Випрямлювальні діоди: Загальна інформація, конструктивні особливості та особливості вольт-амперних характеристик. Вольт-амперна характеристика діода Вах різних діодів

Вольтамперна характеристика (ВАХ) є графіком залежності струму в зовнішньому ланцюзі p-n-переходу від значення і полярності напруги, що прикладається до нього. Ця залежність може бути отримана експериментально або розрахована на підставі рівняння вольтамперної характеристики . Тепловий струм p-n-переходу залежить від концентрації домішки та температури. Збільшення температури p-n-переходу призводить до збільшення теплового струму, а, отже, до зростання прямого і зворотного струмів.

14. Пробійp- n-переходу– називають різку зміну режиму роботи переходу, що під зворотним напругою. що супроводжується

Різким збільшенням зворотного струму, при незначному зменшенні і навіть спадному зворотному напрузі:

Три види пробою:

1.Тунельний (електричний) - явище проходження електронів через потенційний бар'єр;

2. Лавинний (електричний) - виникає, якщо, при русі до чергового зіткнення з атомом дірка (електрон) набуває енергію достатню для іонізації атома;

3. Тепловий пробій (незворотній) – виникає при розігріві напівпровідника та відповідному збільшенням питомої провідності.

15. Випрямний діод: призначення, вах, основні параметри, уго

Випрямні діоди служать для перетворення змінного струму в пульсуючий струм одного напрямку та використовується в джерелах живлення радіоелектронної апаратури.

Германієві випрямні діоди

Виготовлення германієвих випрямляючих діодів починається з вплавлення індію у вихідну напівпровідникову пластину германію n-типу. У свою чергу вихідна пластина припаюється до сталевого кристалоутримувача для малопотужних діодів, що випрямляють, або до мідної основи для потужних випрямлювальних діодів.

Рис 24 конструкція малопотужного сплавного діода. 1- кристалотримач; 2 – кристал; 3 – внутр. висновок; 4 – підступний корпус; 5 – ізолятор; 6 - підступна трубка; 7 – зовнішній висновок

Мал25 ВАХ германієвого діода

З рис 25 видно, що зі зростанням температури значною мірою збільшується зворотний струм діода, а величина пробивної напруги зменшується.

Германієві діоди різного призначеннямають величину випрямленого струму від 03 до 1000А. Пряме падіння напруги вбирається у 0,5В, а допустиме зворотне напруга 400В. Недоліком германієвих діодів є їх незворотний пробій навіть при короткочасних імпульсних навантаженнях

Кремнієві випрямляючі діоди

Для отримання p-n переходу в кремнієвих випрямних діодах здійснюють вплавлення алюмінію кристал кремнію n-типу, або сплаву золота з сурмою в кремній p-типу. Для отримання переходів використовують дифузійні методи. Конструкції низки малопотужних кремнієвих діодів мало відрізняється від конструкцій аналогічних германієвих діодів.

Властивості діода визначаються його вольт – амперною характеристикою (ВАХ), яка показана на рис. 2.7. Приблизно вона може бути описана рівнянням

I=I 0 (e U / m j т - 1), (2.1)

де I 0 – струм насичення зворотнозміщеного переходу (зворотний тепловий струм); U-Напруга на p-n– переході; j т = kT/q– тепловий потенціал, що дорівнює контактній різниці потенціалів j до на кордоні p-nпереходу за відсутності зовнішньої напруги; k=1,38×10 -23 Дж/К–постійна Больцмана; Т-Абсолютна температура; q=1,6×10 -19 кулон – заряд електрона; m- Поправочний коефіцієнт, що враховує відхилення від теорії. При температурі Т=300К, т =0,026 В.

Мал. 2.7

На ВАХ розрізняють дві гілки: пряма гілка, яка знаходиться в першому квадраті та зворотна гілкау третьому квадраті. Рівняння (2.1) добре описує характеристику реального діода у напрямі й у невеликих струмів. Відповідно до (2.1) опір діода є нелінійним. У разі лінійного опору ВАХ була б пряма лінія.

На прямій галузі реальної ВАХ є різкий загин, який характеризується напругою включення. Для германієвих діодів напруга включення дорівнює приблизно 0,3, для кремнієвих - приблизно 0,6 В.

Значення зворотного струму зворотної гілки приблизно постійно широкому діапазоні напруги. При перевищенні певного значення зворотної напруги, що називається напругою пробою Uпроб, починається лавиноподібний процес наростання зворотного струму, що відповідає електричному пробою. p - n- Переходу. Якщо в цей момент не обмежити струм, то електричний пробій перейде в тепловий. Тепловий пробою обумовлений зростанням числа носіїв p-n- Перехід. При цьому потужність, що виділяється в діоді Uобр Iобр, не встигає відводитися від переходу, його температура зростає, зростає зворотний струм і, отже, продовжує зростати потужність. Тепловий пробій незворотний, т.к. руйнує p–n- Перехід.

Для діода обговорюється декілька основних параметрів:

Номінальний прямий струм;

Максимальна зворотна напруга;

Пряме падіння напруги;

Постійний зворотний струм;

Максимальний прямий струм (для нього визначається режим роботи, наприклад, час провідності).

Переважають кремнієві діоди, оскільки мають більш високу граничну робочу температуру (150 про З проти 75 про для германієвих), допускають велику щільність прямого струму (60 80 А/см 2 в порівнянні з 20 30 А/см 2), мають меншими зворотними струмами (приблизно на порядок) і більшими допустимими зворотними напругами (1500?2800 В порівняно з 600?800 В). Однак кремнієві діоди мають більше пряме падіння напруги, яке. для германієвих діодів Uпр =0,3?0,4В, а для кремнієвих діодів Uпр =0,6?1,2 В.

Працездатність діода визначається потужністю, що виділяється на ньому. P=UI. Uі Iвідносяться до певної точки ВАХ. Потужність визначає нагрівання. Робоча ділянка діода на ВАХ рис. 2.7 відзначений жирною лінією. Якщо діод починає працювати на неробочих ділянках ВАХ, він виходить з ладу, оскільки потужність перевищує допустиму, нагрівання перевищує допустиме і діод руйнується.

При розгляді режимів роботи схем з діодами їх подають у вигляді ідеалізованих приладів, які є ідеальними провідниками у прямому напрямку та ідеальними ізоляторами у зворотному напрямку. Ідеалізована ВАХ представлена ​​на рис. 2.8 а залежність ВАХ від температури показана на рис. 2.9.

Мал. 2.8	Мал. 2.9

Типи діодів

За призначенням розрізняють такі типи діодів:

- Випрямляючі;

- імпульсні;

- Високочастотні;

- Стабілітрони та стабистори.

Діоди розрізняють також за потужністю та частотними властивостями.

Випрямлювальні діоди. Призначені для роботи при напругах частоти до кількох кГц і при некрутих фронтах напруги живлення. Не призначені для прямокутної напруги живлення. Для випрямних діодів обумовлюються два основні параметри:

1.Струм прямий номінальний (середнє значення).

