати при розробці пристроїв, де застосовуються діоди.

Порівнюючи характеристики кремнієвого і германієвого діодів, можна зробити висновок, що в p-n-переходах кремнієвого діода прямий і зворотний струми менше, ніж в германієвих діоді (при однакових значеннях напруги на висновках). Це пов'язано з тим, що у кремнію більше ширина забороненої зони і для переходу електронів з валентної зони в зону провідності їм необхідно повідомити велику додаткову енергію.

studfiles.net

Максимальна зворотна напруга на діодах визначається формулою

Uобр. mах \u003d 1,045Uср.

У ряді практичних застосувань для випрямлення змінного струму і плавного регулювання потужності переданої в навантаження використовують тиристорні перетворювачі. При цьому, малі струми управління дозволяють управляти великими струмами навантаження.

Приклад найпростішого керованого по потужності тиристорного випрямляча показаний на рис. 7.10.

Мал. 7.10. Тиристорна схема випрямляча

На рис. 7.11 наведені часові діаграми, що пояснюють принцип регулювання середнього значення випрямленої напруги.

Мал. 7.11. Тимчасові діаграми роботи тиристорного випрямляча

У цій схемі передбачається, що вхідна напруга Uвх для регульованого тиристорного формується, наприклад, двухполуперіодним випрямлячем. Якщо керуючі імпульси Uу достатньої амплітуди подаються на початку кожного напівперіоду (ділянка о-а на діаграмі U вих), вихідна напруга буде повторювати напруга двухполуперіодного випрямляча. Якщо змістити керуючі імпульси до середини кожного напівперіоду, то імпульси на виході будуть звучати хоча б, що дорівнює чверті полупериода (ділянка b-с). Подальший зсув керуючим імпульсів призведе до подальшого зменшення середньої амплітуди вихідних імпульсів (ділянка d - e).

Таким чином, подаючи на тиристор керуючі імпульси, що зрушуються по фазі щодо вхідного напруги, можна перетворити синусоїдальна напруга (струм) в послідовність імпульсів будь-якої тривалості, амплітуди і полярності, тобто можна змінювати діюче значення напруги (струму) в широких межах.

7.3 Згладжувальні фільтри

Розглянуті схеми випрямлення дозволяють отримувати однополярної пульсує напруга, яка не завжди може бути застосовано для харчування складних електронних приладів, оскільки, через великі пульсацій, призводять до нестійкості їх роботи.

Для значного зменшення пульсації застосовують згладжують фільтри. Найважливішим параметром, що згладжує фільтра є коефіцієнт згладжування S, який визначається за формулою S \u003d 1 / 2, де 1 і 2 - коефіцієнти пульсацій на вході і виході фільтра відповідно. Коефіцієнт пульсації показує у скільки разів фільтр зменшує пульсації. У практичних схемах коефіцієнт пульсацій на виході фільтра може досягати значень 0,00003.

Основними елементами фільтрів є реактивні елементи - ємності й індуктивності (дроселі). Розглянемо спочатку принцип роботи найпростішого фільтра, що згладжує, схема якого наведена на рис. 7.12.

Мал. 7.12. Схема найпростішого фільтра, що згладжує з однополуперіодним випрямлячем

У цій схемі згладжування напруги на навантаженні після однополупериодного діодного випрямляча VD здійснюється за допомогою конденсатора С, підключеного паралельно навантаженні Rн.

Тимчасові діаграми, що пояснюють роботу такого фільтра, наведені на рис. 7.13. На ділянці t1 - t2 вхідною напругою діод відкривається, а конденсатор заряджається. Коли вхідна напруга почне зменшуватися, діод закривається напругою, накопиченим на конденсаторі Uс (ділянка t1 - t2). На цьому інтервалі джерело вхідної напруги відключається від конденсатора і навантаження, і конденсатор розряджається через опору навантаження Rн.

Мал. 7.13. Тимчасові діаграми роботи фільтра з однополуперіодним випрямлячем

Якщо ємність досить велика, по розряд ємності через Rн буде відбуватися з великою постійною часу  \u003d RнС, і отже, зменшення напруження на конденсаторі буде невеликим, а ефект згладжування - значним. З іншого боку, чим більше ємність тим коротше відрізок t1 - t2 протягом якого діод відкритий і через нього тече струм i зростаючий (при заданому середньому струмі навантаження) при зменшенні різниці t2 - t1. Такий режим роботи може привести до виходу з ладу випрямного діода, і, крім того, є досить важким і для трансформатора.

При використанні двухполуперіодних випрямлячів величина пульсацій на виході ємнісного фільтра зменшується, оскільки конденсатор за час між появою імпульсів на меншу величину, що добре ілюструється рис. 7.14.

Мал. 7.14. Згладжування пульсацій двухполуперіодного випрямляча

Для розрахунку величини пульсацій на виході ємнісного фільтра зробимо апроксимацію пульсацій вихідної напруги пилкоподібної кривої струм, як це показано на рис. 7.15.

Мал. 7.15. Апроксимація напруги пульсацій

Зміна заряду на конденсаторі визначається виразом

ΔQ \u003d ΔUC \u003d I НТ1,

де Т1 - період пульсацій, Iн - середнє значення струму навантаження. З урахуванням того, що Iн \u003d ІСР / Rн, отримуємо

З рис. 7.15 випливає, що

при цьому подвійна амплітуда пульсацій визначається виразом

Згладжуючими властивостями володіють і індуктивні фільтри, причому кращими згладжуючими властивостями володіють фільтри, що містять індуктивність і ємність, з'єднані так, як показано на рис. 7.16.

Мал. 7.16. Згладжує фільтр з індуктивністю і ємністю

У цій схемі ємність конденсатора вибирається таким чином, щоб його реактивний опір було значно меншим опору навантаження. Перевагою такого фільтра є те, що він зменшує величину вхідний пульсації ΔU до величини, гдеω - частота пульсацій.

На практиці широкого поширення набули різні типи F - образних і П - образних фільтрів, варіанти побудови яких представлені на рис. 7.17.

При невеликих токах навантаження добре працює F - подібний випрямляч, представлений на рис. 7.16.

Мал. 7.17. Варіанти побудови фільтра

У найбільш відповідальних схемах використовують багатоланкові схеми фільтрації (рис. 7.17 г).

Часто дросель замінюють резисторами, що трохи знижує якість фільтрації, але значно здешевлює фільтри (рис. 7.17 б, в).

