2 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Принцип работы диода

Принцип работы диода. Вольт-амперная характеристика. Пробои p-n перехода.

05 Июн 2013г | Раздел: Радио для дома

Здравствуйте уважаемые читатели сайта sesaga.ru. В первой части статьи мы с Вами разобрались, что такое полупроводник и как возникает в нем ток. Сегодня мы продолжим начатую тему и поговорим о принципе работы полупроводниковых диодов.

Диод – это полупроводниковый прибор с одним p-n переходом, имеющий два вывода (анод и катод), и предназначенный для выпрямления, детектирования, стабилизации, модуляции, ограничения и преобразования электрических сигналов.

По своему функциональному назначению диоды подразделяются на выпрямительные, универсальные, импульсные, СВЧ-диоды, стабилитроны, варикапы, переключающие, туннельные диоды и т.д.

Теоретически мы знаем, что диод в одну сторону пропускает ток, а в другую нет. Но как, и каким образом он это делает, знают и понимают не многие.

Схематично диод можно представить в виде кристалла состоящего из двух полупроводников (областей). Одна область кристалла обладает проводимостью p-типа, а другая — проводимостью n-типа.

На рисунке дырки, преобладающие в области p-типа, условно изображены красными кружками, а электроны, преобладающие в области n-типа — синими. Эти две области являются электродами диода анодом и катодом:

Анод – положительный электрод диода, в котором основными носителями заряда являются дырки.

Катод – отрицательный электрод диода, в котором основными носителями заряда являются электроны.

На внешние поверхности областей нанесены контактные металлические слои, к которым припаяны проволочные выводы электродов диода. Такой прибор может находиться только в одном из двух состояний:

1. Открытое – когда он хорошо проводит ток;
2. Закрытое – когда он плохо проводит ток.

Прямое включение диода. Прямой ток.

Если к электродам диода подключить источник постоянного напряжения: на вывод анода «плюс» а на вывод катода «минус», то диод окажется в открытом состоянии и через него потечет ток, величина которого будет зависеть от приложенного напряжения и свойств диода.

При такой полярности подключения электроны из области n-типа устремятся навстречу дыркам в область p-типа, а дырки из области p-типа двинутся навстречу электронам в область n-типа. На границе раздела областей, называемой электронно-дырочным или p-n переходом, они встретятся, где происходит их взаимное поглощение или рекомбинация.

Например. Oсновные носители заряда в области n-типа электроны, преодолевая p-n переход попадают в дырочную область p-типа, в которой они становятся неосновными. Ставшие неосновными, электроны будут поглощаться основными носителями в дырочной области – дырками. Таким же образом дырки, попадая в электронную область n-типа становятся неосновными носителями заряда в этой области, и будут также поглощаться основными носителями – электронами.

Контакт диода, соединенный с отрицательным полюсом источника постоянного напряжения будет отдавать области n-типа практически неограниченное количество электронов, пополняя убывание электронов в этой области. А контакт, соединенный с положительным полюсом источника напряжения, способен принять из области p-типа такое же количество электронов, благодаря чему восстанавливается концентрация дырок в области p-типа. Таким образом, проводимость p-n перехода станет большой и сопротивление току будет мало, а значит, через диод будет течь ток, называемый прямым током диода Iпр.

Временные диаграммы тока и напряжения диода при его переключении.

Обратимся к схеме на рис. 1.31. Предполагается, что вначале ключ К подключает источник напряжения u1, а затем, в момент времени t = 0, источник напряжения u2.

Предполагается также, что напряжения u1 и u2 значительно больше прямого падения напряжения на диоде. Изобразим соответствующие временные диаграммы (рис. 1.32).

Читать еще:  ТОП 8 Сервисов Как Скачать Сайт Целиком На Компьютер

До момента времени t = 0 протекает ток i1, который с учетом принятого условия u1>>u определяется выражением i1=u1/R/ Сразу после переключения ключа К и в течение так называемого времени рассасывания tрас протекает ток i2, который ограничивается практически только сопротивлением R, т. е. i2= — (u1/R). В этот отрезок времени в базе диода уменьшается (рассасывается) заряд накопленных при протекании тока неравновесных носителей. Заряд уменьшается в результате рекомбинации и перехода неосновных носителей в эмиттер.

