Diodos rectificadores: información general, características de diseño y características de las características de corriente-voltaje. Característica voltamperio del diodo Vah de varios diodos.

La característica corriente-voltaje (CVC) es una gráfica de la dependencia de la corriente en el circuito externo de una unión p-n del valor y la polaridad del voltaje que se le aplica. Esta dependencia se puede obtener experimentalmente o calcular sobre la base de la ecuación característica corriente-voltaje. . La corriente térmica de la unión pn depende de la concentración de impurezas y la temperatura. Un aumento en la temperatura de la unión p-n conduce a un aumento en la corriente térmica y, en consecuencia, a un aumento en las corrientes directa e inversa. Un aumento en la concentración de dopante conduce a una disminución en la corriente térmica y, en consecuencia, a una disminución en las corrientes directa e inversa de la unión p-n.

14. Desglosepag- norte- transición- llamado cambio brusco en el modo de funcionamiento de la transición, que está bajo voltaje inverso. Acompañado

Un fuerte aumento de la corriente inversa, con una tensión inversa ligeramente decreciente e incluso decreciente:

Tres tipos de avería:

1. Túnel (eléctrico): el fenómeno del paso de electrones a través de una barrera de potencial;

2. Avalancha (eléctrica): ocurre si, al moverse hasta la próxima colisión con un átomo, un agujero (electrón) adquiere energía suficiente para ionizar el átomo;

3. Ruptura térmica (irreversible): ocurre cuando el semiconductor se calienta y el correspondiente aumento de la conductividad.

15. Diodo rectificador: finalidad, wah, parámetros básicos, ángulo

Los diodos rectificadores se utilizan para convertir corriente alterna en corriente pulsante en una dirección y se utilizan en fuentes de alimentación para equipos electrónicos.

diodos rectificadores de germanio

La fabricación de diodos rectificadores de germanio comienza con la fusión del indio en la oblea de germanio tipo n original. A su vez, la placa original se suelda a un soporte de cristal de acero para diodos rectificadores de baja potencia o a una base de cobre para diodos rectificadores de alta potencia.

Figura 24 diseño de diodo de aleación de baja potencia. 1- soporte de cristal; 2 - cristal; 3-int. conclusión; 4 - caso insidioso; 5 - aislante; 6 - tubo kovar; 7 - salida externa

ArrozDiodo de germanio 25 CVC

En la Fig. 25 se puede ver que al aumentar la temperatura, la corriente inversa del diodo aumenta en gran medida y el valor del voltaje de ruptura disminuye.

diodos de germanio para varios propósitos tener un valor de corriente rectificada de 0,3 a 1000A. La caída de voltaje directo no excede los 0,5 V y el voltaje inverso permitido es de 400 V. La desventaja de los diodos de germanio es su rotura irreversible incluso en caso de sobrecargas de impulsos de corta duración.

Diodos rectificadores de silicio

Para obtener una unión p-n en diodos rectificadores de silicio, se funde aluminio en un cristal de silicio de tipo n, o una aleación de oro y antimonio en silicio de tipo p. También se utilizan métodos de difusión para obtener transiciones. El diseño de varios diodos de silicio de baja potencia prácticamente no difiere del diseño de diodos de germanio similares.

Las propiedades de un diodo están determinadas por su característica corriente-voltaje (CVC), que se muestra en la fig. 2.7. Aproximadamente, se puede describir mediante la ecuación.

I=I 0 (y Ud. / metro jt – 1), (2.1)

Dónde I 0 es la corriente de saturación de la unión polarizada inversa (corriente térmica inversa); Ud.-voltaje encendido pag-norte- transición; j t = kt/q- potencial térmico igual a la diferencia de potencial de contacto j k en el límite pag-norte transición en ausencia de voltaje externo; k\u003d 1,38 × 10 -23 J / K - constante de Boltzmann; t es la temperatura absoluta; q\u003d 1,6 × 10 -19 colgante - carga de electrones; metro es un factor de corrección que tiene en cuenta la desviación de la teoría. a una temperatura t\u003d 300K, j t \u003d 0,026 V.

Arroz. 2.7

En el VAC se distinguen dos ramas: rama recta, que está en el primer cuadrado y rama inversa en el tercer cuadrado. La ecuación (2.1) describe bien la característica de un diodo real en dirección directa y para corrientes pequeñas. De acuerdo con (2.1), la resistencia del diodo no es lineal. En el caso de una resistencia lineal, la característica I-V sería una línea recta.

En la rama recta del CVC real hay una curva cerrada, que se caracteriza por voltaje de encendido. Para los diodos de germanio, el voltaje de encendido es de aproximadamente 0,3 V, para los diodos de silicio, de aproximadamente 0,6 V.

El valor de la corriente inversa en la rama de retorno es aproximadamente constante en un amplio rango de voltaje. Cuando se excede un cierto valor del voltaje inverso, llamado voltaje de ruptura Ud. muestras, comienza un proceso similar a una avalancha de aumento de corriente inversa, correspondiente a una falla eléctrica pag - norte- transición. Si en este momento la corriente no está limitada, entonces la falla eléctrica se volverá térmica. La rotura térmica es causada por un aumento en el número de transportistas en pn- transición. En este caso, la potencia liberada en el diodo. Ud. llegar I arr, no tiene tiempo de retirarse del empalme, su temperatura aumenta, la corriente inversa crece y, por tanto, la potencia sigue creciendo. La degradación térmica es irreversible porque destruye pag–norte- transición.

Para un diodo, varios parametros basicos:

Corriente directa nominal;

Tensión inversa máxima;

Caída de tensión directa;

Corriente inversa constante;

Corriente directa máxima (para ello se estipula el modo de funcionamiento, por ejemplo, el tiempo de conducción).

Predominan los diodos de silicio, ya que tienen una temperatura máxima de funcionamiento más alta (150 °C frente a 75 °C para los diodos de germanio), permiten una mayor densidad de corriente continua (60 ¸ 80 A/cm 2 frente a 20 ¸ 30 A/cm 2), tienen corrientes inversas más bajas (en aproximadamente un orden de magnitud) y voltajes inversos permitidos más altos (1500¸2800 V en comparación con 600¸800 V). Sin embargo, los diodos de silicio tienen una mayor caída de tensión directa, lo que. para diodos de germanio Ud. pr \u003d 0,3¸0,4V, y para diodos de silicio Ud. pr \u003d 0,6¸1,2 V.

El rendimiento de un diodo está determinado por la potencia disipada en él. PAG=interfaz de usuario. Ud. Y I referirse a un determinado punto del VAC. El poder determina el calor. La sección de trabajo del diodo en el CVC fig. 2.7 está marcado con una línea gruesa. Si el diodo comienza a funcionar en secciones que no funcionan de la característica I-V, falla, ya que la potencia excede la permitida, el calentamiento excede la permitida y el diodo se destruye.

Al considerar los modos de funcionamiento de los circuitos con diodos, se representan como dispositivos idealizados que son conductores ideales en la dirección de avance y aislantes ideales en la dirección inversa. El CVC idealizado se muestra en la fig. 2.8, y la dependencia del CVC de la temperatura se muestra en la fig. 2.9.

Arroz. 2.8	Arroz. 2.9

Tipos de diodos

Según cita, se distinguen los siguientes tipos de diodos:

- rectificar;

- impulso;

- alta frecuencia;

- diodos zener y estabistores.

Los diodos también se distinguen por sus propiedades de potencia y frecuencia.