Основною зовнішньою характеристикою випрямлячів з фільтром є залежність середнього значення вихідної напруги Uср (напруги на навантаженні) від середнього значення вихідного струму.

У розглянутих схемах збільшення вихідного струму призводить до зменшення Uср через збільшення падіння напруги на обмотках трансформатора, діодів, що підводять проводах, елементах фільтра.

Нахил зовнішньої характеристики при заданому середньому струмі визначають через вихідний опір Rвих, що визначається за формулою:

Icр - задано. Чим менше величина Rвих, тим менше вихідна напруга залежить від вихідного струму, тим краще схема випрямляча з фільтром. На рис. 7.18 наведені типові залежності Uср від Iср для різних варіантів фільтрації.

Мал. 7.18. Типові залежності Uср від Iср для різних схем фільтрації

studfiles.net

Що таке зворотна напруга? - Ремонт інтер'єр будівництво

Зворотна напруга

Зворотна напруга - це тип сигналу енергії, що створюється при зміні полярності електричного струму. Така напруга часто виникає, коли зворотна полярність подається на діод, змушуючи діод реагувати, працюючи в зворотному напрямку. Ця зворотна функція може також створювати напругу пробою всередині діода, так як це часто призводить до поломки схеми, до якої застосовується напруга.

Зворотна напруга виникає, коли джерело підключення енергетичного сигналу до ланцюга застосовується інвертованим чином. Це означає, що позитивний джерело свинцю підключений до заземленого або негативного провіднику ланцюга і навпаки. Ця передача напруги часто не призначена, так як більшість електричних схем не здатні обробляти напруги.

Коли мінімальна напруга подається на схему або на діод, це може привести до того, що схема або діод працюватимуть в зворотному порядку. Це може викликати реакцію, таку як двигун вентилятора коробки, обертаючись неправильно. Елемент буде продовжувати функціонувати в таких випадках.

Коли величина напруги, прикладеного до ланцюга, занадто велика, сигнал для прийнятої схеми, однак, це називається пробивним напругою. Якщо вхідний сигнал, який був зворотний, перевищує допустиму напругу для ланцюга для підтримки, схема може бути пошкоджена за межами решті використовуваної. Точка, в якій ланцюг пошкоджена, відноситься до значення напруги пробою. Ця напруга пробою має пару інших імен, пікове зворотне напруга або зворотне пробивна напруга.

Зворотна напруга може викликати напругу пробою, яке також впливає на роботу інших компонентів схеми. За межами ушкоджують діодів і функцій ланцюга зворотного напруги він також може стати піковим зворотним напругою. У таких випадках схема не може містити кількість вхідної потужності від сигналу, який був звернений назад, і може створювати напругу пробою між ізоляторами.

Ця напруга пробою, яке може виникати через компоненти схеми, може викликати пробою компонентів або дротяних ізоляторів. Це може перетворити їх в сигнальні провідники і пошкодити ланцюг, проводячи напруга на різні частини схеми, які не повинні приймати його, що призводить до нестабільності по всьому ланцюгу. Це може викликати дуги напруги від компонента до компоненту, що також може бути досить потужним, щоб запалити різні компоненти схеми і спричинити пожежу.

Система тт в електроустановках напругою до 1000 В

Діоди часто іменуються «прямими» і «зворотними». З чим це пов'язано? Чим відрізняється «прямий» діод від «зворотного» діода?

Що являє собою «прямий» діод?

Діод - це напівпровідник, який має 2 виводу, а саме - анод і катод. Використовується він для обробки різними способами електричних сигналів. Наприклад, з метою їх випрямлення, стабілізації, перетворення.

Особливість діода в тому, що він пропускає струм тільки в одну сторону. У зворотному напрямку - немає. Це можливо завдяки тому, що в структурі діода присутній 2 типу напівпровідникових областей, що розрізняються по провідності. Перша умовно відповідає анода, що має позитивний заряд, носіями якого є так звані дірки. Друга - це катод, що має негативний заряд, його носії - електрони.

Діод може функціонувати в двох режимах:

• відкритому;
• закритому.

У першому випадку через діод добре проходить струм. У другому режимі - з працею.

Відкрити діод можна за допомогою прямого включення. Для цього потрібно підключити до аноду позитивний дріт від джерела струму, а до катода - негативний.

Прямим також може іменуватися напруга діода. Неофіційно - і сам напівпровідниковий прилад. Таким чином, «прямим» є не він, а підключення до нього або ж напруга. Але для простоти розуміння в електриці «прямим» часто іменується і сам діод.

Що являє собою «зворотний» діод?

Закривається напівпровідник за допомогою, в свою чергу, зворотної подачі напруги. Для цього потрібно поміняти полярність проводів від джерела струму. Як і у випадку з прямим діодом, формується зворотна напруга. «Зворотним» ж - по аналогії з попереднім сценарієм - іменується і сам діод.

порівняння

Головна відмінність «прямого» діода від «зворотного» діода - в способі подачі струму на напівпровідник. Якщо він подається з метою відкриття діода, то напівпровідник стає «прямим». Якщо полярність проводів від джерела струму змінюється - то напівпровідник закривається і стає «зворотним».

Розглянувши, в чому різниця між «прямим» діодом і «зворотним» діодом, відобразимо основні висновки в таблиці.

Діодом називають напівпровідниковий прилад з одним p-n переходом, який має два виходи (катод і анод), він призначений для стабілізації, випрямлення, модуляції, детектування, перетворення і обмеження електричних сигналів зворотного струму.

У своєму функціональному призначенні діоди поділяють на імпульсні, випрямні, універсальні, стабілітрони, СВЧ-діоди, тунельні, варикапи, переключають діоди і т.п.

В теорії нам відомо, що діод пропускає струм лише в одну трону. Однак, не всім відомо і зрозуміло яким саме чином він це робить. Схематично діод можна собі уявити у вигляді кристала складається з 2-х областей (напівпровідників). Одна з цих областей кристала має провідність n-типу, а інша - провідність p-типу.

На малюнку знаходяться дірки, що переважають в області n-типу, які зображено синіми колами, а електрони, що переважають в області p-типу - червоними. Дві ці області є електродами діода катодом і анодом:

Катод - це негативний електрод діода, основними носіями заряду якого є електрони.

Анод - це позитивний електрод діода, основними носіями заряду якого є дірки.