Діоди випускаються на струм 10 мА-1000 А. Зворотна напруга знаходиться в межах від 10 до декількох кВ. Для потужних діодів (струм > 10 А) зворотну напругу визначають класом діода. Клас діода – це 100В, помножений на цифру класу. Цифра класу від 1 до 20. Наприклад: Д50-12, тут 50-ток прямий номінальний в А; 12 – клас. Клас - це параметр, який використовується для потужних діодів і характеризує зворотну напругу. У потужних діодів номінальний прямий струм допустимо лише за умови встановлення діода на радіатор і при примусовому охолодженні зі швидкістю повітря 12м/с. Без примусового охолодження повітрям (є лише радіатор) допустимий струм становить близько 30% від номінального. У сучасних діодів поширені такі позначення: Д XXXYабо КД XXXY, де КД - кремнієвий діод, XXX- Цифри, Y- літера. Перша цифра говорить про вид діода (випрямні – 1, 2). Літера визначає зворотну напругу.

Другорядні параметри:

1. Максимальний зворотний струм Iобр.макс (від десятків до десятків мА).

2. Пряме падіння напруги Uпр (0,3?1,2В).

3. Максимальна робоча частота, до якої забезпечуються задані струми, напруга та потужність.

Мал. 2.10

4. Час відновлення замикаючих властивостей діода.

Діод не проводить (або замикається) при застосуванні зворотної напруги. Замикання - перехід від провідного стану до непровідного. При додатку прямокутної зворотної напруги діод поводиться як показано на рис. 2.10. Інтервал I – час розсмоктування носіїв, інтервал II – кидок зворотного струму. Він пов'язані з наявністю бар'єрної ємності діода. Інтервал tв – час відновлення, тобто. час переходу від провідного стану до моменту встановлення зворотного струму на ВАХ. Через неідеальність діода обмежується гранична частота його роботи. При дуже високій частоті діод перестає виконувати свої функції.

Мал. 2.11

Високочастотні діоди. Для них обумовлюються ті ж параметри (основні та другорядні), але вони можуть працювати при високій частоті і мають малий час відновлення (порівняно з випрямляючими). Їх наводиться графік прямого струму залежно від частоти. Графік подано на рис. 2.11.

Імпульсні діоди. Обумовлюються самі основні параметри, як і розглянутих вище діодів, і наводиться ще важливий другорядний параметр – імпульсний струм за обумовлений час.

Стабілітрони та стабистори. Робочою частиною ВАХ у стабілітронів є зворотна гілка. Пряма гілка така сама, як у діодів, вона також може використовуватися.

ВАХ стабілітрону представлена ​​на рис. 2.12. Для стабілітронів вказується два основні параметри:

Uст – напруга стабілізації стабілітрона;

Iст.н - номінальний струм стабілітрону.

Мал. 2.12	Мал. 2.13

Uст = 3,3 170В. Для Uст вказується розкид у відсотках чи вольтах, і навіть зміна Uст за зміни температури. У малопотужних стабілітронів Iст.min = 13 mА, I зт. max =30 m A. Iст.н у потужних стабілітронів становить кілька сотень m A.

Стабистори – це стабілітрони, які використовують пряма гілка ВАХ, тобто. це діод із великим падінням напруги, яке постійно при зміні струму. ВАХ стабістора показано на рис. 2.13. Така ВАХ створюється технологічно. Стабілітрони та стабистори можуть з'єднуватися послідовно, але не паралельно. Вони використовуються в стабілізаторах та обмежувачах напруги.

Контрольні питання

1. Що таке потенційний бар'єр напівпровідникового діода та як він формується?

2. Охарактеризуйте коротко схеми включення напівпровідникового діода.

3. Охарактеризуйте реальну та ідеальну вольт – амперні характеристики напівпровідникового діода.

4. Перерахуйте основні параметри напівпровідникового діода.

5. Охарактеризуйте основні типи діодів.

6. Перерахуйте другорядні параметри напівпровідникового діода.

7. Як здійснюється маркування напівпровідникового діода?

Принцип роботи, основні характеристики напівпровідникових випрямних діодів можна розглянути, використовуючи їх вольтамперну характеристику (ВАХ), яка схематично представлена ​​на малюнку 1.

Вона має дві гілки, що відповідають прямому та зворотному включенню діода.

При прямому включенні випрямного діода відчутний струм через нього починає протікати при досягненні на діоді певної напруги Uоткр. Цей струм називається прямим Iпр. Його зміни на напругу Uоткр впливають слабо, тому для більшості розрахунків можна прийняти його значення:

• 0,7 Вольт для кремнієвих діодів,
• 0,3 Вольт – для германієвих.

Звичайно, прямий струм діода до нескінченності збільшувати не можна, при його певному значенні Iпр.макс цей напівпровідниковий прилад вийде з ладу. До речі, існують дві основні несправності напівпровідникових діодів:

• пробій - діод починає проводити струм у будь-якому напрямку, тобто стане звичайним провідником. Причому, спочатку настає тепловий пробій (це стан оборотний), потім електричний (після цього діод можна сміливо викидати),
• урвище - тут, думаю, пояснення зайві.

Якщо діод підключити у зворотному напрямку, через нього протікатиме незначний зворотний струм Iобр, яким, як правило, можна знехтувати. При досягненні певного значення зворотної напруги Uобр зворотний струм різко збільшується, прилад знову ж таки виходить з ладу.

Числові значення розглянутих параметрів кожного типу діода індивідуальні і є його основними електричними характеристиками. Повинен зауважити, що є низка інших параметрів (власна ємність, різні температурні коефіцієнти тощо.), але спершу вистачить перелічених.

Тут пропоную закінчити з чистою теорією та розглянути деякі практичні схеми.

СХЕМИ ПІДКЛЮЧЕННЯ ДІОДІВ

Для початку давайте розглянемо як працює діод в ланцюзі постійного (рис.2) та змінного (рис.3) струму, що слід враховувати при тому чи іншому включенні діодів.

При подачі на діод прямої постійної напруги через нього починає протікати струм, що визначається опором навантаження Rн. Оскільки він не повинен перевищувати гранично допустимого значення, слід визначити його величину, після чого вибрати тип діода:

Iпр = Uн / Rн - все просто - це закон Ома.

Uн=U-Uоткр - див. початок статті. Іноді величиною Uоткр можна знехтувати, бувають випадки, коли її необхідно враховувати, наприклад, при розрахунку схеми підключення світлодіода.

Це найголовніше, про що треба пам'ятати.

Тепер - кілька схем підключення діодів, які часто зустрічаються на практиці.

Поза сумнівом, лідером тут є мостова схема діодів, що використовується у всіляких випрямлячах (рисунок 4). Виглядати вона може по-різному, принцип дії однаковий, думаю з малюнка все ясно. До речі, останній варіант - умовне позначеннядіодного мосту загалом. Застосовується для спрощення позначення двох попередніх схем.

1. Діоди можуть виступати як елементи, що "розв'язують". Керуючі сигнали Упр1 і Упр2 об'єднуються в точці А, причому взаємний вплив їх джерел один на одного відсутній. До речі, це найпростіший варіант реалізації логічної схеми "чи".
2. Захист від переполюсування (жаргонне - "захист від дурнів"). Якщо існує можливість неправильного підключення полярності напруги живлення, ця схема захищає пристрій від виходу з ладу.
3. Автоматичний перехід харчування від зовнішнього джерела. Оскільки діод "відкривається", коли напруга на ньому досягне Uоткр, то при Зовніш живлення здійснюється від внутрішнього джерела, інакше – підключається зовнішній.