По истечении времени tpac концентрация неосновных носителей в базе на границе p-n-перехода становится равной равновесной. В глубине же базы неравновесный заряд еще существует. Длительность времени рассасывания прямо пропорциональна среднему времени жизни неосновных носителей в базе и зависит от соотношения токов i1 и i2 (чем больше по модулю ток i2, тем меньше, при заданном токе i1, время рассасывания).

В момент времени t1 напряжение на диоде начинает быстро возрастать по модулю, а ток i уменьшаться по модулю (спадать). Соответствующий отрезок времени tcп называют временем спада. Время спада отсчитывают до того момента t2 которому соответствует достаточно малое (по модулю) значение тока i3.

Время спада зависит от времени жизни носителей, а также от барьерной емкости диода и от сопротивления R схемы.

Чем больше указанные емкость и сопротивление R, тем медленнее спадает ток.

Отрезок времени tвос = tpac + tcп называется временем восстановления (временем обратного восстановления).

После завершения переходного процесса (момент времени t3) через диод течет ток iобр ycm — обратный ток в установившемся режиме (определяемый по статической вольт-амперной характеристике диода).

Для упомянутого выше диода 2Д212А типовое время восстановления — 150 нc (150 · 10

9 с) при i1 = 2 А (импульсный ток) и i2 = 0,2 А.

Параметры диодов.

Для того, чтобы количественно охарактеризовать диоды, используют большое количество (измеряемое десятками) различных параметров. Некоторые параметры характеризуют диоды самых различных подклассов.

Другие же характеризуют специфические свойства диодов только конкретных подклассов.

Укажем наиболее широко используемые параметры, применяемые к диодам различных подклассов:

Iпр макс — максимально допустимый постоянный прямой ток;

Uпp — постоянное прямое напряжение, соответствующее заданному току;

Uобр макс — максимально допустимое обратное напряжение диода (положительная величина);

Iобр макс — максимально допустимый постоянный обратный ток диода (положительная величина; если реальный ток больше, чем Iобр макс , то диод считается непригодным к использованию);

Rдиф — дифференциальное сопротивление диода (при заданном режиме работы).

В настоящее время существуют диоды, предназначенные для работы в очень широком диапазоне токов и напряжений. Для наиболее мощных диодов Iпр макс составляет килоамперы, a Uобр макс — киловольты.

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода.

Зависимость тока, проходящего через p-n переход, от величины и полярности приложенного к нему напряжения изображают в виде кривой, называемой вольт-амперной характеристикой диода.

На графике ниже изображена такая кривая. По вертикальной оси в верхней части обозначены значения прямого тока (Iпр), а в нижней части — обратного тока (Iобр).
По горизонтальной оси в правой части обозначены значения прямого напряжения Uпр, а в левой части – обратного напряжения (Uобр).

Вольт-амперная характеристика состоит как бы из двух ветвей: прямая ветвь, в правой верхней части, соответствует прямому (пропускному) току через диод, и обратная ветвь, в левой нижней части, соответствующая обратному (закрытому) току через диод.

Прямая ветвь идет круто вверх, прижимаясь к вертикальной оси, и характеризует быстрый рост прямого тока через диод с увеличением прямого напряжения.
Обратная ветвь идет почти параллельно горизонтальной оси и характеризует медленный рост обратного тока. Чем круче к вертикальной оси прямая ветвь и чем ближе к горизонтальной обратная ветвь, тем лучше выпрямительные свойства диода. Наличие небольшого обратного тока является недостатком диодов. Из кривой вольт-амперной характеристики видно, что прямой ток диода (Iпр) в сотни раз больше обратного тока (Iобр).

Читать еще:  Не работает выделение левой кнопкой мыши. Способы выделения текста клавиатурой и мышкой. Выделение отдельного слова

При увеличении прямого напряжения через p-n переход ток вначале возрастает медленно, а затем начинается участок быстрого нарастания тока. Это объясняется тем, что германиевый диод открывается и начинает проводить ток при прямом напряжении 0,1 – 0,2В, а кремниевый при 0,5 – 0,6В.