На зовнішніх поверхнях областей нанесені контактні металеві шари, до яких припаяні дротові висновки електродів діода. Прилад такого роду може перебувати виключно в одному з двох станів:

1. Закрите - це коли він погано проводить струм;

2. Відкрите - це коли він добре проводить струм.

Діод виявиться в закритому стані, якщо застосувати полярність джерела постійної напруги.

В такому випадку електрони з області n-типу почнуть переміщення до позитивного полюса джерела живлення, віддаляючись від p-n переходу, і дірки, в області p-типу, теж будуть віддалятися від p-n переходу, переміщаючись до негативного полюса. Зрештою межа областей розшириться, від чого утворюється зона асоціацій електронами і дірками, яка буде чинити величезний опір току.

Однак, в кожній з областей діода присутні неосновні носії заряду, і невеликий обмін електронами і дірками між областями все ж буде відбуватися. Тому через діод буде протікати у багато разів менший струм, ніж прямий, і цей струм називають зворотним струмом діода. На практиці, як правило, зворотним струмом p-n переходу нехтують, і звідси виходить, що p-n перехід має лише однобічну провідність.

Що таке пряме і зворотне напруга? Намагаюся зрозуміти принцип дії польового транзистора. і отримав найкращу відповідь

Відповідь від Вовик [активний]
Пряме - до плюса прикладається плюс, до мінуса - мінус. Зворотне - до плюса - мінус, до мінуса - плюс.
Стосовно до польового транзистора - між витоком і затвором.
База і емітер є у біполярного транзистора, не у польового.
Біполярний транзистор являє собою два зустрічно включених р-п переходу з одним загальним виходом - емітер - база (типу загальний) - колектор, як два діода, тільки загальна "прошарок" тонка і проводить струм, якщо подати пряму напругу, яке називається відкриває, між емітером і базою.
Чим більше пряма напруга між базою і емітером, тим більше відкрито транзистор і менше його опір емітер-колектор, т. Е. Між напругою емітер-база і опором біполярного транзистора зворотна залежність.
Якщо між базою і емітером подати зворотна напруга, транзистор закриється зовсім і не буде проводити струм.
Якщо подати напругу тільки на базу і емітер або базу і колектор, вийде звичайний діод.
Польовий транзистор влаштований трохи по-іншому. Там теж три висновки, але називаються стік, витік і затвор. Там тільки один р-п перехід, затвор -\u003e втік-витік або затвор<- сток-исток в зависимости от полярности транзистора. Затвор находится между истоком и стоком и к нему (измеряется относительно истока) всегда прикладывается только обратное напряжение, которое создаёт поле в промежутке между истоком и стоком, в зависимости от напряжённости больше или меньше препятствующее движению электронов (следовательно, изменяя сопротивление транзистора) , и, таким образом, создающую обратную зависимость между напряжением исток-затвор и сопротивлением полевого транзистора.

відповідь від ALEX R[Гуру]
На 1 пит прям і обр напр буває у напівпровідника (діода) т. Е. Діод в ппрямом нпр ток пропускає, а якщо струм тече назад, все закритий. Для ясності ніпель велосипедної шини туди дуй, назад немає. Польовий тр-р, ось чисто для розуміння немає злектронную зв'язку між затвором і стік витік, а струм пропускає за рахунок зл поля створ на затворі. От якось так.

відповідь від Олександр Єгоров[Гуру]
пряме - мінус до області з n-провідністю, плюс до області до с р-провідністю
зворотне навпаки
подаючи лише на емітер і колектор ток проходити не буде, т. к. іонізовані атоми бази будуть відштовхувати від pn переходу вільні заряди емітера (яким тепер непросто перескочити pn перехід, тк це діелектрик). А якщо подати напругу на базу, то воно "висмокче" з бази вільні заряди і вони вже не будуть відштовхувати заряди емітера, заважаючи їм перетинати pn перехід. Транзистор відкриється.
До речі емітер, колектор і базу має не польовий, а біполярний транзистор.
Якщо подати напругу тільки на базу і емітер або базу і колектор, то це буде простий діод (кожен pn перехід це діод).

відповідь від User user[Гуру]
польовий транзистор має канал р або n типу керований полем. висновки транзистора затвор стік витік

Характеристики та параметри випрямних і універсальних діодів

Випрямні діоди служать для випрямлення змінного струму низької частоти. В основі випрямних властивостей цих діодів лежить принцип односторонньої провідності електронно-доручених р-і-переходів.

Універсальні діоди використовують в різній радіоелектрон-ної апаратури в якості випрямлячів змінного струму високих і низьких частот, умножителей і перетворювачів частоти, детектор-рів великих і малих сигналів і т. Д. Діапазон робочих струмів і напруг випрямних і уні-версальная діодів дуже широкий, тому вони випускаються як з точковим так і площинним р-n-переходом в структурі напівпровідника з площами від десятих часток квад-ратної міліметра до неяк-ких квадратних сантиметрів. Зазвичай в універсальних диодах використовуються переходи з малими площами і ємностями, але з від-носительно високими значеннями прямих струмів і зворотних напря-жений. Цим вимогам удовлет-Воря точкові, мікросплавние площинні та мезапланарних дио-ди. Характеристики та параметри універсальних діодів ті ж, що і у випрямних діодів.

Вольтамперная характеристи-ка(ВАХ) випрямних діодів висловлює залежність струму, про-ходить через діод, від значення і полярності прикладеної до нього постійної напруги Пряма гілка характеристики показує залежність струму через діод при прямій пропускної полярності прикладеної напруги. Сила прямого струму експоненціаль-но залежить від прикладеної до діода прямого напруги і може досягати великих значень при малому (близько 0,3 - 1 В) падінні напруги на діоді.

Зворотній гілка характеристики відповідають не-який проводить напрямку струму через діод при зворотному полярно-сти прикладеного до діода напруги. Зворотний струм (ділянка. ОД) незначно залежить від прикладеної зворотної напруги. При відносно великій зворотній напрузі (точка В на характе-ристики) настає електричний пробій р-n-переходу, при кото-ром швидко збільшується зворотний струм, що може привести до теп-ловому пробою і пошкодження діода. При підвищенні температури зростуть теплової струм і струм генерації носіїв зарядів в пере-ході, що призведе до збільшення прямого і зворотного струмів і сме-щення характеристик діода.