© 2012-2017 р. Усі права захищені.

Усі представлені на цьому сайті матеріали мають виключно інформаційний характер і не можуть бути використані як керівні та нормативні документи

Існує чимало пристроїв, створених з метою перетворення електричного струму, та випрямні діоди – одні з них.

Випрямний діод – перетворювач струму змінного на постійний. Є одним із видів напівпровідників. Широке застосування отримав завдяки основній характеристиці - переклад електричного струму строго в одному напрямку.

Принцип дії

Необхідний ефект при роботі пристрою створюють особливості p-n переходу. Полягають у тому, що поруч із переходом двох напівпровідників вбудовується шар, який характеризується двома моментами: великим опором та відсутністю носіїв заряду. Далі при дії на даний замикаючий шар змінної напруги ззовні товщина його зменшується і згодом зникає. Зростаючий під час цього струм є прямим струмом, який проходить від анода до катода. У разі зміни полярності зовнішньої змінної напруги замикаючий шар буде більшим, і опір неминуче зросте.

ВАХ випрямного діода (вольт-амперна характеристика) також дає уявлення про специфіку роботи випрямляча та є нелінійною. Виглядає так: існує дві гілки - пряма і зворотна. Перша відбиває найбільшу провідність напівпровідника у разі прямої різниці потенціалів. Друга вказує на значення низької провідності за зворотної різниці потенціалів.

Вольт-амперні характеристики випрямляча прямо пропорційні температурі, з підвищенням якої різниця потенціалів скорочується. не пройде через пристрій у разі низької провідності, але лавинний пробій відбувається у разі зростання до певного рівня зворотної напруги.

Використання складання

При експлуатації випрямного напівпровідникового діода користь витягується тільки з половини хвиль змінного струму, відповідно, безповоротно втрачається більше половини вхідної напруги.

З метою покращення якості перетворення змінного струму на постійний використовується збірка з чотирьох пристроїв – діодний міст. Вигідно відрізняється тим, що пропускає струм протягом кожного напівперіоду. Діодні мости роблять у вигляді комплекту, укладеного в пластиковий корпус.

Принципова схема діодного мосту

Фізико-технічні параметри

Основні параметри випрямних діодів базуються на таких значеннях:

• максимально допустиме значення різниці потенціалів при випрямленні струму, при якому пристрій не вийде з ладу;
• найбільшому середньому випрямленому струмі;
• найбільше значення зворотної напруги.

Випрямлячі промисловість випускає із різними фізичними характеристиками. Відповідно, пристрої мають різну форму та спосіб монтажу. Поділяються при цьому на три групи:

1. Випрямні діоди великої потужності. Характеризуються пропускну здатність ю струму до 400 А і є високовольтними. Високовольтні випрямлювальні діоди виробляються в корпусах двох видів -штирьовим, де корпус герметичний і скляний, і таблетковому, де корпус з кераміки.
2. Випрямні діоди середньої потужності. Мають пропускну здатність від 300 мА до 10А.
3. Випрямні діоди малої потужності. Максимально допустиме значення струму – до 300 мА.

Вибір випрямних діодів

При покупці пристрою необхідно керуватися такими параметрами:

• значеннями вольт-амперної характеристики максимально зворотного та пікового струму;
• максимально допустимою зворотною та прямою напругою;
• середньою силою випрямленого струму;
• матеріалом приладу та типом монтажу.

Залежно від фізичних характеристик корпус пристрою наноситься відповідне позначення. Каталог з маркуванням випрямних діодів представлений у спеціалізованому довіднику. Необхідно знати, що маркування імпортних аналогів відрізняється від вітчизняних.

Також варто звернути увагу на те, що схеми випрямлення відрізняються за кількістю фаз:

1. Однофазні. Широко використовуються для побутових електроприладів. Існують автомобільні діоди і для електродугового зварювання.
2. Багатофазні. Незамінні для промислового обладнання, громадського та спеціального транспорту.

Діод Шоттки

Окрему позицію займає діод Шоттка. Винайшли його у зв'язку з зростаючими потребами в галузі радіоелектроніки, що розвивається. Основна відмінність його від інших діодів полягає в тому, що в його конструкцію закладено метал-напівпровідник. альтернатива p-nпереходу. Відповідно, діод Шоттки має свої, унікальні властивості, якими не можуть похвалитися кремнієві випрямні діоди. Деякі з них:

• оперативна відновлюваність заряду завдяки його низькому значенню;
• мінімальне падіння напруги на переході при прямому включенні;
• струм витоку має велике значення.

При виготовленні діода Шоттки застосовують такі матеріали, як кремній та арсенід галію, але іноді застосовується і германій. Властивості матеріалів трохи відрізняються, але в будь-якому випадку максимально допустима зворотна напруга для випрямляча Шоттки становить не більше 1200 V.

На противагу всім перевагам конструкція цього виду має і мінуси. Наприклад, у складанні мосту пристрій категорично не сприймає перевищення зворотного струму. Порушення умови призводить до поломки випрямляча. Також мале падіння напруги відбувається при невисокій напрузі близько 60-70 V. Якщо значення перевищує цей показник, пристрій перетворюється на звичайний випрямляч.

Варто зазначити, що переваги діода потужного випрямного Шоттки значно перевищують недоліки.

Діод-стабілітрон

Для стабілізації напруги використовують спеціальний пристрій, здатний працювати в режимі пробою, - стабілітрон, зарубіжна назва якого «діод Зенера». Виконує свою функцію пристрій, працюючи в режимі пробою при напрузі зворотного усунення. Зростання сили струму відбувається в момент пробою, одночасно опускається до мінімуму диференціальне значення, внаслідок чого стабільна напруга і охоплює досить серйозний діапазон зворотних струмів.

Практичне використання випрямного діода

У зв'язку з нестримним розвитком науково-технічного прогресу застосування випрямлячів торкнулося всіх сфер життєдіяльності людини. Діоди силові випрямні експлуатуються в таких вузлах та механізмах:

• у блоках живлення головних двигунів транспортних засобів(наземних, повітряних та водних), промислових верстатів та техніки, бурових установок;
• у комплектації діодного мосту для зварювальних апаратів;
• у випрямлювальних установках для гальванічних ванн, що використовуються для отримання кольорових металів або нанесення захисного покриттяна деталь чи виріб;
• у випрямлювальних установках для очищення води та повітря, фільтрах різного роду;
• для передачі електроенергії на дальні відстаніза допомогою високовольтної лінії електропередач.

У повсякденному житті випрямлячі використовують у різних транзисторних схемах. Застосовують в основному малопотужні пристрої як однополуперіодного випрямляча, так і вигляді діодного моста. Наприклад, діоди випрямного блоку генератора добре відомі автолюбителям.

Напівпровідниковий діод - це напівпровідниковий прилад з одним p-n переходом та з двома електродами. Принцип дії напівпровідникового діода заснований на явище p-nпереходу, 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.

