Какие физические явления определяют выпрямительные свойства диода. Полупроводниковые диоды

Выпрямительные ПП диоды. Особенности конструкции. ВАХ. Основные параметры.

Уравнения коллекторных токов для схем включения ОБ и ОЭ.

Коэффициенты передачи тока, их соотношения.

1. Выпрямительные ПП диоды.

Выпрямительный диод предназначен для преобразования переменного напряжения в постоянное. Идеальный выпрямитель должен при одной полярности ток пропускать, при другой полярности не пропускать. Свойства полупроводникового диода близки к свойствам идеального выпрямителя, поскольку его сопротивление в прямом направлении на несколько порядков отличается от сопротивления в обратном. К основным недостаткам полупроводникового диода следует отнести: при прямом смещении -наличие области малых токов на начальном участке и конечного сопротивления rs ; при обратном - наличие пробоя.

Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока низкой частоты (менее 50 кГц).

Особенности конструкции.

По уровню рассеиваемой мощности различают диоды:

малой мощности (выпрямленный ток не более 300 мА);

средней мощности (выпрямленный ток от 400 мА до 10 А);

большой мощности (выпрямленный ток более 10 А);

По конструкции - точечные, плоскостные.

Применяемые полупроводниковые материалы: германий, кремний, селен, титан.

По способу изготовления : сплавные, диффузионные (рисунок 1).

Рис. 1. Структуры выпрямительных диодов.

Рисунок 2. Примеры конструкции диода.

На рисунке 2 показаны примеры конструкций диодов с различным сопротивлением: (слева-1,2-малой мощности) Rт = (100-200) °/Вт,
(справа-3-средней мощности) Rт = 1-10°/Вт.

Вольт-амперная характеристика выпрямительного диода.

Рисунок 3. ВАХ выпрямительного диода.

При электротехническом анализе схем с диодами отдельные ветви ВАХ представляют в виде прямых линий, что позволяет представить диод в виде различных эквивалентных схем. Выбор той или иной схемы замещения диода определяется конкретными условиями анализа и расчета устройства, включающего диоды.

Рисунок 4.1.

Рисунок 4.2.

Работа диода на активную нагрузку представлена на рисунке 4.1. Ток через диод описывается его вольтамперной характеристикой iд = f(uд) , ток через нагрузочное сопротивление, поскольку соединение последовательное, будет равен току через диод iд = iн = i и для него справедливо соотношение iн = (u(t) - uд)/Rн. На рисунке 4.2 в одном масштабе показаны линии, описывающие обе эти функциональные зависимости: ВАХ диода и нагрузочную характеристику.

Рисунок 4.3.

На рисунке 4.3 показано, что, чем круче характеристика диода и чем меньше зона малых токов ("пятка"), тем лучше выпрямительные свойства диода. Заход рабочей точки в предпробойную область приводит не только к выделению в диоде большой мощности и возможному его разрушению, но и к потере выпрямительных свойств.

Основными параметрами , характеризующими выпрямительные диоды, являются

Максимальный прямой ток I пр max (0.01…10 А);

Падение напряжения на диоде при заданном значении прямого тока I пр

(U пр » 0.3...0,7 В для германиевых диодов и U пр » 0,8...1,2 В -для кремниевых);

Максимально допустимое постоянное обратное напряжение диода U обр max ;

Обратный ток I обр при заданном обратном напряжении U обр (значение обратного тока германиевых диодов на два -три порядка больше, чем у кремниевых) (0.005…150 мА).;

Барьерная емкость диода при подаче на него обратного напряжения некоторой величины;

Диапазон частот, в котором возможна работа диода без существенного снижения выпрямленного тока;

Рабочий диапазон температур (германиевые диоды работают в диапазоне

60...+70°С, кремниевые - в диапазоне -60...+150°С, что объясняется малыми обратными токами кремниевых диодов).

2. Уравнения коллекторных токов.

Для схемы включения с ОБ.

Выражение для идеализированной выходной характеристики в активном режиме имеет вид:

i К =α · i Э + I КБ0 .

Для схемы включения с ОЭ.

Выражение для идеализированной выходной характеристики в активном режиме имеет вид:

i К =  · i Б + I КЭ0 .

Если разорвать цепь эмиттера, то под действием обратного напряжения на коллекторе через коллекторный переход из коллектора в базу будет протекать обратный ток I КБ0 . Его величина приводится в справочных данных транзистора.