Властивості і взаємозамінність діодів оцінюють по їх пара-метрам. До основних параметрів відносять струми і напруги, свя-занние з ВАХДіоди застосовують в ланцюгах як змінного, так і постійного струму. Тому для оцінки властивостей діодів поряд з параметрами на користуються диференціальними параметрами, ха-рактерізует їх роботу на змінному струмі.

Випрямлений (прямий) струм Іпр є струм (середовищ-неї значення за період), що проходить через діод, при якому забезпе-чується його надійна і тривала робота. Сила цього струму ог-ранічівается розігрівом або максимальною потужністю Рмакс. Пре-щення прямого струму веде до теплового пробою і пошкодження діода.

• Пряме падіння напруги UПр.Ср - середнє значення за пери-од на діоді при проходженні через нього допустимого прямого струму.
• Допустиме зворотна напруга U0бр середнє значення за період, при якому забезпечується надійна і тривала робота діода. Перевищення зворотної напруги призводить до пробою і ви-ходу діодів з ладу. При підвищенні температури значення об-ратного напруги і прямого струму знижуються.
• зворотний струм Iобр - середнє значення за період зворотного то-ка при допустимому Uобр. Чим менше зворотний струм, тим краще

Ви-прямітельние властивості діода. Підвищення температури на кожні 10 ° С призводить до збільшення зворотного струму у германієвих «крем-ніевих діодів, в 1,5 - 2 рази і більше.

Максимальна постійна, Або середня за період потужність Pмакс, що розсіюється діодом, при якій діод може довго ра-ботать, не змінюючи своїх параметрів. Ця потужність складається з суми творів струмів і напруг при прямому і обрат-ном зсувах переходу, т. Е. За позитивний і негативний напівперіоди змінного струму. Для приладів великої потужності, які працюють з хорошим теплоотводом, Pмакс \u003d (Tп.макс - ТК) / Rпк. Для приладів малої потужності, які працюють без відводу тепла,

Pмакс \u003d (Tп.макс - Т с) /Rп.с.

Максимальна температура переходу Гп.макс залежить від мате-ріалу (ширини забороненої зони) напівпровідника і ступеня його легування, т. Е. Від питомої опору області р-n-переходу - бази. Діапазон Гп.макс для германію лежить в межах 80 - 110 ° С, а для кремнію 150 - 220 ° С.

тепловий опір Rп.к між переходом і корпусом оп-ределяется температурним перепадом між переходом ТПІ корпусом Tк і середньої виділяється в переході потужністю Ра і склад-ляет 1 - 3 ° С / Вт: Ra.K \u003d (Ta - TK) / Pa. Тепловий опір Rn c між переходом і навколишнім середовищем залежить від температурного перепаду між переходом Тп і навколишнім середовищем Тс. Оскільки практично RПK

Граничний режим використання діодів характеризують мак-симально допустима зворотна напруга Uобр макс, максимальний випрямний струм Іпр макс і максимальна темпера-туру переходу ТПмакс З підвищенням частоти змінної напруги, що підводиться до діода, погіршуються його випрямні властивості. Тому для визначення властивостей випрямних діодів звичайно домовляються діапазон робочих частот Дf або максимальна частота випрямляючи-ня Fмакс На частотах, великих Fмакс, не встигають компенсувати накопичені за час прямого полупериода неосновні носите-ли заряду в базі, тому при зворотному напівперіоді випрямляемо-го напруги перехід деякий час залишається прямосмещенного (т е втрачає свої випрямні властивості). Це властивість прояв-ляется тим значніше, чим більше імпульс прямого струму або ви-ше частота підводиться змінної напруги Крім того, на високих частотах починає проявлятися шунтуючі дію бар'єрної і дифузійної ємностей p-n-переходу, що знижують його випрямні властивості

При розрахунку режиму випрямлячів використовуються статичний опір постійному струму і диференціальне опір діодів змінному струмі

• диференціальне опір змінному струмі rдіф \u003d dU / dI або rДіф \u003d ДU / Дi визначає зміна струму через діод при зміні напруги поблизу обраної робочої точки на харак-теристик діода. При прямому включенні напруги rдіф Пр \u003d 0,026 / / Іпр і струмі Іпр\u003e 10 мА воно становить кілька омов При під-ключении зворотної напруги rДІф обр велике (від десятків ки-лоомов до декількох мегаомах).
• статична опір діода постійному струму гпрд \u003d U пр / Іпр, Rобр д \u003d Uобр / Iобр В Області прямих струмів Rпр д\u003e rдіф пр, а в області зворотних r0бр д

Ємності діодів істотно впливають на їх роботу на високих частотах і в імпульсних режимах. У паспортних дан-них діодів зазвичай наводиться загальна ємність діода Сд, яка крім бар'єрної і дифузійної включає ємність корпусу при-бору Цю ємність вимірюють між зовнішніми струмовідводами діода при заданих зворотному напрузі зсуву і частоті струму

напівпровідниковий діод - це напівпровідниковий прилад з одним p-n переходом і з двома електродами. Принцип дії напівпровідникового діода заснований на явищі p-n переходу, тому для подальшого вивчення будь-яких напівпровідникових приладів потрібно знати як працює.

випрямний діод (Також називають вентилем) - це різновид напівпровідникового діода який служить для перетворення змінного струму в постійний.

У діода є два висновки (електрода) анод і катод. Анод приєднаний до p шару, катод до n шару. Коли на анод подається плюс, а на анод мінус (пряме включення діода) діод пропускає струм. Якщо на анод подати мінус, а на катод плюс (зворотне включення діода) струму через діоди не буде цього видно з вольт амперної характеристики діода. Тому коли на вхід випрямного діода надходить змінна напруга через нього проходить тільки одна полуволна.

Вольт-амперна характеристика (ВАХ) діода.

Вольт-амперна характеристика діода показана на рис. I. 2. У першому квадраті показана пряма гілка характеристики, що описує стан високої провідності діода при доданому до нього прямій напрузі, яка лінеарізуется кусочно-лінійною функцією

u \u003d U 0 + R Д i

де: u - напруга на вентилі при проходженні струму i; U 0 - порогове напруга; R д - динамічний опір.