Діод має два висновки (електроду) анод і катод. Анод приєднано до p шару, катод до n шару. Коли анод подається плюс, але в анод мінус (пряме включення діода) діод пропускає струм. Якщо на анод подати мінус, а на катод плюс (зворотне включення діода) струму через діода не буде це видно з вольт амперної характеристикидіод. Тому коли на вхід випрямного діода надходить змінна напруга через нього проходить лише одна напівхвиля.

Вольт-амперна характеристика (ВАХ) діода.

Вольт-амперна характеристика діода показана на рис. I. 2. У першому квадранті показана пряма гілка характеристики, що описує стан високої провідності діода при прикладеному до нього прямому напрузі, яка лінеаризується шматково-лінійною функцією

u = U 0 +R Д i

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

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

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

Широке застосування в галузі електроніки отримали напівпровідникові елементи, одним з яких є діод. Вони використовуються практично у всіх пристроях, але частіше - у різних блоках живлення та для забезпечення електробезпеки. Кожен з них має своє конкретне призначення та технічні характеристики. Для виявлення різноманітних несправностей та отримання технічних відомостей потрібно знати ВАХ діода.

Загальні відомості

Діод (Д) – напівпровідниковий елемент, що служить для пропускання струму через p-n-перехід тільки в одному напрямку. За допомогою Д можна випрямляти змінне U, отримуючи з нього постійний пульсуючий. Для згладжування пульсацій застосовують фільтри конденсаторного або індуктивного типу, а іноді їх комбінують.

Д складається тільки з p-n-переходу з висновками, які називаються анодом (+) та катодом (-). Струм, при проходженні через провідник, надає на нього теплова дія. При нагріванні катод випромінює негативно заряджені частинки - електрони (Е). Анод притягує електрони, оскільки має позитивний заряд. У процесі утворюється емісійне поле, у якому виникає струм (емісійний). Між (+) і (-) відбувається генерація просторового негативного заряду, що заважає вільному руху Е. Е., що досягли анода, утворюють анодний струм, а не досягли - катодний. Якщо анодний і катодний струми дорівнюють нулю, Д знаходиться в закритому стані.

Д складається з корпусу, що виготовляється із міцного діелектричного матеріалу. У корпусі знаходиться вакуумний простір з 2 електродами (анод та катод). Електроди, що представляють метал з активним шаром, мають непряме напруження. Активний шар при нагріванні випромінює електрони. Катод влаштований таким чином, що всередині його знаходиться дріт, що розжарюється і випускає електрони, а анод служить для їхнього прийому.

У деяких джерелах анод і катод називають кристалом, який виготовляється із кремнію (Si) або германію (Ge). Одна з його складових частин має штучну нестачу електронів, а інша - надлишок (рис. 1). Між цими кристалами існує межа, яка називається pn-переходом.

Малюнок 1 - Схематичне зображеннянапівпровідника p-n-типу.

Сфера застосування

Д широко застосовується як випрямляча змінного U у побудові блоків живлення (БП), діодних мостів, а також у вигляді одиночного елемента конкретної схеми. Д здатний захистити ланцюг від недотримання полярності підключення джерела живлення. У ланцюзі може статися пробою будь-якої напівпровідникової деталі (наприклад, транзистора) і спричинити процес виходу з ладу ланцюжка радіоелементів. При цьому застосовується ланцюжок із кількох Д, підключених у зворотному напрямку. На основі напівпровідників створюються перемикачі для комутації високочастотних сигналів.

Д застосовуються у вугільній та металургійній промисловостях, особливо при створенні іскробезпечних ланцюгів комутації у вигляді діодних бар'єрів, що обмежують U необхідною електричного ланцюга. Діодні бар'єри застосовуються разом з обмежувачами струму (резисторами) для зменшення значень І та підвищення ступеня захисту, а отже, електробезпеки та пожежної безпеки підприємства.

Вольт-амперна характеристика

ВАХ - це характеристика напівпровідникового елемента, що показує залежність I, що проходить через p-n-перехід від величини і полярності U (рис. 1).

Рисунок 1 – Приклад вольт-амперної характеристики напівпровідникового діода.

ВАХ відрізняються між собою, і це залежить від типу напівпровідникового приладу. Графіком ВАХ є крива, по вертикалі якої відзначені значення прямого I (вгорі). Внизу зазначено значення I при зворотному підключенні. По горизонталі вказані показання U при прямому та зворотному включенні. Схема складається з 2 частин:

1. Верхня та права - Д функціонує у прямому підключенні. Показує пропускну I і лінія йде вгору, що свідчить про зростання прямого U (Uпр).
2. Нижня частина зліва - Д знаходиться у закритому стані. Лінія йде практично паралельно осі і свідчить про повільне наростання Iобр (зворотного струму).

З графіка можна зробити висновок: чим крутіша вертикальна частина графіка (1 частина), тим ближче нижня лінія до горизонтальної осі. Це свідчить про високі випрямляючі властивості напівпровідникового приладу. Необхідно враховувати, що ВАХ залежить від температури довкілля, при зниженні температури відбувається різке зниження Iобр. Якщо температура підвищується, підвищується і Iобр.

Побудова графіка

Побудувати ВАХ для конкретного типу напівпровідникового приладу нескладно. Для цього необхідні блок живлення, мультиметр (вольтметр та амперметр) та діод (можна побудувати для будь-якого напівпровідникового приладу). Алгоритм побудови ВАХ наступний:

1. Підключити БП до діода.
2. Виконати вимірювання U та I.
3. Внести дані до таблиці.
4. З табличних даних побудувати графік залежності I від U (рис. 2).

Рисунок 2 – Приклад нелінійної ВАХ діода.

ВАХ буде різним для кожного напівпровідника. Наприклад, одним із найпоширеніших напівпровідників є діод Шоттки, названий німецьким фізиком В. Шоттки (рисунок 3).

Малюнок 3 – ВАХ Шоттки.

З графіка, що носить асиметричний характер, видно, що цього типу діода характерно мале падіння U при прямому підключенні. Є експоненційне збільшення I і U. Струм у бар'єрі обумовлений негативно зарядженими частинками при зворотному і прямому зміщеннях. Шоттки мають високу швидкодію, так як дифузні та рекомбінаційні процеси відсутні. I залежить від U завдяки зміні кількості носіїв, що у процесах переносу заряду.

Кремнієвий напівпровідник широко застосовується практично у всіх електричних схемахпристроїв. На малюнку 4 зображено його ВАХ.

Малюнок 4 – ВАХ кремнієвого Д.

На малюнку 4 ВАХ починається з 0,6-0,8 В. Крім кремнієвих Д існують ще германієві, які за нормальної температури нормально працюватимуть. Кремнієвий має менший Iпр і Iобр, тому тепловий незворотний пробій у германієвого Д настає швидше (при подачі високого Uобр), ніж у конкурента.

Випрямлювальний Д застосовується для перетворення змінного U на постійне і на малюнку 5 наведена його ВАХ.

Малюнок 5 - ВАХ випрямного Д.

На малюнку зображено теоретичну (пунктирну криву) і практичну (експериментальну) ВАХ. Вони не збігаються через те, що теорії не враховувалися деякі аспекти:

1. Наявність R (опір) емітерної області кристала, висновків та контактів.
2. Струми витоку.
3. Процеси генерації та рекомбінації.
4. Пробої різних типів.