I КЭ0 =α·I КБ0 - называется сквозным тепловым током транзистора.

Схема с общим эмиттером (ОЭ).

Такая схема изображена на рисунке 5.

Рис. 5. Схема включения транзистора с общим эмиттером

Усилительные свойства транзистора характеризует один из главных его параметров - статический коэффициент передачи тока базы или статический коэффициент усиления по току β . Поскольку он должен характеризовать только сам транзистор, его определяют в режиме без нагрузки (R к = 0).

Численно он равен:

при U к-э = const

Этот коэффициент бывает равен десяткам или сотням, но реальный коэффициент k i всегда меньше, чем β, т. к. при включении нагрузки ток коллектора уменьшается.

Схема с общей базой (ОБ) .

Схема ОБ изображена на рисунке 6.

Рис. 6. Схема включения транзистора с общей базой.

Статический коэффициент передачи тока для схемы ОБ обозначается α и определяется:

при U к-б = const

Этот коэффициент всегда меньше 1 и чем он ближе к 1, тем лучше транзистор.

Соотношения для коэффициентов передачи по току для схем ОБ и ОЭ имеют вид:

K iб = i к /i э = α, K iэ = i к /i б = α./(1- α.)

Коэффициент α > 1 и составляет 49 - 200.

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним p-n переходом и двумя выводами.

По функциональному назначению различают:

1) Выпрямительные диоды.

2) Стабилитроны.

3) Импульсные и высокочастотные диоды.

4) Туннельные диоды.

5) Варикапы.

Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока частотой 50 Гц в постоянный. Используется основное свойство электронно-дырочного перехода - односторонняя проводимость.

Представляет собой один p-n переход в герметичном корпусе с двумя выводами. Вывод положительной области называется анод, вывод отрицательной – катод.

На рисунке 19 изображена структура выпрямительного диода.

Рисунок 19 – Структура выпрямительного диода

Диод в электрических схемах обозначается в соответствии с рисунком 20.

Рисунок 20 - Изображение диода в электрических схемах

График зависимости между током и напряжением называется вольтамперной характеристикой (ВАХ). Выпрямительный диод имеет нелинейную ВАХ.

Характеристика для прямого включения диода вначале имеет значительную нелинейность, т.к. при увеличении прямого напряжения сопротивление запирающего слоя увеличивается постепенно. При определенном напряжении запирающий слой практически исчезает и далее характеристика становится почти линейной.

При обратном включении ток резко увеличивается. Это происходит за счет резкого увеличения потенциального барьера в p-n переходе, резко снижается диффузионный ток, а ток дрейфа увеличивается. Однако при дальнейшем увеличении обратного напряжения рост тока незначителен.

Нар рисунке 21 приведена вольтамперная характеристика выпрямительного диода.

Рисунок 21 – ВАХ выпрямительного диода

Параметры выпрямительных диодов – это величина, характеризующая наиболее существенные свойства прибора.

Различают: статические и предельные параметры.

Статические : Определяются по статическим характеристикам (см. рисунок 22).

Рисунок 22 – Дополнительные построения для определения статических параметров выпрямительного диода

1. Крутизна вольтамперной характеристики:

S = DI / DU , мА / В

где DI – приращение тока;

DU – приращение напряжения.

Крутизна вольтамперной характеристики показывает, на сколько миллиампер изменится ток при увеличении напряжения на 1 вольт.

2. Внутреннее сопротивление диода переменному току.

Ri = DU / DI , Ом

3. Сопротивление диода постоянному току.

R 0 = U / I , Ом

Параметры предельного режима :

Их превышение приводит к выходу прибора из строя. С учетом этих параметров строится электрическая схема.

1. I ПР.ДОП - допустимое значение прямого тока;

2. U ОБР.ДОП - допустимое значение обратного напряжения;

3. Р РАСС - допустимая мощность рассеивания.

Основным недостатком всех полупроводниковых приборов является зависимость их параметров от температуры. С увеличением температуры увеличивается концентрация носителей зарядов и проводимость перехода растет. Сильно увеличивается обратный ток. При увеличении температуры ранее наступает электрический пробой. На рисунке 23 приведено влияние температуры на ВАХ.