У третьому квадранті знаходиться зворотна гілка вольт-амперної характеристики, що описує стан низької провідності при прокладеному до діода зворотній напрузі. У стані низької провідності струм через напівпровідникову структуру практично не протікає. Однак це справедливо лише до певного значення зворотної напруги. При зворотній напрузі, коли напруженість електричного поля в pn переході сягає близько 10 s В / см, це поле може повідомити рухомим носіям заряду - електронів і діркам, постійно виникають у всьому обсязі напівпровідникової структури в результаті термічної генерації, - кінетичну енергію, достатню для іонізації нейтральних атомів кремнію. Дірки, що утворилися і електрони провідності, в свою чергу, прискорюються електричним полем p-n переходу і також іонізують нейтральні атоми кремнію. При цьому відбувається лавиноподібне наростання зворотного струму, .т. е. лавинний пробої.

Напруга, при якому відбувається різке підвищення зворотного струму, називається напругою пробою U 3.

ТЕМА 3. Напівпровідникові ДІОДИ

Напівпровідниковий діод - це електропреобразовательних напівпровідниковий прилад з одним електричним переходом і двома висновками, в якому використовуються властивості р-n- переходу.

Напівпровідникові діоди класифікуються:

1) за призначенням: випрямні, високочастотні і надвисокочастотні (ВЧ і НВЧ-діоди), імпульсні, напівпровідникові стабілітрони (опорні діоди), тунельні, обернені, варикапи і ін .;

2) по конструктивно - технологічними особливостями: площинні і точкові;

3) за типом вихідного матеріалу: германієві, кремнієві, арсенід - галієві і ін.

Малюнок 3.1 - Пристрій точкових діодів

У точковому діоді використовується пластинка германію або кремнію з електропровідністю n- типу (рис.3.1), товщиною 0,1 ... 0,6 мм і площею 0,5 ... 1,5 мм 2; з платівкою стикається загострена зволікання (голка) з нанесеною на неї домішкою. При цьому з голки в основний напівпровідник дифундують домішки, які створюють область з іншим типом електропровідності. Таким чином, близько голки утворюється мініатюрний р-n- перехід напівсферичної форми.

Для виготовлення германієвих точкових діодів до платівці германію приварюють зволікання з вольфраму, покритого индием. Індій є для германію акцептором. Отримана область германію р- типу є емітерний.

Для виготовлення кремнієвих точкових діодів використовується кремній n- типу і зволікання, покрита алюмінієм, який служить акцептором для кремнію.

У площинних діодах р-n- перехід утворюється двома напівпровідниками з різними типами електропровідності, причому площа переходу у різних типів діодів лежить в межах від сотих часток квадратного міліметра до декількох десятків квадратних сантиметрів (силові діоди).

Площинні діоди виготовляються методами сплаву (вплавлення) або дифузії (рис. 3.2).

Рисунок 3.2 - Пристрій площинних діодів, виготовлених сплавним (а) і дифузійним методом (б)

До платівки германію n- типу вплавляют при температурі близько 500 ° С краплю індію (рис. 3.2, а) яка, сплавляючись з германієм, утворює шар германію р- типу. Область з електропровідністю р-типу має більш високу концентрацію домішки, ніж основна пластинка, і тому є емітером. До основної платівці германію і до індію припаюють вивідні зволікання, зазвичай з нікелю. Якщо за вихідний матеріал взято германій р- типу, то в нього вплавляют сурму і тоді виходить емітерна область n- типу.

Дифузійний метод виготовлення р-n- переходу заснований на тому, що атоми домішки дифундують в основний напівпровідник (рис. 3.2, б). Для створення р- шару використовують дифузію акцепторного елементу (бору або алюмінію для кремнію, індію для германію) через поверхню вихідного матеріалу.

3.1 Випрямні діоди

Випрямний напівпровідниковий діод - це напівпровідниковий діод, призначений для перетворення змінного струму в постійний.

Випрямні діоди виконуються на основі р-n- переходу і мають дві області, одна з них є більш низкоомной (містить велику концентрацію домішки), і називається емітером. Інша область, база - більш високоомних (містить меншу концентрація домішки).

В основі роботи випрямних діодів лежить властивість односторонньої провідності р-n- переходу, яке полягає в тому, що останній добре проводить струм (має малий опір) при прямому включенні і практично не проводить струм (має дуже високий опір) при зворотному включенні.

Як відомо, прямий струм діода створюється основними, а зворотний - неосновними носіями заряду. Концентрація основних носіїв заряду на кілька порядків перевищує концентрацію неосновних носіїв, ніж та обумовлюються вентильні властивості діода.

Основними параметрами випрямних напівпровідникових діодів є:

· Прямий струм діода Іпр, який нормується при певному прямій напрузі (зазвичай Uпр \u003d 1 ... 2В);

· Максимально допустимий прямий струм Іпр мах діода;

· Максимально допустимий зворотна напруга діода Uобр мах, при якому діод ще може нормально працювати тривалий час;

· Постійний зворотній струм Iобр, що протікає через діод при зворотній напрузі, рівному Uобр мах;

· Середній випрямлений струм Iвп.ср, який може довго проходити через діод при допустимій температурі його нагрівання;

· Максимально допустима потужність Pмах, що розсіюється діодом, при якій забезпечується задана надійність діода.

За максимально допустимого значення середнього випрямленого струму діоди діляться на малопотужні (Iвп.ср £ 0,3 А), середньої потужності (0,3А 10А).

Для збереження працездатності германієвого діода його температура не повинна перевищувати + 85 ° С. Кремнієві діоди можуть працювати при температурі до + 150 ° С.

Малюнок 3.3 - Зміна вольт - амперної характеристики напівпровідникового діода від температури: а - для германієвого діода; б - для кремнієвого діода

Падіння напруги при пропущенні прямого струму у германієвих діодів складає DUпр \u003d 0,3 ... 0,6 В, у кремнієвих діодів - DUпр \u003d 0,8 ... 1,2В. Великі падіння напруги при проходженні прямого струму через кремнієві діоди в порівнянні з прямим падіння напруги на германієвих діодах пов'язані з більшою висотою потенційного бар'єра р-n- переходів, сформованих в кремнії.

Зі збільшенням температури пряме падіння напруги зменшується, що пов'язано зі зменшенням висоти потенційного бар'єру.

При подачі на напівпровідниковий діод зворотного напруги в ньому виникає незначний зворотний струм, обумовлений рухом неосновних носіїв заряду через р-n- перехід.

При підвищенні температури р-n- переходу число неосновних носіїв заряду збільшується за рахунок переходу частини електронів з валентної зони в зону провідності і освіти пар носіїв заряду електрон-дірка. Тому зворотний струм діода зростає.