Крім того, температура навколишнього середовища значно впливає на вимірювання, і ВАХ не збігаються, оскільки теоретичні значення набувають при температурі +20 градусів. Існують та інші важливі характеристикинапівпровідників, які можна зрозуміти з маркування на корпусі.

Існують і додаткові характеристики. Вони потрібні для застосування Д у певній схемі з U та I. Якщо використовувати малопотужний Д у пристроях з U, що перевищує максимально допустиме Uобр, то відбудеться пробій і вихід з ладу елемента, а також це може спричинити ланцюжок виходу інших деталей з ладу.

Додаткові характеристики: максимальні значення Iобр та Uобр; прямі значення I та U; струм навантаження; максимальна температура; робоча температура тощо.

ВАХ допомагає визначити такі складні несправності Д: пробій переходу та розгерметизація корпусу. Складні несправності можуть призвести до виходу з експлуатації дорогих деталей, отже, перед монтажем Д на плату необхідно його перевірити.

Можливі несправності

Згідно зі статистикою, Д або інші напівпровідникові елементи виходять з ладу частіше ніж інші елементи схеми. Несправний елемент можна обчислити та замінити, але іноді це призводить до втрати функціональності. Наприклад, при проби p-n-переходу, Д перетворюється на звичайний резистор, а така трансформація може призвести до сумних наслідків, починаючи від виходу з ладу інших елементів і закінчуючи пожежею або ураженням електричним струмом. До основних несправностей відносяться:

1. Пробій. Діод втрачає здатність пропускати струм в одному напрямку та стає звичайним резистором.
2. Конструктивне ушкодження.
3. Витік.

При проби Д не пропускає струм в одному напрямку. Причин може бути кілька і виникають вони при різких ріст I і U, які є неприпустимими значеннями для певного Д. Основні види пробоїв p-n-переходу:

1. Тепловий.
2. Електричний.

При тепловому фізичному рівні відбувається значне зростання коливання атомів, деформація кристалічної решітки, перегрів переходу і попадання електронів у зону. Процес незворотний і призводить до пошкодження радіодеталі.

Електричні пробої мають тимчасовий характер (кристал не деформується) і при поверненні до нормального режиму роботи його функції напівпровідника повертаються. Конструктивним ушкодженням є фізичні ушкодження ніжок та корпусу. Витік струму виникає при розгерметизації корпусу.

Для перевірки Д достатньо випаяти одну ніжку і продзвонити його мультиметром або омметром на наявність пробою переходу (має дзвонитися тільки в одному напрямку). В результаті з'явиться значення R p-n-переходу в одному напрямку, а в іншому прилад покаже нескінченність. Якщо дзвонитися у 2 напрямки, то радіодеталь несправна.

Якщо відпала ніжка, її треба припаяти. При пошкодженні корпусу деталь необхідно замінити на справну.

При розгерметизації корпусу знадобиться побудова графіка ВАХ та порівняння його з теоретичним значенням, взятим із довідкової літератури.

Таким чином, ВАХ дозволяє не тільки отримати довідкові дані про діод або будь-який напівпровідниковий елемент, але і виявити складні несправності, які неможливо визначити при перевірці приладом.

Напівпровідниковий діодназивають електроперетворювальний напівпровідниковий прилад з одним випрямляючим електричним переходом, що має два висновки. Як випрямляючий електричний переход використовується електронно-дірковий (р-n) перехід (П), що розділяє р- і n-області кристала напівпровідника (рис. 10.2).

До р- та n-області кристала приварюються або припаюють металеві висновки, і вся система полягає в металевий, металокерамічний, скляний або пластмасовий корпус.

За конструктивним виконанням розрізняють точкові та площинні діоди. Широке застосування діоди отримали джерелах вторинного електроживлення (випрямлячах).

Одна з напівпровідникових областей кристала, що має більш високу концентрацію домішок (а отже, і основних носіїв заряду), називається емітером, а друга з меншою концентрацією - базою. Якщо емітером є p-область, для якої основними носіями заряду служать дірки p p , а базою n-область (основні носії заряду - електрони n n), то виконується умова p p n n .

p p - позначення дірок у p-області; тоді позначення дірок у n-області, для якої є неосновними носіями зарядів, буде відповідно p n .

Принцип роботи.За відсутності зовнішньої напруги, прикладеної до висновків діода, в результаті зустрічної дифузії дірок (з р- в n-область) і електронів (з n- в р-область) в об'ємі напівпровідникового кристала, розташованого поблизу межі розділу двох областей з різною провідністю, виявляться некомпенсованими заряди нерухомих іонів домішок (акцепторів для р-області та донорів для n-області), які по обидва боки розділу напівпровідникового кристала створять область об'ємного заряду (рис. 10.2). Для збереження електричної нейтральності напівпровідникової структури кількість дифундованих через р-n-перехід основних носіїв заряду з однієї області повинна дорівнювати кількості основних носіїв заряду, що дифундуються, з іншої області. З урахуванням того, що концентрація електронів n n в базі значно менша від концентрації дірок p p в емітері, область об'ємного заряду з боку бази буде більшою, ніж з боку емітера, як це показано на рис. 10.2. Утворений в результаті зустрічної дифузії об'ємний заряд створює напруженість E зар електричного поля, що перешкоджає подальшій зустрічній дифузії основних носіїв зарядів.

Мал. 10.2. Схема включення напівпровідникового діода та просторовий розподіл об'ємних зарядів р-n-переходу без зовнішньої напруги

Дифузія практично припиняється, коли енергія носіїв заряду недостатня, щоб подолати створений потенційний бар'єр.

Якщо до висновків діода докласти пряму напругу, як показано на рис. 10.2, то створювана ним напруженість Е електричного поля буде протилежна напрямку напруженості E зар об'ємного заряду і в область бази (у міру зростання напруги U) буде вводитися (інжектувати) дедалі більше дірок, які є не основними для n-області бази носіями заряду, які і утворюють прямий струм діода I. Зустрічною інжекцією n n в область емітера можна знехтувати, враховуючи, що p p n n .

Якщо до висновків діода докласти зворотну напругу (-U), то напруженість (-Е) електричного поля, що створюється їм, збігаючись у напрямку з напруженістю E зар об'ємного заряду, підвищує потенційний бар'єр і перешкоджає переходу основних носіїв заряду в сусідню область. Однак сумарна напруженість електричних полів сприяє вилученню (екстракції) неосновних носіїв заряду: n p - з р-в n-область і p n - з n- в р-область, які і утворюють зворотний струм p-n-переходу. Кількість неосновних носіїв заряду значно змінюється за зміни температури, зростаючи з підвищенням. Тому зворотний струм, утворений за рахунок неосновних носіїв, називають тепловим струмом(I 0).

Вольт-амперна характеристика (ВАХ) діодамає вигляд, наведений на рис. 10.3 (суцільна лінія), і описується виразом

(10.1)

де U Д - напруга на р-n-переході;

k – постійна Больцмана; T – абсолютна температура; q – заряд електрона. Вираз (10.1) відповідає ВАХ ідеального р-n-переходу та не відображає деяких властивостей реального діода.