Diodos rectificadores. Diseñado para funcionar a tensiones de frecuencia de hasta varios kHz y con frentes no pronunciados de la tensión de alimentación. No diseñado para voltaje de suministro rectangular. Para los diodos rectificadores, se especifican dos parámetros principales:

1. Corriente nominal directa (valor medio).

Hay diodos disponibles para una corriente de 10 mA a 1000 A. El voltaje inverso varía de 10 V a varios kV. Para diodos de alta potencia (corriente> 10 A), el voltaje inverso está determinado por la clase del diodo. La clase de un diodo es 100 V multiplicado por el número de clase. Número de clase del 1 al 20. Por ejemplo: D50-12, aquí 50 es la corriente nominal continua en A; 12 - clase. La clase es un parámetro utilizado para diodos de alta potencia y caracteriza el voltaje inverso. Para diodos potentes, la corriente directa nominal solo se permite cuando el diodo está instalado en un radiador y con refrigeración forzada a una velocidad del aire de 12 m/s. Sin refrigeración por aire forzado (solo hay un disipador de calor), la corriente permitida es aproximadamente el 30% de la corriente nominal. Las siguientes designaciones son comunes para los diodos modernos: D XXXY o KD XXXY, donde CD es un diodo de silicio, XXX- números, Y- carta. El primer dígito indica el tipo de diodo (rectificadores - 1, 2). La letra define el voltaje inverso.

Opciones secundarias:

1.Corriente inversa máxima I arr.max (de decenas de nA a decenas de mA).

2.Caída de tensión directa Ud. pr (0,3¸1,2V).

3. La frecuencia máxima de funcionamiento hasta la cual se proporcionan las corrientes, tensiones y potencias dadas.

Arroz. 2.10

4. Tiempo de recuperación de las propiedades de bloqueo del diodo.

El diodo no conduce (o se bloquea) cuando se aplica un voltaje inverso. Bloqueo: la transición de un estado conductor a uno no conductor. Cuando se aplica un voltaje inverso de onda cuadrada, el diodo se comporta como se muestra en la figura. 2.10. Intervalo I: tiempo de reabsorción del portador, intervalo II: aumento de corriente inversa. Está asociado con la presencia de la capacitancia de barrera del diodo. Intervalo t c – tiempo de recuperación, es decir el tiempo de transición desde el estado conductor hasta el momento en que se establece la corriente inversa en la característica I-V. Debido a la imperfección del diodo, la frecuencia límite de su funcionamiento es limitada. A una frecuencia muy alta, el diodo deja de realizar sus funciones.

Arroz. 2.11

Diodos de alta frecuencia. Para ellos (primarios y secundarios) se especifican los mismos parámetros, pero pueden funcionar a alta frecuencia y tienen un tiempo de recuperación corto (en comparación con los rectificadores). Para ellos, se les da una gráfica de la corriente continua en función de la frecuencia. El gráfico se muestra en la fig. 2.11.

Diodos de pulso. Se analizan los mismos parámetros básicos que para los diodos comentados anteriormente, y se proporciona otro parámetro secundario importante: la corriente pulsada durante el tiempo especificado.

Diodos Zener y estabilizadores.. La parte funcional del CVC para diodos Zener es la rama inversa. La pata recta es igual que los diodos, también se puede utilizar.

El CVC del diodo Zener se muestra en la fig. 2.12. Para los diodos Zener, se indican dos parámetros principales:

Ud. st - voltaje de estabilización del diodo zener;

Ist.n: corriente nominal del diodo Zener.

Ud. st = 3,3¸170V. Para Ud. st indica la dispersión en porcentaje o en voltios, así como el cambio Ud. st con un cambio de temperatura. Para diodos zener de baja potencia I st.min =1¸3 metro A, Es t.máx =30 metro A. I st.n para diodos zener potentes es de varios cientos metro A.

Los estabistores son diodos zener que utilizan una rama CVC directa, es decir. es un diodo con una gran caída de voltaje que es constante a medida que cambia la corriente. El CVC del stabistor se muestra en la fig. 2.13. Un CVC de este tipo se crea tecnológicamente. Los diodos Zener y los estabistores se pueden conectar en serie, pero no en paralelo. Se utilizan en estabilizadores y limitadores de voltaje.

Preguntas de control

1. ¿Cuál es la barrera de potencial de un diodo semiconductor y cómo se forma?

2. Describe brevemente los circuitos de conmutación de un diodo semiconductor.

3. Describir las características reales e ideales de voltios-amperios de un diodo semiconductor.

4. Enumere los principales parámetros de un diodo semiconductor.

5. Describir los principales tipos de diodos.

6. Enumere los parámetros secundarios de un diodo semiconductor.

7. ¿Cómo se marca un diodo semiconductor?

El principio de funcionamiento, las características principales de los diodos rectificadores semiconductores se pueden considerar utilizando su característica corriente-voltaje (CVC), que se muestra esquemáticamente en la Figura 1.

Tiene dos ramas, correspondientes al encendido directo e inverso del diodo.

Cuando el diodo rectificador se enciende directamente, una corriente notable comienza a fluir a través de él cuando se alcanza un cierto voltaje Uopen en el diodo. Esta corriente se llama Ipr directa. Sus cambios tienen poco efecto sobre el voltaje Uopen, por lo que para la mayoría de los cálculos se puede tomar su valor:

• 0,7 voltios para diodos de silicio,
• 0,3 voltios - para germanio.

Naturalmente, la corriente continua del diodo no se puede aumentar hasta el infinito, en su valor determinado Ipr.max este dispositivo semiconductor fallará. Por cierto, hay dos fallos principales en los diodos semiconductores:

• avería: el diodo comienza a conducir corriente en cualquier dirección, es decir, se convertirá en un conductor normal. Además, primero se produce una falla térmica (este estado es reversible), luego una eléctrica (después de eso, el diodo se puede desechar de manera segura),
• acantilado: aquí, creo, las explicaciones son superfluas.

Si el diodo se conecta en la dirección inversa, a través de él fluirá una pequeña corriente inversa Irev, que, por regla general, puede despreciarse. Cuando se alcanza un cierto valor de la tensión inversa Uobr, la corriente inversa aumenta bruscamente y el dispositivo vuelve a fallar.

Los valores numéricos de los parámetros considerados para cada tipo de diodo son individuales y son sus principales características eléctricas. Debo señalar que existen otros parámetros (autocapacitancia, varios coeficientes de temperatura, etc.), pero para empezar, los enumerados serán suficientes.

Aquí propongo terminar con la teoría pura y considerar algunos esquemas prácticos.

DIAGRAMA DE CONEXIÓN DE DIODOS

Para empezar, veamos cómo funciona un diodo en un circuito de corriente continua (Fig. 2) y CA (Fig. 3), lo que debe tenerse en cuenta al encender los diodos de una forma u otra.

Cuando se aplica un voltaje directo constante al diodo, una corriente comienza a fluir a través de él, determinada por la resistencia de carga Rн. Dado que no debe exceder el valor máximo permitido, se debe determinar su valor y luego seleccionar el tipo de diodo:

Ipr \u003d Un / Rn - todo es simple - esta es la ley de Ohm.

Un=U-Uopen: consulte el principio del artículo. A veces se puede descuidar el valor de Uopen, hay ocasiones en las que hay que tenerlo en cuenta, por ejemplo, a la hora de calcular el diagrama de conexión del LED.

Esto es lo más importante que debe recordar.

Ahora hay varios esquemas de conexión de diodos que se encuentran a menudo en la práctica.

Sin duda, el circuito de puente de diodos utilizado en todo tipo de rectificadores es el líder aquí (Figura 4). Puede verse diferente, el principio de funcionamiento es el mismo, creo que todo queda claro en la imagen. Por cierto, la última opción es símbolo puente de diodos en su conjunto. Se utiliza para simplificar la designación de los dos esquemas anteriores.

1. Los diodos pueden actuar como elementos de "desacoplamiento". Las señales de control Upr1 y Upr2 se combinan en el punto A y no hay influencia mutua de sus fuentes entre sí. Por cierto, esta es la implementación más sencilla del esquema lógico "o".
2. Protección contra la inversión de polaridad (jerga - "protección contra los tontos"). Si existe la posibilidad de una conexión incorrecta de la polaridad del voltaje de suministro, este circuito protege el dispositivo contra fallas.
3. Transición automática a alimentación desde una fuente externa. Dado que el diodo se "abre" cuando el voltaje a través de él alcanza Uopen, entonces en Uext la energía se suministra desde una fuente interna; de lo contrario, se conecta una externa.