Например. При прямом напряжении Uпр = 0,5В прямой ток Iпр равен 50mA (точка «а» на графике), а уже при напряжении Uпр = 1В ток возрастает до 150mA (точка «б» на графике).

Но такое увеличение тока приводит к нагреванию молекулы полупроводника. И если количество выделяемого тепла будет больше отводимого от кристалла естественным путем, либо с помощью специальных устройств охлаждения (радиаторы), то в молекуле проводника могут произойти необратимые изменения вплоть до разрушения кристаллической решетки. Поэтому прямой ток p-n перехода ограничивают на уровне, исключающем перегрев полупроводниковой структуры. Для этого используют ограничительный резистор, включенный последовательно с диодом.

У полупроводниковых диодов величина прямого напряжения Uпр при всех значениях рабочих токов не превышает:
для германиевых — 1В;
для кремниевых — 1,5В.

При увеличении обратного напряжения (Uобр), приложенного к p-n переходу, ток увеличивается незначительно, о чем говорит обратная ветвь вольтамперной характеристики.
Например. Возьмем диод с параметрами: Uобр max = 100В, Iобр max = 0,5 mA, где:

Uобр max – максимальное постоянное обратное напряжение, В;
Iобр max – максимальный обратный ток, мкА.

При постепенном увеличении обратного напряжения до значения 100В видно, как незначительно растет обратный ток (точка «в» на графике). Но при дальнейшем увеличении напряжения, свыше максимального, на которое рассчитан p-n переход диода, происходит резкое увеличение обратного тока (пунктирная линия), нагрев кристалла полупроводника и, как следствие, наступает пробой p-n перехода.

Временные диаграммы тока и напряжения диода при его переключении.

Обратимся к схеме на рис. 1.31. Предполагается, что вначале ключ К подключает источник напряжения u1, а затем, в момент времени t = 0, источник напряжения u2.

Предполагается также, что напряжения u1 и u2 значительно больше прямого падения напряжения на диоде. Изобразим соответствующие временные диаграммы (рис. 1.32).

До момента времени t = 0 протекает ток i1, который с учетом принятого условия u1>>u определяется выражением i1=u1/R/ Сразу после переключения ключа К и в течение так называемого времени рассасывания tрас протекает ток i2, который ограничивается практически только сопротивлением R, т. е. i2= — (u1/R). В этот отрезок времени в базе диода уменьшается (рассасывается) заряд накопленных при протекании тока неравновесных носителей. Заряд уменьшается в результате рекомбинации и перехода неосновных носителей в эмиттер.

По истечении времени tpac концентрация неосновных носителей в базе на границе p-n-перехода становится равной равновесной. В глубине же базы неравновесный заряд еще существует. Длительность времени рассасывания прямо пропорциональна среднему времени жизни неосновных носителей в базе и зависит от соотношения токов i1 и i2 (чем больше по модулю ток i2, тем меньше, при заданном токе i1, время рассасывания).

В момент времени t1 напряжение на диоде начинает быстро возрастать по модулю, а ток i уменьшаться по модулю (спадать). Соответствующий отрезок времени tcп называют временем спада. Время спада отсчитывают до того момента t2 которому соответствует достаточно малое (по модулю) значение тока i3.

Время спада зависит от времени жизни носителей, а также от барьерной емкости диода и от сопротивления R схемы.

Чем больше указанные емкость и сопротивление R, тем медленнее спадает ток.

Отрезок времени tвос = tpac + tcп называется временем восстановления (временем обратного восстановления).

После завершения переходного процесса (момент времени t3) через диод течет ток iобр ycm — обратный ток в установившемся режиме (определяемый по статической вольт-амперной характеристике диода).

Для упомянутого выше диода 2Д212А типовое время восстановления — 150 нc (150 · 10

9 с) при i1 = 2 А (импульсный ток) и i2 = 0,2 А.

Читать еще:  Для чего нужен коммутатор в локальной сети. Разница между хабом и свитчем

Тепловой пробой.

Тепловой пробой возникает в результате перегрева p-n перехода в момент протекания через него тока большого значения и при недостаточном теплоотводе, не обеспечивающем устойчивость теплового режима перехода.