За певного значення напруги U обр починається лавиноподібний процес наростання струму I обр, відповідний електричному пробою р-n-переходу (відрізок АВ на рис. 10.3). Якщо в цей момент струм не обмежити, електричний пробій переходить у тепловий (ділянка ВАХ після точки). Така послідовність лавиноподібного процесу наростання струму I обр характерна кремнієвих діодів. Для германієвих діодів зі збільшенням зворотної напруги теплової пробою р-n-переходу настає практично одночасно з початком лавиноподібного процесу наростання струму I обр. Електричний пробій звернемо, тобто після зменшення напруги U обр робота діода відповідає пологій ділянці зворотної гілки ВАХ. Тепловий пробій необоротний, оскільки руйнує р-n-перехід.

Прямий струм діода також залежить від температури навколишнього середовища, зростаючи з її підвищенням, хоча й значно меншою мірою, ніж зворотний струм. Характер зміни прямої гілки ВАХ при зміні температури показано на рис. 10.3. Для оцінки температурної залежності прямої гілки ВАХ діода служить температурний коефіцієнт напруги (ТКН), K -1 .

Цей коефіцієнт показує відносну зміну прямої напруги за рахунок зміни температури на 1 К при певному значенні прямого струму.

Мал. 10.3. Вольт-амперні характеристики напівпровідникового діода

Опір та ємності діода.Напівпровідниковий діод характеризується статичним та диференціальним (динамічним) опорами, що легко визначаються за ВАХ. Диференціальний опір чисельно дорівнює відношенню нескінченно малого збільшення напруги до відповідного збільшення струму в заданому режимі роботи діода і може бути визначено графічно як тангенс кута нахилу дотичної в аналізованій робочій точці Е до осі абсцис (див. рис. 10.3):

(10.2)

де ∆U та ∆I- кінцеві збільшення напруги і струму поблизу робочої точки Е; mI і mU - масштаби осей струму та напруги.

Часто становлять інтерес не збільшення напруги і струму в околиці деякої заданої точки, а самі напруга і струм в даному елементі. При цьому абсолютно байдуже, якою є характеристика діода поблизу обраної робочої точки. У цьому випадку зручно користуватися статичним опором, який дорівнює відношенню напруги на елементі U E до струму I E, що протікає через нього (рис. 10.3). Як видно з малюнка, цей опір дорівнює тангенсу кута нахилу прямої, проведеної з початку координат через задану робочу точку ВАХ до осі абсцис:

Залежно від того, на якій ділянці ВАХ розташована задана робоча точка, значення R ст, може бути менше або більше значення R диф або дорівнює йому. Проте R ст завжди позитивно, тоді як R диф може бути негативним. У елементів, що мають лінійні ВАХ, статичний та диференціальний опір рівні.

Працюючи на високих частотах й у імпульсних режимах починає грати роль ємність діода З Д, що вимірюється між висновками діода при заданих значеннях напруги і частоти. Ця ємність включає дифузійну ємність З диф, зарядну (бар'єрну) ємність З зар і ємність З корпусу діода:

Дифузійна ємність виникає при прямій напрузі діода в приконтактному шарі р-n-переходу за рахунок зміни кількості діффундованих дірок і електронів при зміні прямої напруги. Зарядна ємність виникає при зворотній напрузі та обумовлена ​​зміною об'ємного заряду.

Значення ємності З Д визначається режимом роботи діода. При прямій напрузі

при зворотній напрузі

Класифікація діодівпредставлена ​​у табл. 10.1.

Таблиця 10.1 Класифікація діодів

Розглянемо деякі з них, які найбільш широко застосовуються в практиці.

Випрямний діод, Умовне графічне позначення якого наведено на рис. 10.4, 1, використовує вентильні властивості р-n-переходу та застосовується у випрямлячах змінного струму. Як вихідний матеріал при виготовленні випрямних діодів використовують германій і кремній.

Випрямний діод є електронним ключем, керованим прикладеним до нього напругою. При прямій напрузі ключ замкнутий, при зворотній - розімкнутий. Однак в обох випадках цей ключ не ідеальний. При подачі прямої напруги U пр ключ має невеликий диференціальний опір. Тому за рахунок падіння напруги U пр на відкритому діоді випрямлена напруга, що знімається з навантажувального пристрою, трохи нижче вхідної напруги (U пр не перевищує у германевих діодів 0,5 В, а у кремнієвих 1,5 В; часто за величину U пр для кремнієвих діодів приймається напруга 0,7).

Основними параметрами випрямних діодів є:

Iпр ср max – максимальне (за період вхідної напруги) значення середнього прямого струму діода;

U обр.доп - допустиме найбільше значення постійної зворотної напруги діода;

f max – максимально допустима частота вхідної напруги;

U пр - значення прямого падіння напруги на діоді при заданому прямому струмі.

Випрямні діоди класифують також за потужністю та частотою.

По потужності: малопотужні I пр ср max<0,3 A; средней мощности 0,3 A10 A.

По частоті: низькочастотні f max<1000 Гц; высокочастотные f max >1000 Гц.

Як випрямлячі застосовуються також діоди, виконані на випрямляючому переході метал-напівпровідник (діоди Шотки). Їх відрізняє менше, ніж у діодів з р-n-переходом, напруга U пр і більш високі частотні характеристики.

Імпульсний діод- напівпровідниковий діод, що має малу тривалість перехідних процесів і використовує, так само як і випрямний діод, при своїй роботі пряму та зворотну гілки ВАХ.

Тривалість перехідних продрес в діоді (рис. 10.4) обумовлена ​​тим, що зміна напрямку і значення струму через нього при зміні напруги, що підводиться до нього, не може відбуватися миттєво у зв'язку з перезарядом ємності випрямляючого переходу і інерційними процесами розсмоктування інжектованих в базу неосновних. Останнє явище визначає швидкодію діодів і характеризується спеціальним параметром - часом відновлення t від його зворотного опору. Час відновлення дорівнює інтервалу часу між моментом перемикання напруги на діоді з прямого на зворотне і моментом, коли зворотний струм, який в момент перемикання напруги дорівнює прямому струму, досягне свого мінімального значення.

Мал. 10.4. Перехідні процеси у напівпровідниковому діоді

Тому крім параметрів I пр ср max U обр U пр характеризують випрямні властивості, для імпульсних діодів вводиться параметр t ос, що характеризує швидкодію.

Для підвищення швидкодії (зменшення t вос) імпульсні діоди виготовляють у вигляді точкових структур, що забезпечує мінімальну площу р-n-переходу, а отже, і мінімальне значення зарядної ємності C зар. Одночасно товщину бази роблять мінімально можливою задля досягнення мінімального часу відновлення діодів.

Як імпульсні знаходять застосування і діоди Шотки.

Надвисокочастотний діод(НВЧ-діод) - напівпровідниковий діод, призначений для перетворення та обробки високочастотного сигналу (до десятків та сотень ГГц). Надвисокочастотні діоди широко застосовуються при генерації та посиленні електромагнітних коливань НВЧ-діапазону, множенні частоти, модуляції, регулюванні та обмеженні сигналів і т. д. Типовими представниками даної групи діодів є змішувальні (отримання сигналу суми або різниці двох частот), детекторні НВЧ-сигналу) та перемикальні (управління рівнем потужності надвисокочастотного сигналу) діоди. Умовне графічне позначення імпульсних та НВЧ-діодів аналогічне позначення випрямних діодів (рис. 10.0, 1).