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Hay muchos dispositivos diseñados para convertir corriente eléctrica y los diodos rectificadores son uno de ellos.

El diodo rectificador es un convertidor de corriente de CA a CC. Es uno de los tipos de semiconductores. Recibió una amplia aplicación debido a la característica principal: la transferencia de corriente eléctrica estrictamente en una dirección.

Principio de operación

El efecto necesario durante el funcionamiento del dispositivo lo crean las características de la unión p-n. Consisten en que junto a la unión de dos semiconductores se construye una capa que se caracteriza por dos puntos: una alta resistencia y la ausencia de portadores de carga. Además, cuando esta capa de bloqueo se expone a una tensión alterna desde el exterior, su espesor disminuye y posteriormente desaparece. La corriente que aumenta durante esto es la corriente continua que pasa del ánodo al cátodo. En el caso de un cambio en la polaridad del voltaje alterno externo, la capa de bloqueo será más grande y la resistencia inevitablemente aumentará.

La característica I-V del diodo rectificador (característica voltamperio) también da una idea de las características específicas del funcionamiento del rectificador y no es lineal. Se ve así: hay dos ramas: directa y inversa. El primero refleja la conductividad más alta del semiconductor cuando ocurre una diferencia de potencial directa. El segundo indica el valor de baja conductividad en la diferencia de potencial inversa.

Las características corriente-tensión del rectificador son directamente proporcionales a la temperatura, con un aumento en el que se reduce la diferencia de potencial. no pasará a través del dispositivo en caso de baja conductividad, pero se produce una avalancha en caso de un aumento a un cierto nivel de voltaje inverso.

Uso de ensamblaje

Cuando se opera un diodo semiconductor rectificador, solo la mitad de las ondas de CA son útiles, respectivamente, más de la mitad del voltaje de entrada se pierde irremediablemente.

Para mejorar la calidad de la conversión de CA a CC, se utiliza un conjunto de cuatro dispositivos: puente de diodos. Se diferencia favorablemente en que pasa corriente a lo largo de cada medio ciclo. Los puentes de diodos se fabrican en forma de un kit encerrado en una caja de plástico.

Diagrama esquemático de un puente de diodos.

Parámetros físicos y técnicos.

Los principales parámetros de los diodos rectificadores se basan en los siguientes valores:

• el valor máximo permitido de la diferencia de potencial al rectificar la corriente, en el que el dispositivo no fallará;
• la corriente rectificada promedio más alta;
• el voltaje inverso más alto.

La industria produce rectificadores con diferentes características físicas. En consecuencia, los dispositivos tienen diferentes formas y métodos de instalación. Se dividen en tres grupos:

1. Diodos rectificadores de alta potencia. Se caracterizan por una capacidad de carga de corriente de hasta 400 A y son de alto voltaje. Los diodos rectificadores de alto voltaje se fabrican en dos tipos de carcasas: clavija, donde la carcasa está sellada y de vidrio, y tableta, donde la carcasa está hecha de cerámica.
2. Diodos rectificadores de media potencia. Tienen una capacidad desde 300 mA hasta 10A.
3. Diodos rectificadores de baja potencia. El valor de corriente máximo permitido es de hasta 300 mA.

Selección de diodos rectificadores

Al comprar un dispositivo, uno debe guiarse por los siguientes parámetros:

• valores de las características corriente-voltaje de la corriente máxima inversa y máxima;
• el voltaje directo e inverso máximo permitido;
• fuerza media de la corriente rectificada;
• material del dispositivo y tipo de instalación.

Dependiendo de las características físicas, se aplica una designación adecuada al cuerpo del dispositivo. El catálogo con el marcado de diodos rectificadores se presenta en una guía especializada. Debe saber que el etiquetado de los análogos importados difiere del nacional.

También vale la pena prestar atención al hecho de que los circuitos rectificadores difieren en el número de fases:

1. Fase única. Ampliamente utilizado para electrodomésticos. Hay diodos para automoción y para soldadura por arco eléctrico.
2. Multifásico. Indispensable para equipamiento industrial, transporte público y especial.

diodo Schottky

Una posición separada la ocupa el diodo Schottky. Fue inventado en relación con las crecientes necesidades de la industria en desarrollo de la radioelectrónica. Su principal diferencia con otros diodos es que su diseño contiene un metal semiconductor como alternativa pn transición. En consecuencia, el diodo Schottky tiene sus propias propiedades únicas de las que los diodos rectificadores de silicio no pueden presumir. Algunos:

• renovabilidad operativa de la carga debido a su bajo valor;
• caída mínima de tensión en el cruce con conexión directa;
• la corriente de fuga es alta.

En la fabricación del diodo Schottky se utilizan materiales como el silicio y el arseniuro de galio, pero en ocasiones también se utiliza germanio. Las propiedades de los materiales son ligeramente diferentes, pero en cualquier caso, el voltaje inverso máximo permitido para un rectificador Schottky no es más de 1200 V.

A pesar de todas las ventajas, este tipo de diseño también tiene desventajas. Por ejemplo, en un conjunto de puente, el dispositivo categóricamente no percibe un exceso de corriente inversa. La violación de la condición conduce a la avería del rectificador. Además, se produce una pequeña caída de voltaje a un voltaje bajo de aproximadamente 60-70 V. Si el valor excede esta cifra, entonces el dispositivo se convierte en un rectificador normal.

Vale la pena señalar que las ventajas de un potente diodo Schottky rectificador superan significativamente las desventajas.

diodo Zener

Para estabilizar el voltaje, se utiliza un dispositivo especial que puede funcionar en modo de ruptura: un diodo Zener, cuyo nombre extranjero es "diodo Zener". El dispositivo realiza su función funcionando en modo de ruptura con un voltaje de polarización inversa. El aumento de la corriente se produce en el momento de la ruptura, al mismo tiempo que el valor diferencial cae al mínimo, como resultado de lo cual el voltaje es estable y cubre un rango bastante importante de corrientes inversas.

Uso práctico del diodo rectificador.

En relación con el imparable desarrollo del progreso científico y tecnológico, el uso de rectificadores ha afectado a todas las esferas de la vida humana. Los diodos rectificadores de potencia se utilizan en tales unidades y mecanismos:

• en fuentes de alimentación de motores principales Vehículo(tierra, aire y agua), máquinas y equipos industriales, plataformas de perforación;
• en la configuración del puente de diodos para máquinas de soldar;
• en plantas rectificadoras de baños galvánicos utilizados para la producción de metales no ferrosos o para la deposición de capa protectora en una pieza o producto;
• en plantas rectificadoras para potabilización de agua y aire, filtros de diversas clases;
• para la transmisión de electricidad a larga distancia a través de líneas eléctricas de alta tensión.

En la vida cotidiana, los rectificadores se utilizan en varios circuitos de transistores. La mayoría de los dispositivos de baja potencia se utilizan tanto en forma de rectificador de media onda como en forma de puente de diodos. Por ejemplo, los diodos rectificadores del generador son bien conocidos por los automovilistas.

diodo semiconductor - Este es un dispositivo semiconductor con una unión p-n y dos electrodos. El principio de funcionamiento de un diodo semiconductor se basa en fenómeno pn transición, por lo que para estudiar más a fondo cualquier dispositivo semiconductor es necesario saber cómo funciona.

diodo rectificador (también llamado válvula) es un tipo de diodo semiconductor que se utiliza para convertir corriente alterna en corriente continua.

Un diodo tiene dos conductores (electrodos), un ánodo y un cátodo. El ánodo está unido a la capa p, el cátodo a la capa n. Cuando se aplica un más al ánodo y un menos al ánodo (conexión directa del diodo), el diodo pasa corriente. Si se aplica un menos al ánodo y un más (encendido inverso del diodo) al cátodo, la corriente a través del diodo no será visible desde los voltios. característica del amperio diodo. Por lo tanto, cuando se suministra voltaje alterno a la entrada del diodo rectificador, solo pasa una media onda a través de él.