Рисунок 23 – Влияние температуры на ВАХ диода

На базе выпрямительного диода можно построить схему простейшего однополупериодного выпрямителя (см. рисунок 24).

Рисунок 24 - Схема простейшего выпрямителя

Схема состоит из трансформатора Т, который служит для преобразования исходного напряжения в напряжение нужной величины; Выпрямительного диода VD, который служит для выпрямления переменного тока, конденсатора С, который служит для сглаживания пульсаций и нагрузки R н.

На рис. 2.9 представлена вольт-амперная характеристика кремниевого выпрямительного диода при различной температуре окружающей среды.

Максимально допустимые прямые токи кремниевых плоскостных диодов различных типов составляют 0,1…1600 А. Падение напряжения на диодах при этих токах обычно не превышает 1,5 В. С увеличением температуры прямое падение напряжения уменьшается, что связано с уменьшением высоты потенциального барьера

p–n -перехода и с перераспределением носителей заряда по энергетическим уровням.

Обратная ветвь вольт-амперной характеристики кремниевых диодов не имеет участка насыщения обратного тока, т.к. обратный ток в кремниевых диодах вызван процессом генерации носителей заряда в p–n -переходе. Пробой кремниевых диодов имеет лавинный характер. Поэтому пробивное напряжение с увеличением температуры увеличивается. Для некоторых типов кремниевых диодов при комнатной температуре пробивное напряжение может составлять 1500…2000 В.

Диапазон рабочих температур для кремниевых выпрямительных диодов ограничивается значениями – 60…+125 C . Нижний предел рабочих температур обусловлен различием температурных коэффициентов линейного расширения различных элементов конструкции диода: при низких температурах возникают механические напряжения, которые могут привести к растрескиванию кристалла. С уменьшением температуры также необходимо учитывать увеличение прямого падения напряжения на диоде, происходящее из-за увеличения высоты потенциального барьера на p–n -переходе.

Верхний предел диапазона рабочих температур выпрямительных диодов определяется резким ухудшением выпрямления в связи с ростом обратного тока – сказывается тепловая генерация носителей заряда в результате ионизации атомов полупроводника. Исходя из этого верхний предел диапазона рабочих температур кремниевых выпрямительных диодов, как и большинства других полупроводниковых приборов, связан с шириной запрещенной зоны исходного полупроводникового материала.

На рис. 2.10 представлена вольт-амперная характеристика германиевого выпрямительного диода при различной температуре окружающей среды.

Прямое напряжение на германиевом диоде при максимально допустимом прямом токе практически в два раза меньше, чем на кремниевом диоде. Это связано с меньшей высотой потенциального барьера германиевого перехода, что является достоинством, но, к сожалению, единственным.

Для германиевых диодов характерно существование обратного тока насыщения, что связано с механизмом образования обратного тока – процессом экстракции неосновных носителей заряда.

Плотность обратного тока в германиевых диодах значительно больше, т.к. при прочих равных условиях концентрация неосновных носителей заряда в германии на несколько порядков больше, чем в кремнии. Это приводит к тому, что для германиевых диодов пробой имеет тепловой характер. Поэтому пробивное напряжение с увеличением температуры уменьшается, а значения этого напряжения меньше пробивных напряжений кремниевых диодов.

Верхний предел диапазона рабочих температур германиевых диодов составляет около 75 C .

Существенной особенностью германиевых диодов и их недостатком является то, что они плохо выдерживают даже очень кратковременные импульсные перегрузки при обратном смещении p–n -перехода. Определяется это механизмом пробоя – тепловым пробоем, происходящим при шнуровании тока с выделением большой удельной мощности в месте пробоя.

Перечисленные особенности кремниевых и германиевых выпрямительных диодов связаны с различием ширины запрещенной зоны исходных полупроводников. Из такого сопоставления видно, что выпрямительные диоды с большей шириной запрещенной зоны обладают существенными преимуществами в свойствах и параметрах. Одним из таких представителей является арсенид галлия.

В настоящее время, выпускаемые промышленностью арсенид-галлиевые выпрямительные диоды еще далеки от оптимально возможных. К примеру, диод типа АД112А имеет максимально допустимый прямой ток 300 мА при прямом напряжении 3 В. Большая величина прямого напряжения является недостатком всех выпрямительных диодов, p–n -переходы которых сформированы в материале с широкой запрещенной зоной. Максимально допустимое обратное напряжение для данного диода –50 В. Это объясняется, вероятнее всего, тем, что в области p–n -перехода имеется большая концентрация дефектов из-за несовершенства технологии.