Стабілітрон та стабісторзастосовуються у нелінійних ланцюгах постійного струму для стабілізації напруги. Відмінність стабілітрона від стабістора полягає у використовуваній гілки ВАХ для стабілізації напруги. Як видно із рис. 10.3 ВАХ діода має ділянки АВ і CD, на яких значній зміні струму відповідає незначна зміна напруги при порівняно лінійній їх залежності. Для стабілізації високої напруги (>3) використовують зворотну гілка (ділянка АВ) ВАХ. Діоди, що застосовуються для цієї мети, називають стабілітронами. Для стабілізації невеликих значень напруг (< 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.

Стабілітрони та стабистори виготовляють, як правило, із кремнію. При використанні високолегованого кремнію (висока концентрація домішок, а отже і вільних носіїв заряду) напруга стабілізації знижується, а зі зменшенням ступеня легування кремнію - підвищується. Відповідно розрізняють низько- та високовольтні стабілітрони з напругою стабілізації від 3 до 400 В.

До основних параметрів стабілітрона відносяться:

U ст - напруга стабілізації при заданому струмі;

R диф - диференціальний опір при заданому струмі;

I ст min – мінімально допустимий струм стабілізації;

I ст max – максимально допустимий струм стабілізації;

P max - максимально допустима потужність, що розсіюється;

де ∆U ст – відхилення напруги U ст від номінального значення при зміні температури в інтервалі ∆T.

У схемах двополярної стабілізації напруги застосовується симетричний стабілітрон, умовне графічне позначення якого показано на рис. 10.0, 3.

Варікап- напівпровідниковий діод, дія якого ґрунтується на використанні залежності зарядної ємності C зар від значення прикладеної напруги. Це дозволяє застосовувати варикап як елемент з електрично керованою ємністю.

Основною характеристикою варикапа служить вольт-фарадна характеристика (рис. 10.5) - залежність ємності варикапа C, що складається з зарядної ємності і ємності корпусу приладу, від значення прикладеної зворотної напруги. У варикапах, що випускаються промисловістю, значення ємності C В може змінюватися від одиниць до сотень пікофарад.

Мал. 10.5. Вольт-фарадна характеристика варикапу

Основними параметрами варикапу є:

C - ємність, виміряна між висновками варикапа при заданому зворотному напрузі;

K С - коефіцієнт перекриття по ємності, що використовується для оцінки залежності C = f (U обр) і рівний відношенню ємностей варикапа при двох заданих значеннях зворотної напруги (K C = 2 ... 20).

Залежність параметрів варикапа від температури характеризується температурним коефіцієнтом ємності

де ∆C В /C - відносна зміна ємності варикапа при зміні температури ∆T навколишнього середовища.

Умовне графічне позначення варикапу наведено на 10.0, 4.

Випромінюючий діод- Напівпровідниковий діод, що випромінює з області р-n-переходу кванти енергії. Випромінювання випромінюється через прозору скляну пластину, розміщену в корпусі діода.

За характеристикою випромінювання випромінюючі діоди поділяються на дві групи: діоди з випромінюванням у видимій області спектра, що отримали назву світлодіоди; діоди з випромінюванням в інфрачервоній області спектра, що отримали, своєю чергою, назву ІЧ-діоди. Принцип дії обох груп діодів однаковий і базується на мимовільній рекомбінації носіїв заряду при прямому струмі через електричний перехід, що випрямляє. З курсу фізики відомо, що рекомбінація носіїв заряду супроводжується визволенням кванта енергії. Спектр частот останньої визначається типом вихідного напівпровідникового матеріалу.

Основними матеріалами для виготовлення світлодіодів є фосфід галію, арсенід-фосфід галію, карбід кремнію. Більшу частину енергії, що виділяється у цих матеріалах при рекомбінації носіїв заряду, становить теплова енергія. Перед енергії видимого випромінювання у разі доводиться 10...20%. Тому ккд світлодіодів невеликий.

Вихідними матеріалами виготовлення ІЧ-діодів є арсенід і фосфід галію. Повна потужність випромінювання цієї групи діодів лежить у межах від одиниць до сотень міліватів при напрузі на діоді 1,2...3 і прямому струмі від десятків до сотень міліампер.

Умовне графічне позначення випромінюючих діодів показано на рис. 10.0, 5.

Світлодіоди застосовують як світлові індикатори, а ІЧ-діоди - як джерела випромінювання в оптоелектронних пристроях.

Що таке ідеальний діод?

Основне завдання звичайного випрямляючого діода - проводити електричний струм в одному напрямку, та не пропускати його у зворотному. Отже, ідеальний діод повинен бути дуже хорошим провідником з нульовим опором при прямому підключенні напруги (плюс до анода, мінус до катода), і абсолютним ізолятором з нескінченним опором при зворотному.

Ось так це виглядає на графіку:

Така модель діода використовується у випадках, коли важливою є лише логічна функція приладу. Наприклад, у цифровій електроніці.

ВАХ реального напівпровідникового діода

Однак на практиці, в силу своєї напівпровідникової структури, справжній діод має низку недоліків та обмежень у порівнянні з ідеальним діодом. Це можна побачити на графіку, наведеному нижче.

V ϒ (гама) - напруга порога провідності

При прямому включенні напруга на діоді повинна досягти певного порогового значення V ϒ . Ця напруга, при якій PN-перехід у напівпровіднику відкривається достатньо, щоб діод почав добре проводити струм. Перш ніж напруга між анодом і катодом досягне цього значення, діод є дуже поганим провідником. V у кремнієвих приладів приблизно 0.7V, у германієвих - близько 0.3V.

I D_MAX - максимальний струм через діод при прямому включенні

При прямому включенні напівпровідниковий діод здатний витримати обмежену силу струму I D_MAX. Коли струм через прилад перевищує цю межу, діод перегрівається. В результаті руйнується кристалічна структура напівпровідника і прилад стає непридатним. Величина цієї сили струму сильно коливається залежно від різних типів діодів та їх виробників.

I OP – зворотний струм витоку

При зворотному включенні діод не є абсолютним ізолятором і має кінцевий опір, хоч дуже високий. Це спричиняє утворення струму витоку або зворотного струму I OP . Струм витоку у германієвих приладів досягає до 200 µА, у кремнієвих до декількох десятків nА. Останні високоякісні кремнієві діоди з гранично низьким зворотним струмом мають цей показник близько 0.5 nA.

PIV (Peak Inverse Voltage) - Напруга пробою

При зворотному включенні діод здатний витримувати обмежену напругу – напругу пробою PIV. Якщо зовнішня різниця потенціалів перевищує це значення, діод різко знижує свій опір і перетворюється на провідник. Такий ефект небажаний, тому що діод має бути хорошим провідником лише при прямому включенні. Величина напруги пробою коливається залежно від різних типів діодів та їх виробників.

Найчастіше, для розрахунків в електронних схемах, не використовують точну модель діода з його характеристиками. Нелінійність цієї функції надто ускладнює завдання. Вважають за краще використовувати так звані наближені моделі.

Наближена модель діода «ідеальний діод + V?»

Найпростішою і найчастіше використовуваною є наближена модель першого рівня. Вона складається з ідеального діода і доданого до нього напруги порога провідності V ϒ .