Característica voltios-amperios (VAC) del diodo.

La característica corriente-voltaje del diodo se muestra en la fig. I. 2. El primer cuadrante muestra la rama directa de la característica, que describe el estado de alta conductividad del diodo cuando se le aplica un voltaje directo, que se linealiza mediante una función lineal por partes.

u \u003d U 0 + R D yo

donde: u - voltaje en la válvula cuando pasa la corriente i; U 0 - voltaje umbral; R d - resistencia dinámica.

En el tercer cuadrante se encuentra la rama inversa de la característica corriente-voltaje, que describe el estado de baja conductividad cuando se aplica un voltaje inverso al diodo. En el estado de baja conductividad, la corriente a través de la estructura semiconductora prácticamente no fluye. Sin embargo, esto sólo es cierto hasta un cierto valor de la tensión inversa. A voltaje inverso, cuando la intensidad del campo eléctrico en la unión p-n alcanza aproximadamente 10 s V / cm, este campo puede transmitirse a los portadores de carga móviles: electrones y huecos que surgen constantemente en todo el volumen de la estructura semiconductora como resultado de la temperatura. generación: una energía cinética suficiente para la ionización de átomos de silicio neutros. Los huecos resultantes y los electrones de conducción, a su vez, son acelerados por el campo eléctrico de la unión p-n y también ionizan átomos de silicio neutros. En este caso se produce un aumento de la corriente inversa similar a una avalancha, .t. E. averías por avalanchas.

El voltaje al que hay un fuerte aumento en la corriente inversa, llamado voltaje de ruptura U 3 .

Los elementos semiconductores, uno de los cuales es un diodo, han recibido una amplia aplicación en el campo de la electrónica. Se utilizan en casi todos los dispositivos, pero con mayor frecuencia en diversas fuentes de alimentación y para garantizar la seguridad eléctrica. Cada uno de ellos tiene su propio propósito específico y especificaciones. Para identificar diversos tipos de averías y obtener información técnica, es necesario conocer el CVC del diodo.

información general

Diodo (D) - elemento semiconductor, que sirve para hacer pasar corriente a través de la unión p-n en una sola dirección. Con la ayuda de D se puede rectificar la variable U, obteniendo de ella una pulsante constante. Para suavizar las ondulaciones se utilizan filtros de tipo condensador o inductivo y, en ocasiones, se combinan.

D consta únicamente de una unión p-n con cables llamados ánodo (+) y cátodo (-). La corriente, al pasar por el conductor, ejerce sobre él efecto térmico. Cuando se calienta, el cátodo emite partículas cargadas negativamente: electrones (E). El ánodo atrae electrones porque tiene carga positiva. En este caso se forma un campo de emisión, del que surge una corriente (emisión). Entre (+) y (-) se genera una carga espacial negativa que interfiere con el libre movimiento de los E. Los E que han llegado al ánodo forman la corriente anódica, y los que no han llegado a la corriente catódica. Si las corrientes del ánodo y del cátodo son cero, D está en estado cerrado.

D consta de una carcasa hecha de material dieléctrico duradero. La carcasa contiene una cámara de vacío con 2 electrodos (ánodo y cátodo). Los electrodos que representan un metal con una capa activa tienen un brillo indirecto. La capa activa emite electrones cuando se calienta. El cátodo está diseñado de tal forma que en su interior hay un cable que se calienta y emite electrones, y el ánodo sirve para recibirlos.

En algunas fuentes, el ánodo y el cátodo se denominan cristal, que está hecho de silicio (Si) o germanio (Ge). Uno de sus componentes tiene una falta artificial de electrones y el otro un exceso (Fig. 1). Existe un límite entre estos cristales, que se llama unión p-n.

Foto 1 - Representación esquemática Semiconductor tipo p-n.

Aplicaciones

D se usa ampliamente como rectificador U variable en la construcción de fuentes de alimentación (PSU), puentes de diodos y también como elemento único de un circuito específico. D es capaz de proteger el circuito contra el incumplimiento de la polaridad de la conexión de la fuente de alimentación. Puede ocurrir una falla en cualquier parte del semiconductor (por ejemplo, un transistor) en el circuito y provocar el fallo de la cadena de elementos de radio. En este caso se utiliza una cadena de varias D conectadas en sentido contrario. Sobre la base de semiconductores, se crean interruptores para conmutar señales de alta frecuencia.

D se utilizan en las industrias del carbón y metalúrgica, especialmente cuando se crean circuitos de conmutación intrínsecamente seguros en forma de barreras de diodos que limitan U en la cantidad requerida. circuito eléctrico. Las barreras de diodos se utilizan junto con limitadores de corriente (resistencias) para reducir los valores de I y aumentar el grado de protección y, por tanto, la seguridad eléctrica y contra incendios de la empresa.

Características de voltios-amperios

CVC es una característica de un elemento semiconductor que muestra la dependencia de I que pasa a través de una unión p-n del valor y la polaridad de U (Fig. 1).

Figura 1: un ejemplo de la característica corriente-voltaje de un diodo semiconductor.

Las características I-V difieren entre sí y dependen del tipo de dispositivo semiconductor. El gráfico VAC es una curva, a lo largo de cuya vertical están marcados los valores de la I directa (arriba). Los valores de I en la conexión inversa están marcados a continuación. Las indicaciones horizontales U están indicadas para conmutación directa e inversa. El esquema consta de 2 partes:

1. Arriba y derecha: funciones D en conexión directa. Muestra el rendimiento I y la línea sube, lo que indica el crecimiento de la U directa (Upr).
2. La parte inferior izquierda - D está en estado cerrado. La línea corre casi paralela al eje e indica un lento aumento de Irev (corriente inversa).

Del gráfico podemos concluir: cuanto más pronunciada es la parte vertical del gráfico (1 parte), más cerca está la línea inferior del eje horizontal. Esto demuestra las altas propiedades rectificadoras del dispositivo semiconductor. Hay que tener en cuenta que la característica I-V depende de la temperatura. ambiente, al disminuir la temperatura, hay una fuerte disminución de Iarr. Si la temperatura sube, yo también sube.

Graficado

No es difícil construir un CVC para un tipo específico de dispositivo semiconductor. Esto requiere una fuente de alimentación, un multímetro (voltímetro y amperímetro) y un diodo (se puede construir para cualquier dispositivo semiconductor). El algoritmo para construir el CVC es el siguiente:

1. Conecte la fuente de alimentación al diodo.
2. Tome medidas U e I.
3. Ingrese datos en la tabla.
4. Con base en los datos tabulares, construya una gráfica de la dependencia de I de U (Fig. 2).

Figura 2: un ejemplo de una característica I-V no lineal de un diodo.

La característica IV será diferente para cada semiconductor. Por ejemplo, uno de los semiconductores más comunes es el diodo Schottky, llamado así por el físico alemán W. Schottky (Figura 3).

Figura 3 - VAC Schottky.

Según el gráfico, que es de naturaleza asimétrica, se puede observar que este tipo de diodo se caracteriza por una pequeña caída de U cuando se conecta directamente. Hay un aumento exponencial en I y U. La corriente en la barrera se debe a partículas cargadas negativamente en polarizaciones inversa y directa. Schottky tiene alta velocidad, ya que no hay procesos difusos ni de recombinación. Depende de U debido al cambio en el número de transportistas involucrados en los procesos de transferencia de cargos.

El semiconductor de silicio se utiliza ampliamente en casi todos diagramas electricos dispositivos. La Figura 4 muestra su CVC.

Figura 4 - CVC de silicio D.

En la Figura 4, el CVC comienza desde 0,6-0,8 V. Además del silicio D, también los hay de germanio, que funcionarán normalmente a temperaturas normales. El silicio tiene un Ipr y un Iabr más pequeños, por lo que la degradación térmica irreversible del germanio D ocurre más rápido (cuando se aplica un Uabr alto) que el de su competidor.

El rectificador D se utiliza para convertir la variable U en una constante, y la Figura 5 muestra su característica corriente-voltaje.