Достоинствами арсенид-галлиевых выпрямительных диодов являются большой диапазон рабочих температур и лучшие частотные свойства. Верхний предел рабочих температур для диодов АД112А составляет 250 С. Арсенид-галлиевые диоды АД110А могут работать в выпрямителях малой мощности до частоты 1 МГц, что обеспечивается малым временем жизни носителей заряда в этом материале.

Выводы:

1. С повышением температуры обратный ток у германиевых выпрямительных диодов резко возрастает за счет роста теплового тока.

2. У кремниевых диодов тепловой ток очень мал, и поэтому они могут работать при более высоких температурах и с меньшим обратным током, чем германиевые диоды.

3. Кремниевые диоды могут работать при значительно больших обратных напряжениях, чем германиевые диоды. Максимально допустимое постоянное обратное напряжение у кремниевых диодов увеличивается с повышением температуры до максимального значения, в то время как у германиевых диодов резко падает.

4. Вследствие указанных преимуществ в настоящее время выпрямительные диоды в основном изготавливают на основе кремния.

Диод – нелинейный пассивный элемент, простейший прибор на основе полупроводника с одним p-n переходом и двумя выводами. Является одним из основных компонентов электронных устройств. Не углубляясь в физику процессов, происходящих в полупроводниковых структурах, следует отметить основное его назначение – пропускать ток в одном направлении. Выводы диода называются анодом и катодом, на обозначении стрелка – это анод, она же указывает на направление тока.

Свойства и вольт-амперная характеристика

Если к аноду приложить положительное напряжение, то диод становится открытым, при этом его можно рассматривать как проводник, работающий в «одну сторону», при смене полярности (отрицательном напряжении на аноде) диод закрыт. Надо отметить, что прохождение тока в прямом направлении вызывает некоторое уменьшение напряжения на катоде, вызванное особенностями проводимости полупроводников. Падение напряжения для разных типов приборов составляет 0,3-0,8 вольт, в большинстве случаев им можно пренебречь.

Поведение диода при разных значениях протекающего тока, величины и полярности приложенного напряжения, в виде графика представляется как вольт амперная характеристика полупроводникового диода.

Часть графика, находящаяся в правой верхней части, соответствует прямому направлению тока. Чем ближе эта ветвь к вертикальной оси, тем меньше падение напряжения на диоде, её наклон указывает на эту величину при разных токах. Для идеального диода она не имеет наклона и почти совпадает с осью ординат, но реальный полупроводник не может обладать такими характеристиками.

В левом нижнем квадранте отображается зависимость тока от напряжения обратной полярности – в закрытом состоянии. Обратный ток для приборов общего назначения исчезающе мал, его не принимают во внимание до момента пробоя – возрастания обратного напряжения до недопустимой для конкретного типа величины. Большинство диодов при таком напряжении не могут работать, температура значительно возрастает, и прибор окончательно выходит из строя. Напряжение, при котором существует вероятность пробоя, называют обратным пиковым, обычно оно в несколько раз превышает рабочее, в документации указывается допустимое время – в пределах микросекунд.

Для измерения параметров применяется элементарная схема с прямым и обратным включением диодов.

В технических описаниях вольт амперная характеристика диода в графическом представлении, как правило, не приводится, а указываются наиболее значимые точки характеристики, например, для часто используемых выпрямительных диодов:

• Максимальный и пиковый выпрямленный ток;
• Среднеквадратичное и пиковое значение обратного напряжения;
• Наибольший обратный ток;
• Падение напряжения при различном прямом токе.

Кроме указанных параметров, не меньшее значение имеют и другие свойства: статическое сопротивление, для импульсных диодов – граничная частота, ёмкость p – n перехода. Приборы специального назначения также имеют специфические характеристики и другой вид ВАХ полупроводникового диода.

Отдельный тип диодов работает в области электрического пробоя, они применяются для стабилизации напряжения – это стабилитроны. От ВАХ диода характеристика стабилитрона отличается резким уходом вниз левой ветви графика и малым её отклонением от вертикали. Эта точка на оси абсцисс называется напряжением стабилизации. Стабилитрон включается только с резистором, ограничивающим ток через него.