При увеличении приложенного к p-n переходу обратного напряжения (Uобр) рассеиваемая мощность на переходе растет. Это приводит к увеличению температуры перехода и соседних с ним областей полупроводника, усиливаются колебания атомов кристалла, и ослабевает связь валентных электронов с ними. Возникает вероятность перехода электронов в зону проводимости и образования дополнительных пар электрон — дырка. При плохих условиях теплоотдачи от p-n перехода происходит лавинообразное нарастание температуры, что приводит к разрушению перехода.

На этом давайте закончим, а в следующей части рассмотрим устройство и работу выпрямительных диодов, диодного моста.
Удачи!

1. Борисов В.Г — Юный радиолюбитель. 1985г.
2. Горюнов Н.Н. Носов Ю.Р — Полупроводниковые диоды. Параметры, методы измерений. 1968г.

Временные диаграммы тока и напряжения диода при его переключении.

Обратимся к схеме на рис. 1.31. Предполагается, что вначале ключ К подключает источник напряжения u1, а затем, в момент времени t = 0, источник напряжения u2.

Предполагается также, что напряжения u1 и u2 значительно больше прямого падения напряжения на диоде. Изобразим соответствующие временные диаграммы (рис. 1.32).

До момента времени t = 0 протекает ток i1, который с учетом принятого условия u1>>u определяется выражением i1=u1/R/ Сразу после переключения ключа К и в течение так называемого времени рассасывания tрас протекает ток i2, который ограничивается практически только сопротивлением R, т. е. i2= — (u1/R). В этот отрезок времени в базе диода уменьшается (рассасывается) заряд накопленных при протекании тока неравновесных носителей. Заряд уменьшается в результате рекомбинации и перехода неосновных носителей в эмиттер.

По истечении времени tpac концентрация неосновных носителей в базе на границе p-n-перехода становится равной равновесной. В глубине же базы неравновесный заряд еще существует. Длительность времени рассасывания прямо пропорциональна среднему времени жизни неосновных носителей в базе и зависит от соотношения токов i1 и i2 (чем больше по модулю ток i2, тем меньше, при заданном токе i1, время рассасывания).

В момент времени t1 напряжение на диоде начинает быстро возрастать по модулю, а ток i уменьшаться по модулю (спадать). Соответствующий отрезок времени tcп называют временем спада. Время спада отсчитывают до того момента t2 которому соответствует достаточно малое (по модулю) значение тока i3.

Время спада зависит от времени жизни носителей, а также от барьерной емкости диода и от сопротивления R схемы.

Чем больше указанные емкость и сопротивление R, тем медленнее спадает ток.

Отрезок времени tвос = tpac + tcп называется временем восстановления (временем обратного восстановления).

После завершения переходного процесса (момент времени t3) через диод течет ток iобр ycm — обратный ток в установившемся режиме (определяемый по статической вольт-амперной характеристике диода).

Для упомянутого выше диода 2Д212А типовое время восстановления — 150 нc (150 · 10

9 с) при i1 = 2 А (импульсный ток) и i2 = 0,2 А.

Тепловой пробой.

Тепловой пробой возникает в результате перегрева p-n перехода в момент протекания через него тока большого значения и при недостаточном теплоотводе, не обеспечивающем устойчивость теплового режима перехода.

При увеличении приложенного к p-n переходу обратного напряжения (Uобр) рассеиваемая мощность на переходе растет. Это приводит к увеличению температуры перехода и соседних с ним областей полупроводника, усиливаются колебания атомов кристалла, и ослабевает связь валентных электронов с ними. Возникает вероятность перехода электронов в зону проводимости и образования дополнительных пар электрон — дырка. При плохих условиях теплоотдачи от p-n перехода происходит лавинообразное нарастание температуры, что приводит к разрушению перехода.

На этом давайте закончим, а в следующей части рассмотрим устройство и работу выпрямительных диодов, диодного моста.
Удачи!

1. Борисов В.Г — Юный радиолюбитель. 1985г.
2. Горюнов Н.Н. Носов Ю.Р — Полупроводниковые диоды. Параметры, методы измерений. 1968г.

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:

Adblock
detector