Figura 5 - Rectificador CVC D.

La figura muestra el CVC teórico (curva discontinua) y práctico (experimental). No coinciden debido a que en la teoría no se tuvieron en cuenta algunos aspectos:

1. La presencia de R (resistencia) de la región emisora ​​del cristal, conductores y contactos.
2. corrientes de fuga.
3. Procesos de generación y recombinación.
4. Brotes de varios tipos.

Además, la temperatura ambiente afecta significativamente las mediciones y las características corriente-voltaje no coinciden, ya que los valores teóricos se obtienen a una temperatura de +20 grados. Hay otros características importantes semiconductores, lo que se puede entender por las marcas en la carcasa.

También hay características adicionales. Son necesarios para usar D en un circuito determinado con U e I. Si usa D de baja potencia en dispositivos con U excediendo el Uobr máximo permitido, se producirá una falla y falla del elemento, y esto también puede conducir a un Fallo de la cadena de otras piezas.

Características adicionales: valores máximos de Iobr y Uobr; valores directos de I y U; corriente de sobrecarga; Temperatura máxima; Temperatura de trabajo, etc.

VAC ayuda a identificar fallas tan complejas D: ruptura de la transición y despresurización del caso. Las averías complejas pueden provocar el fallo de piezas costosas, por lo que antes de montar D en la placa, es necesario comprobarlo.

Posibles averías

Según las estadísticas, D u otros elementos semiconductores fallan con más frecuencia que otros elementos del circuito. Un elemento defectuoso se puede identificar y reemplazar, pero a veces esto resulta en una pérdida de funcionalidad. Por ejemplo, cuando se rompe una unión p-n, D se convierte en una resistencia normal, y tal transformación puede tener consecuencias tristes, que van desde el fallo de otros elementos hasta un incendio o una descarga eléctrica. Las principales fallas son:

1. Descomponer. El diodo pierde su capacidad de pasar corriente en una dirección y se convierte en una resistencia ordinaria.
2. Daño estructural.
3. Una fuga.

Durante la avería, D no hace pasar corriente en una dirección. Las razones pueden ser varias y surgen con aumentos bruscos de I y U, que son valores inaceptables para una determinada D. Los principales tipos de averías de la unión p-n:

1. Térmico.
2. Eléctrico.

A nivel térmico a nivel físico, hay un aumento significativo en la vibración de los átomos, la deformación de la red cristalina, el sobrecalentamiento de la unión y la entrada de electrones en la banda de conducción. El proceso es irreversible y provoca daños en el componente de radio.

Las averías eléctricas son temporales (el cristal no se deforma) y al volver a su funcionamiento normal vuelven sus funciones semiconductoras. El daño estructural es daño físico a las piernas y al cuerpo. La fuga de corriente ocurre cuando la caja está despresurizada.

Para comprobar D, basta con desoldar una pata y hacer sonar con un multímetro u óhmetro para detectar la presencia de una rotura de transición (solo debe sonar en una dirección). Como resultado, el valor R de la unión p-n aparecerá en una dirección y en la otra dirección el dispositivo mostrará infinito. Si llama en 2 direcciones, entonces el componente de radio está defectuoso.

Si la pierna se cayó, entonces es necesario soldarla. Si la carcasa está dañada, la pieza debe reemplazarse por una que esté en buen estado.

Cuando el caso esté despresurizado, será necesario trazar la característica I-V y compararla con el valor teórico tomado de la literatura de referencia.

Por lo tanto, la característica I-V permite no solo obtener datos de referencia sobre un diodo o cualquier elemento semiconductor, sino también identificar fallas complejas que no se pueden determinar al verificar con un instrumento.

diodo semiconductor Se denomina dispositivo semiconductor de conversión eléctrica con una unión eléctrica rectificadora que tiene dos conductores. Una unión electrón-hueco (p-n) (P) se utiliza como transición eléctrica rectificadora, separando las regiones p y n de un cristal semiconductor (figura 10.2).

Los conductores metálicos se sueldan o soldan a las regiones p y n del cristal, y todo el sistema está encerrado en una caja de metal, cermet, vidrio o plástico.

Según el diseño, se distinguen diodos puntuales y planos. Los diodos se utilizan ampliamente en fuentes de alimentación secundarias (rectificadores).

Una de las regiones semiconductoras del cristal, que tiene una mayor concentración de impurezas (y, en consecuencia, los principales portadores de carga), se llama emisor, y la segunda, con menor concentración, se llama base. Si el emisor es la región p, para la cual los agujeros p p son los principales portadores de carga, y la base es la región n (los principales portadores de carga son los electrones n n), entonces se cumple la condición p p ≥n n.

p p es la designación de los agujeros en la región p; entonces la designación de los huecos en la región n, para los cuales son portadores de carga menores, será respectivamente p n .

Principio de funcionamiento. En ausencia de un voltaje externo aplicado a los terminales del diodo, como resultado de la contradifusión de huecos (de la región p a la n) y electrones (de la región n a la p) en la En el volumen de un cristal semiconductor ubicado cerca de la interfaz entre dos regiones con diferente conductividad, las cargas de los iones de impurezas inmóviles (aceptores para la región p y donantes para la región n) resultarán descompensados, lo que creará una carga espacial. región en ambos lados de la interfaz del cristal semiconductor (Fig. 10.2). Para mantener la neutralidad eléctrica de la estructura semiconductora, el número de portadores de carga principales que se difunden a través de la unión p-n desde una región debe ser igual al número de portadores de carga principales que se difunden desde otra área. Teniendo en cuenta que la concentración de electrones n n en la base es mucho menor que la concentración de huecos p p en el emisor, la región de carga espacial en el lado de la base será mayor que en el lado del emisor, como se muestra en la Fig. 10.2. La carga espacial formada como resultado de la contradifusión crea una carga de intensidad de campo eléctrico E, que evita una mayor contradifusión de los portadores de carga principales.

Arroz. 10.2. El circuito de conmutación de un diodo semiconductor y la distribución espacial de las cargas espaciales de la unión p-n en ausencia de un voltaje externo.

La difusión prácticamente se detiene cuando la energía de los portadores de carga es insuficiente para superar la creada. barrera potencial.

Si se aplica un voltaje directo a los terminales del diodo, como se muestra en la Fig. 10.2, entonces la intensidad E del campo eléctrico creado por él será opuesta a la dirección de la intensidad E de la carga espacial y se introducirá (inyectará) un número cada vez mayor de agujeros en la región de la base (a medida que aumenta el voltaje U ), que no son los principales portadores de carga para la región n de la base, que forman una corriente directa del diodo I. La contrainyección n n en la región del emisor puede despreciarse, dado que p p ≥n n .

Si se aplica un voltaje inverso (-U) a los terminales del diodo, entonces la intensidad del campo eléctrico (-E) creado por él, coincidiendo en dirección con la intensidad E de la carga espacial, aumenta la barrera de potencial e impide la transición de los principales portadores de carga a la región vecina. Sin embargo, la fuerza total de los campos eléctricos contribuye a la extracción (extracción) de portadores de carga menores: n p - de p- a la región n y p n - de n- a la región p, que forman la corriente inversa de la Unión PN. El número de portadores de carga menores cambia significativamente con la temperatura y aumenta con su aumento. Por lo tanto, la corriente inversa formada debido a los portadores minoritarios se llama corriente térmica(I0).

Característica voltios-amperios (VAC) del diodo tiene la forma que se muestra en la Fig. 10.3 (línea continua), y se describe mediante la expresión

(10.1)

donde U D es el voltaje en la unión pn;

k - constante de Boltzmann; T es la temperatura absoluta; q es la carga del electrón. La expresión (10.1) corresponde al CVC de una unión pn ideal y no refleja algunas propiedades de un diodo real.