У разі застосування до діода зворотної напруги в кілька сотень вольт зовнішнє електричне поле в замикаючому шарі стає настільки сильним, що здатне вирвати електрони з валентної зони в зону провідності (ефект Зенера). Зворотний струм при цьому різко збільшується, що викликає нагрівання діода, подальшої зростання струму і, нарешті, тепловий пробій (руйнування) р-n- переходу. Більшість діодів може надійно працювати при зворотних напругах, що не перевищують (0,7 ... 0,8) Uпроб.

Допустиме зворотна напруга германієвих діодів досягає - 100 ... 400В, а кремнієвих діодів - 1000 ... 1500 В.

У ряді потужних перетворювальних установок вимоги до середнього значення прямого струму, зворотної напруги перевищують номінальне значення параметрів існуючих діодів. У цих випадках завдання вирішується паралельним або послідовним з'єднанням діодів.

Паралельне з'єднання діодів застосовують в тому випадку, коли потрібно отримати прямий струм, більший граничного струму одного діода. Але якщо діоди одного типу просто з'єднати паралельно, то внаслідок розбіжності прямих гілок ВАХ вони виявляться по-різному навантаженими і, в деяких прямий струм буде більше граничного.

Малюнок 3.4 - Паралельне з'єднання випрямних діодів

Для вирівнювання струмів використовують діоди з малим відмінністю прямих гілок ВАХ (виробляють їх підбір) або послідовно з діодами включають зрівняльні резистори з опором в одиниці Ом. Іноді включають додаткові резистори (рис. 3.4, в) з опором, в кілька разів більшим, ніж пряме опір діодів, для того щоб струм в кожному діоді визначався головним чином опором Rд, тобто Rд \u003e\u003e Rпр вд. Величина Rд становить сотні Ом.

Послідовне з'єднання діодів застосовують для збільшення сумарного допустимої зворотної напруги. При впливі зворотного напруги через діоди, включені послідовно, протікає однаковий зворотний струм Iобр. проте зважаючи на відмінність зворотних гілок ВАХ загальну напругу буде розподілятися по диодам нерівномірно. До діода, у якого зворотна гілка ВАХ йде вище, буде докладено більше напруження. Воно може виявитися вище граничного, що спричинить пробій діодів.

Малюнок 3.5 - Послідовне з'єднання випрямних діодів

Для того, щоб зворотна напруга розподілялося рівномірно між діодами незалежно від їх зворотних опорів, застосовують шунтування діодів резисторами. Опору Rш резисторів повинні бути однакові і значно менше найменшого із зворотних опорів діодів Rш 3.2 Стабілітрони

Напівпровідниковий стабілітрон - це напівпровідниковий діод, напруга на якому в області електричного пробою слабо залежить від струму і який використовується для стабілізації напруги.

У напівпровідникових стабілітронах використовується властивість незначної зміни зворотної напруги на р-n- переході при електричному (лавинному або тунельному) пробої. Це пов'язано з тим, що невелике збільшення напруги на р-n- перехід в режимі електричного пробою викликає більш інтенсивну генерацію носіїв заряду і значне збільшення зворотного струму.

Низьковольтні стабілітрони виготовляють на основі сильнолегованого (низкоомного) матеріалу. В цьому випадку утворюється вузький площинних перехід, в якому при порівняно низьких зворотних напругах (менш 6В) виникає тунельний електричний пробій. Високовольтні стабілітрони виготовляють на основі слаболегірованних (високоомного) матеріалу. Тому їх принцип дії пов'язаний з лавинним електричним пробоєм.

Основні параметри стабілітронів:

· Напруга стабілізації Uст (Uст \u003d 1 ... 1000В);

· Мінімальний Iст міn і максимальний Iст мах струми стабілізації (Iст міn »1,0 ... 10мА, Iст мах» 0,05 ... 2,0А);

· Максимально допустима розсіює потужність Рмах;

· Диференційний опір на ділянці стабілізації rд \u003d DUст / DIст, (rд »0,5 ... 200Ом);

· Температурний коефіцієнт напруги на ділянці стабілізації:

TKU стабилитрона показує на скільки відсотків зміниться стабілізуючий напругу при зміні температури напівпровідника на 1 ° С

(TKU \u003d -0,5 ... + 0,2% / ° С).

Малюнок 3.6 - Вольт-амперна характеристика стабілітрона і його умовне графічне позначення

Стабілітрони використовують для стабілізації напруг джерел живлення, а також для фіксації рівнів напруг в різних схемах.

Стабілізацію низьковольтної напруги в межах 0,3 ... 1В можна отримати при використанні прямої гілки ВАХ кремнієвих діодів. Діод, в якому для стабілізації напруги використовується пряма гілка ВАХ, називають стабисторов. Існують також двосторонні (симетричні) стабілітрони, мають симетричну ВАХ відносно початку координат.

Стабілітрони допускають послідовне включення, при цьому результуючий стабілізуючий напруга дорівнює сумі напруг стабилитронов:

Uст \u003d Uст1 + Uст2 + ...

Паралельне з'єднання стабілітронів неприпустимо, тому що через розкиду характеристик і параметрів з усіх паралельно з'єднаних стабілітронів струм буде виникати тільки в одному, що має найменшу стабілізуючу напругу Uст, що спричинить перегрів стабилитрона.

3.3 Тунельні та обернені діоди

Тунельний діод - це напівпровідниковий діод на основі виродженого напівпровідника, в якому тунельний ефект призводить до появи на вольт - амперної характеристики при прямій напрузі ділянки негативного диференціального опору.

Тунельний діод виготовляється з германію або арсеніду галію з дуже великою концентрацією домішок, тобто з дуже малим питомим опором. Такі напівпровідники з малим опором називають виродженими. Це дозволяє отримати дуже вузький р-n- перехід. У таких переходах виникають умови для щодо вільного тунельного проходження електронів через потенційний бар'єр (тунельний ефект). Тунельний ефект призводить до появи на прямий галузі ВАХ діода ділянки з негативним диференціальним опором. Тунельний ефект полягає в тому, що при досить малій висоті потенційного бар'єру можливе проникнення електронів через бар'єр без зміни їх енергії.