Видео

Вах-вах-вах… Обычно эти слова употребляют, рассказывая анекдоты про кавказцев))) Кавказцев прошу не обижаться – я уважаю Кавказ. Но, как говорится, из песни слов не выкинешь. Да и в нашем случае это слово имеет другой смысл. Да и не слово это даже, а аббревиатура.

ВАХ – это вольт амперная характеристика. Ну а нас в этом разделе интересует вольт амперная характеристика полупроводникового диода .

График ВАХ диода показан на рис. 6.

Рис. 6. ВАХ полупроводникового диода.

На графике изображены ВАХ для прямого и обратного включения диода. Ещё говорят, прямая и обратная ветвь вольт-амперной характеристики. Прямая ветвь (Iпр и Uпр) отображает характеристики диода при прямом включении (то есть когда на анод подаётся «плюс»). Обратная ветвь (Iобр и Uобр) отображает характеристики диода при обратном включении (то есть когда на анод подаётся «минус»).

На рис. 6 синяя толстая линия – это характеристика германиевого диода (Ge), а чёрная тонкая линия – характеристика кремниевого (Si) диода. На рисунке не указаны единицы измерения для осей тока и напряжения, так как они зависят от конкретной марки диода.

Что же мы видим на графике? Ну для начала определим, как и для любой плоской системы координат, четыре координатных угла (квадранта). Напомню, что первым считается квадрант, который находится справа вверху (то есть там, где у нас буквы Ge и Si). Далее квадранты отсчитываются против часовой стрелки.

Итак, II-й и IV-й квадранты у нас пустые. Это потому, что мы можем включить диод только двумя способами – в прямом или в обратном направлении. Невозможна ситуация, когда, например, через диод протекает обратный ток и одновременно он включен в прямом направлении, или, иными словами, невозможно на один вывод одновременно подать и «плюс» и «минус». Точнее, это возможно, но тогда это будет короткое замыкание))). Остаётся рассмотреть только два случая – прямое включение диода и обратное включение диода .

График прямого включения нарисован в первом квадранте. Отсюда видно, что чем больше напряжение, тем больше ток. Причём до какого-то момента напряжение растёт быстрее, чем ток. Но затем наступает перелом, и напряжение почти не меняется, а ток начинает расти. Для большинства диодов этот перелом наступает в диапазоне 0,5…1 В. Именно это напряжение, как говорят, «падает» на диоде. То есть если вы подключите лампочку по первой схеме на рис. 3, а напряжение батареи питания у вас будет 9 В, то на лампочку попадёт уже не 9 В, а 8,5 или даже 8 (зависит от типа диода). Эти 0,5…1 В и есть падение напряжения на диоде. Медленный рост тока до напряжения 0,5…1В означает, что на этом участке ток через диод практически не идёт даже в прямом направлении.

График обратного включения нарисован в третьем квадранте. Отсюда видно, что на значительном участке ток почти не изменяется, а затем увеличивается лавинообразно. Что это значит? Если вы включите лампочку по второй схеме на рис. 3, то светиться она не будет, потому что диод в обратном направлении ток не пропускает (точнее, пропускает, как видно на графике, но этот ток настолько мал, что лампа светиться не будет). Но диод не может сдерживать напряжение бесконечно. Если увеличить, напряжение, например, до нескольких сотен вольт, то это высокое напряжение «пробьёт» диод (см. перегиб на обратной ветви графика) и ток через диод будет течь. Вот только «пробой» - это процесс необратимый (для диодов). То есть такой «пробой» приведет к выгоранию диода и он либо вообще перестанет пропускать ток в любом направлении, либо наоборот – будет пропускать ток во всех направлениях.

В характеристиках конкретных диодов всегда указывается максимальное обратное напряжение – то есть напряжение, которое может выдержать диод без «пробоя» при включении в обратном направлении. Это нужно обязательно учитывать при разработке устройств, где применяются диоды.

Сравнивая характеристики кремниевого и германиевого диодов, можно сделать вывод, что в p-n-переходах кремниевого диода прямой и обратный токи меньше, чем в германиевом диоде (при одинаковых значениях напряжения на выводах). Это связано с тем, что у кремния больше ширина запрещённой зоны и для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости им необходимо сообщить большую дополнительную энергию.