A un cierto valor de voltaje U arr, comienza un proceso similar a una avalancha de aumento de corriente I arr, correspondiente a la ruptura eléctrica de la unión p-n (segmento AB en la figura 10.3). Si en este momento la corriente no está limitada, la falla eléctrica se convierte en térmica (sección de la característica I-V después del punto B). Esta secuencia de proceso similar a una avalancha de aumento de corriente I arr es típica de los diodos de silicio. Para los diodos de germanio, con un aumento en el voltaje inverso, la ruptura térmica de la unión p-n ocurre casi simultáneamente con el comienzo del proceso similar a una avalancha de aumento de la corriente I arr. La falla eléctrica es reversible, es decir, después de una disminución en el voltaje U arr, el funcionamiento del diodo corresponde a una sección plana de la rama inversa del CVC. La ruptura térmica es irreversible, ya que destruye la unión pn.

La corriente directa del diodo también depende de la temperatura ambiente, aumentando con su aumento, aunque en mucha menor medida que la corriente inversa. La naturaleza del cambio en la rama directa de la característica corriente-voltaje con un cambio de temperatura se muestra en la fig. 10.3. Para evaluar la dependencia de la temperatura de la rama directa del CVC del diodo, se utiliza el coeficiente de temperatura voltaje (TKV), °K -1.

Este coeficiente muestra el cambio relativo en el voltaje directo debido a un cambio de temperatura de 1 ̊K en un cierto valor de la corriente directa.

Arroz. 10.3. Características voltios-amperios de un diodo semiconductor.

Resistencia y capacitancia del diodo. Un diodo semiconductor se caracteriza por resistencias estáticas y diferenciales (dinámicas), que se determinan fácilmente a partir de la característica corriente-voltaje. La resistencia diferencial es numéricamente igual a la relación entre un incremento de voltaje infinitesimal y el incremento de corriente correspondiente en un modo de operación de diodo dado y se puede determinar gráficamente como la tangente de la pendiente de la tangente en el punto de trabajo considerado E al eje de abscisas ( ver figura 10.3):

(10.2)

donde ∆U y ∆I son los incrementos finales de voltaje y corriente cerca del punto de operación E; mI y mU son las escalas de los ejes de corriente y voltaje.

A menudo, lo que interesa no son los incrementos de voltaje y corriente en las proximidades de un punto determinado, sino el voltaje y la corriente mismos en un elemento determinado. En este caso, es completamente indiferente cuál sea la característica del diodo cerca del punto de funcionamiento seleccionado. En este caso, es conveniente utilizar resistencia estática, que es igual a la relación entre el voltaje en el elemento U E y la corriente que fluye a través de él I E (figura 10.3). Como puede verse en la figura, esta resistencia es igual a la tangente del ángulo de inclinación de la recta trazada desde el origen de coordenadas a través del punto de funcionamiento dado del CVC hasta el eje de abscisas:

Dependiendo de en qué sección de la característica I-V se encuentre el punto de operación dado, el valor de R st puede ser menor o mayor que el valor de R diff o igual a él. Sin embargo, Rst siempre es positivo, mientras que Rdif puede ser negativo. Para elementos con características lineales I – V, las resistencias estática y diferencial son iguales.

Cuando se opera a altas frecuencias y en modos pulsados, la capacitancia del diodo C D, medida entre los terminales del diodo a valores de voltaje y frecuencia dados, comienza a desempeñar un papel. Esta capacitancia incluye la capacitancia de difusión C diff, la capacitancia de carga (barrera) C y la capacitancia C al cuerpo del diodo:

La capacitancia de difusión ocurre cuando el voltaje directo del diodo en la capa cercana al contacto de la unión p-n se debe a un cambio en el número de orificios y electrones de difusión con un cambio en el voltaje directo. La capacidad de carga se produce a voltaje inverso y se debe a un cambio en la carga espacial.

El valor de capacitancia C D está determinado por el modo de funcionamiento del diodo. Para voltaje directo

con voltaje inverso

Clasificación de diodos presentado en la tabla. 10.1.

Tabla 10.1 Clasificación de diodos

Consideremos algunos de ellos, los más utilizados en la práctica.

diodo rectificador, cuya designación gráfica convencional se muestra en la Fig. 10.4, 1, utiliza las propiedades de válvula de la unión pn y se utiliza en rectificadores de CA. El germanio y el silicio se utilizan como materiales de partida en la fabricación de diodos rectificadores.

Un diodo rectificador es un interruptor electrónico controlado por un voltaje que se le aplica. Con voltaje directo, la llave está cerrada, con voltaje inverso, está abierta. Sin embargo, en ambos casos, esta clave no es la ideal. Cuando se aplica un voltaje directo, U pr, la tecla tiene una pequeña resistencia diferencial. Por lo tanto, debido a la caída de voltaje U pr en el diodo abierto, el voltaje rectificado tomado del dispositivo de carga es algo menor que el voltaje de entrada (U pr no excede 0,5 V para diodos de germanio y 1,5 V para los de silicio; a menudo para el valor de U pr para diodos de silicio, se acepta una tensión de 0,7 V).

Los principales parámetros de los diodos rectificadores son:

Ipr cf max: valor máximo (para el período de voltaje de entrada) de la corriente directa promedio del diodo;

U obr.dop: el valor máximo permitido del voltaje inverso constante del diodo;

f max - la frecuencia máxima permitida del voltaje de entrada;

U pr: el valor de la caída de voltaje directo a través del diodo a una corriente directa determinada.

Los diodos rectificadores también se clasifican por potencia y frecuencia.

Por potencia: baja potencia I pr cf max<0,3 A; средней мощности 0,3 A10 a.

Por frecuencia: baja frecuencia f max<1000 Гц; высокочастотные f max >1000 Hz.

Los diodos fabricados en una unión rectificadora de metal-semiconductor (diodos Schottky) también se utilizan como rectificadores. Se distinguen por un voltaje U pr más bajo y características de frecuencia más altas que las de los diodos con una unión p-n.

Diodo de pulso- un diodo semiconductor, que tiene una corta duración de procesos transitorios y, al igual que un diodo rectificador, utiliza las ramas directa e inversa de la característica I-V durante su funcionamiento.

La duración de los espacios de transición en el diodo (Fig. 10.4) se debe al hecho de que un cambio en la dirección y el valor de la corriente que lo atraviesa con un cambio en el voltaje que se le suministra no puede ocurrir instantáneamente debido a la sobrecarga del capacitancia de la transición rectificadora y procesos inerciales de reabsorción de los portadores de carga minoritarios inyectados en la base. Este último fenómeno determina la velocidad de los diodos y se caracteriza por un parámetro especial: el tiempo de recuperación t de su resistencia inversa. El tiempo de recuperación es igual al intervalo de tiempo entre el momento en que el voltaje en el diodo cambia de directo a inverso y el momento en que la corriente inversa, que en el momento de cambiar el voltaje es igual a la corriente directa, alcanza su valor mínimo.

Arroz. 10.4. Procesos transitorios en un diodo semiconductor.

Por tanto, además de los parámetros I pr avg max , U arr, U pr que caracterizan las propiedades del rectificador, para diodos pulsados ​​​​se introduce el parámetro t vos, que caracteriza la velocidad.

Para aumentar la velocidad (reducir t res), los diodos pulsados ​​​​se fabrican en forma de estructuras puntuales, lo que proporciona un área mínima, unión p-n y, en consecuencia, el valor mínimo de la capacidad de carga C de la carga. Al mismo tiempo, el espesor de la base se hace lo más pequeño posible para lograr el mínimo tiempo de recuperación de los diodos.

Los diodos Schottky también se utilizan como diodos de pulso.

Diodo de microondas(Diodo de microondas): un diodo semiconductor diseñado para convertir y procesar una señal de alta frecuencia (hasta decenas y cientos de GHz). Los diodos de microondas se utilizan ampliamente en la generación y amplificación de oscilaciones electromagnéticas en el rango de las microondas, multiplicación de frecuencia, modulación, regulación y limitación de señales, etc. Los representantes típicos de este grupo de diodos son la mezcla (obteniendo una señal de la suma o diferencia de dos frecuencias), detector (selección de una señal de microondas componente constante) y diodos de conmutación (control del nivel de potencia de la señal de microondas). La designación gráfica condicional de los diodos de pulso y microondas es similar a la designación de los diodos rectificadores (Fig. 10.0, 1).