Основні параметри тунельних діодів:

· Піковий струм Iп - прямий струм в точці максимуму ВАХ;

· Струм западини Iв - прямий струм в точці мінімуму ВАХ;

· Відношення струмів тунельного діода Iп / Iв;

· Напруга піку Uп - пряма напруга, відповідне піковому струму;

· Напруга западини Uв - пряма напруга, відповідне току западини;

· Напруга розчину Uрр.

Тунельні діоди використовуються для генерації та посилення електромагнітних коливань, а також в швидкодіючих перемикаючих та імпульсних схемах.

Малюнок 3.7 - Вольт-амперна характеристика тунельного діода

Звернений діод - діод на основі напівпровідника з критичною концентрацією домішок, в якому провідність при зворотній напрузі внаслідок тунельного ефекту значно більше, ніж при прямій напрузі.

Принцип дії зверненого діода заснований на використанні тунельного ефекту. Але в звернених діодах концентрацію домішок роблять менше, ніж в звичайних тунельних. Тому контактна різниця потенціалів у звернених діодів менше, а товщина р-n- переходу більше. Це призводить до того, що під дією прямого напруги прямий тунельний струм не створюється. Прямий струм в звернених діодах створюється інжекцією неосновних носіїв зарядів через р-n- перехід, тобто прямий струм є дифузійним. При зворотній напрузі через перехід протікає значний тунельний струм, створюваний переміщення електронів крізь потенційний бар'єр з р- області в n-область. Робочим ділянкою ВАХ зверненого діода є зворотна гілка.

Таким чином, звернені діоди мають випрямляючих ефектом, але пропускне (проводить) напрям у них відповідає зворотному включенню, а замикає (непроводящее) - прямому включенню.

Малюнок 3.8 - Вольт-амперна характеристика зверненого діода

Звернені діоди застосовують в імпульсних пристроях, а також в якості перетворювачів сигналів (змішувачів і детекторів) в радіотехнічних пристроях.

3.4 Варикапи

Варикап - це напівпровідниковий діод, в якому використовується залежність ємності від величини зворотної напруги і який призначений для застосування в якості елемента з електрично керованою ємністю.

Напівпровідникових матеріалом для виготовлення варикапов є кремній.

Основні параметри варикапов:

· Номінальна ємність Св - ємність при заданому зворотному напрузі (Св \u003d 10 ... 500 пФ);

· Коефіцієнт перекриття по ємності; (Кс \u003d 5 ... 20) - відношення ємностей варикапа при двох заданих значеннях зворотних напруг.

Варикапи широко застосовуються в різних схемах для автоматичного підстроювання частоти, в параметричних підсилювачах.

Малюнок 3.9 - Вольт-фарадні характеристика варикапа

3.5 Розрахунок електричних ланцюгів з напівпровідниковими діодами.

У практичних схемах в ланцюг діода включається будь-яка навантаження, наприклад резистор (рис. 3.10, а). Прямий струм проходить тоді, коли анод має позитивний потенціал щодо катода.

Режим діода з навантаженням називають робочим режимом. Якби діод мав лінійним опором, то розрахунок струму в подібній схемі не представляв би труднощів, так як загальний опір кола дорівнює сумі опору діода постійному струму Rо і опору резистора навантаження Rн. Але діод має нелінійним опором, і значення Rо у нього змінюється при зміні струму. Тому розрахунок струму роблять графічно. Завдання полягає в наступному: відомі значення Е, Rн і характеристика діода, потрібно визначити струм в ланцюзі I і напруга на діоді Uд.

малюнок 3.10

Характеристику діода слід розглядати як графік деякого рівняння, що зв'язує величини I і U. А для опору Rн подібним рівнянням є закон Ома:

(3.1)

Отже, є два рівняння з двома невідомими I і U, причому одне з рівнянь дано графічно. Для вирішення такої системи рівнянь треба побудувати графік другого рівняння і знайти координати точки перетину двох графіків.

Рівняння для опору Rн - це рівняння першого ступеня щодо I і U. Його графіком є \u200b\u200bпряма лінія звана лінією навантаження. Вона будується за двома точками на осях координат. При I \u003d 0 з рівняння (3.1) отримуємо: Е - U \u003d 0 або U \u003d Е, що відповідає точці А на рис. 3.10, б. А якщо U \u003d 0, то I \u003d E / R н. відкладаємо цей струм на осі ординат (точка Б). через точки А і Б проводимо пряму, яка є лінією навантаження. Координати точки D дають рішення поставленої задачі.

Слід зазначити, що графічний розрахунок робочого режиму діода можна не робити, якщо Rн \u003e\u003e Rо. В цьому випадку допустимо знехтувати опором діода і визначати струм наближено: I »E / R н.

Розглянутий метод розрахунку постійної напруги можна застосувати для амплітудних або миттєвих значень, якщо джерело дає змінну напругу.

Оскільки напівпровідникові діоди добре проводять струм в прямому напрямі і погано в зворотному, то більшість напівпровідникових діодів застосовується для випрямлення змінного струму.

Найпростіша схема для випрямлення змінного струму показана на рис. 3.11. У ній послідовно з'єднаний джерело змінного ЕРС - е, діод VD і резистор навантаження Rн. Ця схема називається однополупериодной.

Робота найпростішого випрямляча відбувається наступним чином. Протягом одного напівперіоду напруга для діода є прямим і проходить струм, що створює на резисторі Rн падіння напруги UR. Протягом наступного напівперіоду напруга є зворотним, струму практично немає і UR \u003d 0. Таким чином, через діод, резистор навантаження проходить пульсуючий струм у вигляді імпульсів, які тривають полперіода. Цей струм називають випрямленою струмом. Він створює на резисторі Rн випрямлена напруга. Графіки на рис. 3.11, б ілюструють процеси у випрямлячі.

малюнок 3.11

Амплітуда позитивних напівхвиль на діоді дуже мала. Це пояснюється тим, що коли проходить прямий струм, то велика частина напруги джерела падає на навантажувальними резисторами Rн, опір якого значно перевищує опір діода. В цьому випадку

Для звичайних напівпровідникових діодів пряму напругу не більше 1 ... 2В. Наприклад, нехай джерело має чинне напруга Е \u003d 200В і . Якщо Uпр max \u003d 2В, то URmax \u003d 278В.

При негативній напівхвиль напруги, що підводиться струму практично немає і падіння напруги на резисторі Rн дорівнює нулю. Вся напруга джерела докладено до діода і є для нього зворотною напругою. Таким чином, максимальне значення зворотної напруги одно амплітуді ЕРС джерела.