Наближена модель діода «ідеальний діод + V ϒ + r D»

Іноді використовують більш складну і точну наближену модель другого рівня. У цьому випадку додають до моделі першого рівня внутрішній опір діода, перетворивши його функцію з експоненти на лінійну.

Для контролю напряму електричного струму необхідно застосовувати різні радіо та електро деталі. Зокрема, сучасна електроніка використовує з цією метою напівпровідниковий діод, його застосування забезпечує рівний струм.

Пристрій

Напівпровідниковий електричний діод або діодний вентиль – це пристрій, який виконаний із напівпровідникових матеріалів (як правило, з кремнію) та працює тільки з одностороннім потоком заряджених частинок. Основним компонентом є кристалічна частина, з p-n переходом, яка підключена до двох електричних контактів. Трубки вакуумного діода мають два електроди: пластину (анод) та нагрітий катод.

Фото – напівпровідниковий діод

Для створення напівпровідникових діодів використовуються германій та селен, як і понад 100 років тому. Їх структура дозволяє використовувати деталі для покращення електронних схем, перетворення змінного та постійного струму в односпрямований пульсуючий та для вдосконалення різних пристроїв. На схемі він виглядає так:

Фото – позначення діода

Існують різні видинапівпровідникових діодів, їх класифікація залежить від матеріалу, принципу роботи та сфери використання: стабілітрони, імпульсні, сплавні, точкові, варикапи, лазер та інші типи. Досить часто використовуються аналоги мостів – це площинний та полікристалічний випрямлячі. Їхнє повідомлення також проводиться за допомогою двох контактів.

Основні переваги напівпровідникового діода:

1. Повна взаємозамінність;
2. Відмінні пропускні параметри;
3. Доступність. Їх можна купити в будь-якому магазині електротоварів або зняти безкоштовно зі старих схем. Ціна починається від 50 рублів. У наших магазинах представлені як вітчизняні марки (КД102, КД103 тощо), так і зарубіжні.

Маркування

Маркування напівпровідникового діода є абревіатурою від основних параметрів пристрою. Наприклад, КД196В - кремнієвий діод з напругою пробою до 0,3 В, напругою 9,6 модель третьої розробки.

Виходячи з цього:

1. Перша літера визначає матеріал, з якого виготовлено прилад;
2. Найменування пристрою;
3. Цифра, що визначає призначення;
4. Напруга приладу;
5. Кількість, яка визначає інші параметри (залежить від типу деталі).

Відео: застосування діодів

Принцип роботи

Напівпровідникові чи випрямляючі діоди мають досить простий принцип роботи. Як ми вже говорили, діод виготовлений із кремнію таким чином, що один його кінець p-типу, а інший кінець типу n. Це означає, що обидва контакти мають різні характеристики. В одному спостерігається надлишок електронів, тоді як інший має надлишок отворів. Звичайно, в пристрої є ділянка, в якій всі електрони заповнюють певні прогалини. Це означає, що зовнішні заряди відсутні. У зв'язку з тим, що ця область збіднюється носіями заряду і відома як ділянку, що об'єднує.

Фото – принцип роботи

Незважаючи на те, що об'єднуюча ділянка дуже мала (часто її розмір становить кілька тисячних часток міліметра), струм не може протікати в ньому в звичайному режимі. Якщо напруга подається так, що площа типу p стає позитивною, а тип n відповідно негативною, отвори переходять до негативного полюса і допомагають електронам перейти через об'єднуючу ділянку. Так само електрони рухаються до позитивного контакту і обходять об'єднавчий. Незважаючи на те, що всі частинки рухаються з різним зарядом у різному напрямку, в результаті вони утворюють односпрямований струм, що допомагає випрямити сигнал і запобігти стрибкам напруги на контактах діода.

Якщо напруга прикладається до напівпровідникового діода у протилежному напрямку, струм не проходитиме ним. Причина у тому, що отвори залучаються негативним потенціалом, що у області р-типа. Аналогічно електрони притягуються до позитивного потенціалу, який застосовується до n-типу області. Це змушує об'єднуючу ділянку збільшуватися у розмірі, через що потік спрямованих частинок стає неможливим.

Фото – характеристики напівпровідників

ВАХ-характеристики

Вольт амперна характеристика напівпровідникового діода залежить від матеріалу, з якого він виготовлений та деяких параметрів. Наприклад, ідеальний напівпровідниковий випрямляч або діод має такі параметри:

1. Опір під час прямого підключення – 0 Ом;
2. Тепловий потенціал - VG = +-0,1 В.;
3. На прямій ділянці RD > rD, тобто прямий опір більше, ніж диференціальний.

Якщо всі параметри відповідають, то виходить такий графік:

Фото – ВАХ ідеального діода

Такий діод використовує цифрова електротехніка, лазерна промисловість, а також його використовують при розробці медичного обладнання. Він необхідний за високих вимог до логічних функцій. Приклади – лазерний діод, фотодіод.

Насправді, ці параметри дуже відрізняються від реальних. Багато приладів просто не здатні працювати з такою високою точністю або такі вимоги не потрібні. Еквівалентна схема характеристики реального напівпровідника демонструє, що має серйозні недоліки:

Фото – ВАХ у реальному напівпровідниковому діоді

Дана ВАХ напівпровідникового діода говорить про те, що під час прямого включення контакти повинні досягти максимальної напруги. Тоді напівпровідник відкриється для пропуску заряджених електронних частинок. Ці властивості також демонструють, що струм протікатиме нормально і без перебоїв. Але до досягнення відповідності всіх параметрів, діод не проводить струм. При цьому у кремнієвого випрямляча вольтаж варіюється в межах 0,7, а у германієвого – 0,3 Вольт.

Робота приладу залежить від рівня максимального прямого струму, який може пройти через діод. На схемі визначається ID_MAX. Прилад так влаштований, що під час включення прямим шляхом, він може витримати тільки електричний струм обмеженої сили. В іншому випадку, випрямляч перегріється і перегорить, як звичайнісінький світлодіод. Для контролю температури використовують різні види пристроїв. Природно, деякі з них впливають на провідність, проте продовжують працездатність діода.

Ще одним недоліком є ​​те, що при пропуску змінного струму, діод не є ідеальним ізолюючим пристроєм. Він працює лише в одному напрямку, але завжди потрібно враховувати струм витоку. Його формула залежить від інших параметрів використовуваного діода. Найчастіше схеми його позначають як I OP . Дослідження незалежних експертів встановило, що германієві пропускають до 200 µА, а кремнієві до 30 µА. При цьому багато імпортних моделей обмежуються витоком 0.5 µА.

Фото – вітчизняні діоди

Усі різновиди діодів піддаються напрузі пробою. Це властивість мережі, що характеризується обмеженою напругою. Будь-який стабілізуючий прилад повинен його витримувати (стабілітрон, транзистор, тиристор, діодний міст та конденсатор). Коли зовнішня різниця потенціалів контактів випрямного напівпровідникового діода значно вища за обмежену напругу, то діод стає провідником, в одну секунду знижуючи опір до мінімуму. Призначення пристрою не дозволяє йому робити такі різкі стрибки, інакше це спотворити ВАХ.