Diodo Zener y estabilizador Se utiliza en circuitos de CC no lineales para estabilizar el voltaje. La diferencia entre un diodo zener y un estabistor radica en la rama característica corriente-voltaje utilizada para estabilizar el voltaje. Como puede verse en la fig. 10.3, el CVC del diodo tiene secciones AB y CD, en las que un cambio significativo de corriente corresponde a un ligero cambio de voltaje con una dependencia relativamente lineal. Para estabilizar el alto voltaje (> 3 V), se utiliza la rama inversa (sección AB) de la característica I–V. Los diodos utilizados para este fin se denominan diodos zener. Para estabilizar valores de voltaje pequeños (< 1 В -например, в интегральных схемах) используют прямую ветвь (участок CD) ВАХ, а применяемые в этом случае диоды называют стабисторами. Условное обозначение стабилитрона и стабистора показано на рис. 10.0, 2.

Los diodos Zener y los estabistores suelen estar fabricados de silicio. Cuando se utiliza silicio altamente dopado (alta concentración de impurezas y, en consecuencia, portadores de carga libres), el voltaje de estabilización disminuye y, con una disminución en el grado de dopaje del silicio, aumenta. En consecuencia, se distinguen los diodos Zener de bajo y alto voltaje con un voltaje de estabilización de 3 a 400 V.

Los principales parámetros del diodo Zener son:

Artículo U: voltaje de estabilización a una corriente determinada;

R diff - resistencia diferencial a una corriente determinada;

I st min - la corriente de estabilización mínima permitida;

I st max: la corriente de estabilización máxima permitida;

P max - disipación de potencia máxima permitida;

donde ∆U st - desviación de voltaje U st del valor nominal cuando la temperatura cambia en el intervalo ∆T.

En los circuitos de estabilización de voltaje bipolar, se utiliza un diodo zener simétrico, cuya designación gráfica convencional se muestra en la fig. 10.0, 3.

Varicap- un diodo semiconductor, cuya acción se basa en el uso de la dependencia de la capacidad de carga C del valor de la tensión aplicada. Esto hace posible utilizar el varicap como un elemento con una capacitancia controlada eléctricamente.

La característica principal del varicap es la característica capacitancia-voltaje (Fig. 10.5): la dependencia de la capacitancia del varicap C V, que consiste en la capacitancia de carga y la capacitancia de la carcasa del dispositivo, del valor del voltaje inverso aplicado. En los varicaps disponibles comercialmente, el valor de capacitancia C B puede variar desde unidades hasta cientos de picofaradios.

Arroz. 10.5. Característica voltafaradio del varicap.

Los principales parámetros del varicap son:

C B - capacitancia medida entre los terminales del varicap a un voltaje inverso dado;

K C - coeficiente de superposición de capacitancia utilizado para evaluar la dependencia C B =f(U arr) e igual a la relación de capacitancias varicap en dos valores de voltaje inverso dados (K C =2...20).

La dependencia de los parámetros varicap de la temperatura se caracteriza por el coeficiente de temperatura de la capacitancia.

donde ∆C B / C B es el cambio relativo en la capacitancia varicap con un cambio en la temperatura ambiente ∆T.

La designación gráfica condicional del varicap se da en 10.0, 4.

diodo emisor- un diodo semiconductor que emite cuantos de energía desde la región de unión pn. La radiación se emite a través de una placa de vidrio transparente colocada en el cuerpo del diodo.

Según las características de la radiación, los diodos emisores de luz se dividen en dos grupos: diodos con radiación en la región visible del espectro, llamados diodos emisores de luz; diodos con radiación en la región infrarroja del espectro, que, a su vez, recibieron el nombre de diodos IR. El principio de funcionamiento de ambos grupos de diodos es el mismo y se basa en la recombinación espontánea de portadores de carga con corriente continua a través de una unión eléctrica rectificadora. En el curso de física se sabe que la recombinación de portadores de carga va acompañada de la liberación de un cuanto de energía. El espectro de frecuencia de este último está determinado por el tipo de material semiconductor original.

Los principales materiales para la fabricación de LED son el fosfuro de galio, el fosfuro de arseniuro de galio y el carburo de silicio. La mayor parte de la energía liberada en estos materiales durante la recombinación de portadores de carga es energía térmica. La proporción de energía de radiación visible representa, en el mejor de los casos, el 10 ... 20%. Por tanto, la eficiencia de los LED es baja.

Los materiales de partida para la fabricación de diodos IR son el arseniuro de galio y el fosfuro de galio. La potencia de radiación total de este grupo de diodos varía desde unidades hasta cientos de milivatios con un voltaje de diodo de 1,2 ... 3 V y corriente continua desde decenas hasta cientos de miliamperios.

La designación gráfica convencional de los diodos emisores se muestra en la fig. 10.0, 5.

Los LED se utilizan como indicadores luminosos y los diodos IR se utilizan como fuentes de radiación en dispositivos optoelectrónicos.

¿Qué es un diodo ideal?

La tarea principal de un diodo rectificador convencional es conducir la electricidad en una dirección y no en la opuesta. Por lo tanto, un diodo ideal debe ser un muy buen conductor con resistencia cero cuando se aplica voltaje directamente (más al ánodo, menos al cátodo) y un aislante absoluto con resistencia infinita cuando el voltaje se invierte.

Así es como se ve en el gráfico:

Este modelo de diodo se utiliza en los casos en que sólo es importante la función lógica del dispositivo. Por ejemplo, en electrónica digital.

Característica IV de un diodo semiconductor real.

Sin embargo, en la práctica, debido a su estructura semiconductora, un diodo real tiene una serie de desventajas y limitaciones en comparación con un diodo ideal. Esto se puede ver en el cuadro a continuación.

V ϒ (gamma) — voltaje umbral de conducción

Con conexión directa, el voltaje a través del diodo debe alcanzar un cierto valor umbral: V ϒ. Este es el voltaje al cual la unión PN en el semiconductor se abre lo suficiente como para que el diodo comience a conducir bien la corriente. Antes de que el voltaje entre el ánodo y el cátodo alcance este valor, el diodo es un muy mal conductor. V ϒ para dispositivos de silicio es de aproximadamente 0,7 V, para el de germanio, aproximadamente 0,3 V.

I D_MAX - corriente máxima a través del diodo con conexión directa

Cuando se conecta directamente, un diodo semiconductor es capaz de soportar una corriente limitada I D_MAX. Cuando la corriente a través del dispositivo excede este límite, el diodo se sobrecalienta. Como resultado, la estructura cristalina del semiconductor se destruye y el dispositivo queda inutilizable. El valor de esta intensidad de corriente varía mucho según los diferentes tipos de diodos y sus fabricantes.

I OP - corriente de fuga inversa

Cuando se vuelve a encender, el diodo no es un aislante absoluto y tiene una resistencia finita, aunque muy alta. Esto provoca una corriente de fuga o corriente inversa I OP. La corriente de fuga para dispositivos de germanio alcanza hasta 200 µA, para dispositivos de silicio hasta varias decenas de nA. Los últimos diodos de silicio de alta calidad con corriente inversa extremadamente baja tienen este valor en torno a 0,5 nA.

PIV (voltaje inverso pico): voltaje de ruptura

Cuando se vuelve a encender, el diodo puede soportar un voltaje limitado: el voltaje de ruptura PIV. Si la diferencia de potencial externo excede este valor, el diodo reduce drásticamente su resistencia y se convierte en un conductor. Este efecto no es deseable, ya que el diodo sólo debe ser un buen conductor cuando se conecta directamente. El valor del voltaje de ruptura varía según los diferentes tipos de diodos y sus fabricantes.

En la mayoría de los casos, para cálculos en circuitos electrónicos no se utiliza el modelo exacto del diodo con todas sus características. La no linealidad de esta función complica demasiado la tarea. Prefieren utilizar los llamados modelos aproximados.