Найпростіша схема застосування стабілітрона приведена на рис. 3.12, а. Навантаження (споживач) включена паралельно стабілітрону. Тому, в режимі стабілізації, коли напруга на стабілітроні майже постійно, таке ж напруга буде і на навантаженні. Зазвичай Rогр розраховують для середньої точки Т характеристики стабілітрона.

Розглянемо випадок, коли Е \u003d const, а Rн змінюється в межах від Rн min до Rн max ..

Значення Rогр можна знайти за такою формулою:

(3.3)

де Iср \u003d 0,5 (Iст min + Iст max) - середній струм стабілітрона;

Iн \u003d Uст / Rн - струм навантаження (при Rн \u003d const);

Iн.ср \u003d 0,5 (Iн min + Iн max), (при Rн \u003d var),

причому і .

малюнок 3.12

Роботу схеми в даному режимі можна пояснити так. Оскільки Rогр постійно і падіння напруги на ньому, рівне (Е - Uст), також постійно, то і струм в Rогр, рівний (Iст + Iн.ср), повинен бути постійним. Але останнє можливо тільки в тому випадку, якщо струм стабілітрона I і струм навантаження Iн змінюються в однаковій мірі, але в протилежні сторони. Наприклад, якщо Iн збільшується, то струм I на стільки ж зменшується, а їх сума залишається незмінною.

Принцип дії стабілітрона розглянемо на прикладі ланцюга, що складається з послідовно з'єднаного джерела змінної ЕРС - е, стабилитрона VD і резистора R (рис. 3.13, а).

В позитивний напівперіод на стабілітрон подається зворотна напруга, і до величини напруги пробою стабілітрона всю напругу прикладається до стабілітрону, так як струм в ланцюзі дорівнює нулю. Після електричного пробою стабілітрона напруга на стабілітроні VDостается без змін і все що залишилося напруга джерела ЕРС буде докладено до резистору R. У негативний напівперіод стабілітрон включений в провідному напрямку, падіння напруги на ньому порядку 1В, а що залишилося напруга джерела ЕРС докладено до резистору R.

Напівпровідниковий діод - це напівпровідниковий прилад з одним електричним переходом і двома висновками, в якому використовується те чи інше властивість електричного переходу. В якості електричного переходу може використовуватися електронно-дірковий перехід, контакт метал-напівпровідник або гетероперехід.

Область напівпровідникового кристала діода, що має більш високу концентрацію домішок (отже, і основних носіїв заряду), називається емітером, а інша, з меншою концентрацією, - базою. Сторону діода, до якої при прямому включенні підключається негативний полюс джерела живлення, часто називають катодом, а іншу - анодом.

За призначенням діоди діляться на:

1. випрямні (силові), призначені для перетворення змінної напруги джерел живлення промислової частоти в постійне;

2. стабілітрони (опорні діоди), призначені для стабілізації напруги , мають на зворотній галузі ВАХ ділянку зі слабкою залежністю напруги від струму, що протікає:

3. варикапи, призначені для використання в якості ємності, керованої електричною напругою;

4. імпульсні, призначені для роботи в швидкодіючих імпульсних схемах;

5. тунельні і звернені, призначені для посилення, генерування і перемикання високочастотних коливань;

6. надвисокочастотні, призначені для перетворення, перемикання, генерування надвисокочастотних коливань;

7. світлодіоди, призначені для перетворення електричного сигналу в світлову енергію;

8. фотодіоди, призначені для перетворення світлової енергії в електричний сигнал.

Система і перелік параметрів, що включаються в технічні описи і характеризують властивості напівпровідникових діодів, вибираються з урахуванням їх фізико-технологічних особливостей і області застосування. У більшості випадків важливі відомості про їх статичних, динамічних та граничних параметрах.

Статичні параметри характеризують поведінку приладів при постійному струмі, динамічні - їх частотно-часові властивості, граничні параметри визначають область стійкої і надійної роботи.

1.5. Вольтамперная характеристика діода

Вольтамперная характеристика (ВАХ) діода аналогічна вольтамперной характеристиці p-n-переходу і має дві гілки - пряму і зворотну.

ВАХ діода представлена \u200b\u200bна малюнку 5.

Якщо діод включений в прямому напрямку ( "+" - до області р, А "-" - до області n), То при досягненні порогового напруги U пір діод відкривається і через нього протікає прямий струм. При зворотному включенні ( "-" до області р, А "+" - до області n) Через діод протікає незначний зворотний струм, тобто фактично діод закритий. Отже, можна вважати, що діод пропускає струм тільки в одному напрямку, що дозволяє використовувати його в якості випрямляча.

Значення прямого і зворотного струмів відрізняються на декілька порядків, а пряме падіння напруги не перевищує одиниць вольт в порівнянні зі зворотним струмом, який може становити сотні і більше вольт. Випрямні властивості діодів тим краще, чим менше зворотний струм при заданому зворотному напрузі і чим менше падіння напруги при заданому прямому струмі.

Параметрами ВАХ є: динамічне (диференціальне) опір діода змінному струмі і статичний опір постійному струму.

Статичний опір діода постійному струму в прямому і зворотному напрямку виражається співвідношенням:

, (2)

де Uі Iзадають конкретні точки на ВАХ діода, в яких проводиться обчислення опору.

Динамічний опір змінному струму визначає зміна струму через діод зі зміною напруги поблизу обраної робочої точки на характеристиці діода:

. (3)

Оскільки типова ВАХ діода має ділянки з підвищеною лінійністю (один на прямій ділянці, один - на зворотній), r д обчислюється як відношення малого приросту напруги на діоді до малому приросту струму через нього при заданому режимі:

. (4)

Щоб вивести вираз для r д, зручніше взяти в якості аргументу ток I, А напруга вважати його функцією і, логарифмуючи рівняння (1), привести його до вигляду:

. (5)

. (6)

Звідси випливає, що з ростом прямого струму r д швидко зменшується, так як при прямому включенні діода I>>I S .

На лінійній ділянці ВАХ при прямому включенні діода статичний опір завжди більше динамічного опору: R ст\u003e r д. При зворотному включенні діода R ст r д.

Таким чином, електричний опір діода в прямому напрямку набагато менше, ніж в зворотному. Отже, діод має однобічну провідність і використовується для випрямлення змінного струму.