Modelo de diodo aproximado "diodo ideal + V ϒ "

El más simple y utilizado con mayor frecuencia es el modelo aproximado de primer nivel. Consta de un diodo ideal y, añadido a él, una tensión umbral de conducción V ϒ .

Modelo de diodo aproximado "diodo ideal + V ϒ + r D "

A veces se utiliza un modelo aproximado de segundo nivel ligeramente más complejo y preciso. En este caso, la resistencia interna del diodo se suma al modelo de primer nivel, convirtiendo su función de exponencial a lineal.

Para controlar la dirección de la corriente eléctrica, es necesario utilizar diferentes componentes eléctricos y de radio. En particular, la electrónica moderna utiliza para este fin un diodo semiconductor, cuyo uso garantiza una corriente fluida.

Dispositivo

Un diodo eléctrico semiconductor o válvula de diodo es un dispositivo que está hecho de materiales semiconductores (generalmente silicio) y funciona únicamente con un flujo unidireccional de partículas cargadas. El componente principal es una parte cristalina, con una unión p-n, que está conectada a dos contactos eléctricos. Los tubos de diodos de vacío tienen dos electrodos: una placa (ánodo) y un cátodo calentado.

Foto - diodo semiconductor

Para crear diodos semiconductores se utilizan germanio y selenio, como se utilizaba hace más de 100 años. Su estructura permite el uso de piezas para mejorar circuitos electrónicos, convertir CA y CC en pulsaciones unidireccionales y mejorar varios dispositivos. En el diagrama, se ve así:

Foto - designación de diodo

Existir diferentes tipos Diodos semiconductores, su clasificación depende del material, principio de funcionamiento y campo de uso: diodos Zener, pulsados, de aleación, puntuales, varicaps, láser y otros tipos. Muy a menudo se utilizan análogos de puentes: rectificadores planos y policristalinos. Su mensaje también se elabora con la ayuda de dos contactos.

Las principales ventajas de un diodo semiconductor:

1. Completa intercambiabilidad;
2. Excelentes parámetros de rendimiento;
3. Disponibilidad. Se pueden comprar en cualquier tienda de electrodomésticos o retirar gratis de circuitos viejos. El precio comienza desde 50 rublos. En nuestras tiendas se presentan tanto marcas nacionales (KD102, KD103, etc.) como extranjeras.

Calificación

La marca de un diodo semiconductor es una abreviatura de los parámetros principales del dispositivo. Por ejemplo, KD196V es un diodo de silicio con un voltaje de ruptura de hasta 0,3 V, un voltaje de 9,6, un modelo del tercer desarrollo.

Basado en esto:

1. La primera letra identifica el material del que está fabricado el dispositivo;
2. Nombre del dispositivo;
3. El número que determina el propósito;
4. Voltaje del dispositivo;
5. Un número que define otros parámetros (depende del tipo de pieza).

Video: el uso de diodos.

Principio de funcionamiento

Los diodos semiconductores o rectificadores tienen un principio de funcionamiento bastante simple. Como ya hemos dicho, el diodo está fabricado en silicio de tal forma que uno de sus extremos es tipo p y el otro extremo es tipo n. Esto significa que ambos contactos tienen características diferentes. Uno tiene un exceso de electrones, mientras que el otro tiene un exceso de huecos. Naturalmente, hay una región en el dispositivo en la que todos los electrones llenan ciertos huecos. Esto significa que no hay cargos externos. Debido al hecho de que esta región está agotada de portadores de carga y se la conoce como la región unificadora.

Foto - el principio de funcionamiento.

A pesar de que la sección de conexión es muy pequeña (a menudo su tamaño es de unas pocas milésimas de milímetro), la corriente no puede fluir por ella de la forma habitual. Si se aplica un voltaje tal que el área tipo p se vuelve positiva y el área tipo n, respectivamente, negativa, los huecos van al polo negativo y ayudan a los electrones a pasar a través del área de acumulación. De la misma manera, los electrones se mueven hacia el contacto positivo y, por así decirlo, pasan por alto el unificador. A pesar de que todas las partículas se mueven con diferentes cargas en diferentes direcciones, al final forman una corriente unidireccional, lo que ayuda a rectificar la señal y evitar sobretensiones en los contactos del diodo.

Si se aplica voltaje a un diodo semiconductor en la dirección opuesta, no fluirá corriente a través de él. La razón es que los huecos son atraídos por el potencial negativo, que se encuentra en la región de tipo p. De manera similar, los electrones son atraídos por un potencial positivo que se aplica a la región de tipo n. Esto hace que el área de fusión aumente de tamaño, imposibilitando el flujo de partículas direccionales.

Foto - características de los semiconductores.

IV-características

La característica corriente-voltaje de un diodo semiconductor depende del material del que está hecho y de algunos parámetros. Por ejemplo, un diodo o rectificador semiconductor ideal tiene los siguientes parámetros:

1. Resistencia de conexión directa - 0 ohmios;
2. Potencial térmico - VG \u003d + -0,1 V.;
3. En el tramo recto, RD > rD, es decir, la resistencia directa es mayor que la diferencial.

Si todos los parámetros coinciden, se obtiene el siguiente gráfico:

Foto - CVC de un diodo ideal.

Un diodo de este tipo se utiliza en la ingeniería eléctrica digital, en la industria del láser y también en el desarrollo de equipos médicos. Es necesario para altas exigencias de funciones lógicas. Algunos ejemplos son diodos láser y fotodiodos.

En la práctica, estos parámetros son muy diferentes a los reales. Muchos dispositivos simplemente no son capaces de funcionar con una precisión tan alta o no son necesarios esos requisitos. La característica del circuito equivalente de un semiconductor real demuestra que tiene serios inconvenientes:

Foto - CVC en un diodo semiconductor real

Esta característica IV de un diodo semiconductor indica que durante la conmutación directa, los contactos deben alcanzar el voltaje máximo. Entonces el semiconductor se abrirá al paso de partículas electrónicas cargadas. Estas propiedades también demuestran que la corriente fluirá normalmente y sin interrupción. Pero hasta que todos los parámetros coincidan, el diodo no conduce corriente. Al mismo tiempo, para un rectificador de silicio, el voltaje varía dentro de 0,7, y para uno de germanio, 0,3 voltios.

El funcionamiento del dispositivo depende en gran medida del nivel de corriente directa máxima que puede pasar a través del diodo. En el diagrama, está definido por ID_MAX. El dispositivo está diseñado de tal manera que cuando se enciende de forma directa, solo puede soportar una corriente eléctrica de intensidad limitada. De lo contrario, el rectificador se sobrecalentará y quemará como un LED normal. Se utilizan varios tipos de dispositivos para controlar la temperatura. Naturalmente, algunos de ellos afectan la conductividad, pero prolongan el rendimiento del diodo.

Otra desventaja es que cuando pasa corriente alterna, el diodo no es un dispositivo aislante ideal. Sólo funciona en un sentido, pero siempre hay que tener en cuenta la corriente de fuga. Su fórmula depende del resto de parámetros del diodo utilizado. La mayoría de las veces, los esquemas lo designan como I OP. Un estudio realizado por expertos independientes encontró que el germanio pasa hasta 200 µA y el silicio hasta 30 µA. Al mismo tiempo, muchos modelos importados están limitados a una fuga de 0,5 µA.

Foto - diodos domésticos

Todos los tipos de diodos son susceptibles a caídas de voltaje. Esta es una propiedad de la red, que se caracteriza por un voltaje limitado. Cualquier dispositivo estabilizador debe resistirlo (diodo zener, transistor, tiristor, puente de diodos y condensador). Cuando la diferencia de potencial externo de los contactos de un diodo semiconductor rectificador es significativamente mayor que el voltaje limitado, entonces el diodo se convierte en un conductor, reduciendo la resistencia al mínimo en un segundo. El propósito del dispositivo no le permite realizar saltos tan bruscos, de lo contrario distorsionará el CVC.