Ποια φυσικά φαινόμενα καθορίζουν τις ανορθωτικές ιδιότητες μιας διόδου. Δίοδοι ημιαγωγών

Ανορθωτές δίοδοι PP. Χαρακτηριστικά σχεδίου. CVC. Βασικές παράμετροι.

Εξισώσεις ρευμάτων συλλέκτη για κυκλώματα μεταγωγής OB και OE.

Συντελεστές τρέχουσας μεταφοράς, οι σχέσεις τους.

1. Ανορθωτές δίοδοι PP.

Δίοδος ανορθωτήσχεδιασμένο να μετατρέπει την εναλλασσόμενη τάση σε άμεση τάση. Ένας ιδανικός ανορθωτής θα πρέπει να επιτρέπει στο ρεύμα να περνά στη μία πολικότητα, αλλά όχι στην άλλη πολικότητα. Οι ιδιότητες μιας διόδου ημιαγωγών είναι κοντά στις ιδιότητες ενός ιδανικού ανορθωτή, καθώς η αντίστασή του στην προς τα εμπρός κατεύθυνση διαφέρει κατά αρκετές τάξεις μεγέθους από την αντίσταση στην αντίστροφη κατεύθυνση. Τα κύρια μειονεκτήματα μιας διόδου ημιαγωγών περιλαμβάνουν: με μπροστινή πόλωση, παρουσία περιοχής χαμηλών ρευμάτων στο αρχικό τμήμα και τελική αντίσταση rs. αν συμβεί το αντίθετο, υπάρχει βλάβη.

Οι δίοδοι ανορθωτή έχουν σχεδιαστεί για να διορθώνουν εναλλασσόμενο ρεύμα χαμηλής συχνότητας (λιγότερο από 50 kHz).

Χαρακτηριστικά σχεδίου.

Ανάλογα με το επίπεδο διάχυσης εξουσίαΟι δίοδοι διακρίνονται:

χαμηλή ισχύς (ανορθωμένο ρεύμα όχι περισσότερο από 300 mA).

μέση ισχύς (ανορθωμένο ρεύμα από 400 mA έως 10 A).

υψηλή ισχύς (ανορθωμένο ρεύμα πάνω από 10 A).

Με σχέδια- σημείο, επίπεδο.

Χρησιμοποιημένα υλικά ημιαγωγών: γερμάνιο, πυρίτιο, σελήνιο, τιτάνιο.

Με μέθοδος παραγωγής: κράμα, διάχυση (Εικόνα 1).

Ρύζι. 1. Δομές ανορθωτικών διόδων.

Εικόνα 2. Παραδείγματα σχεδίασης διόδων.

Το σχήμα 2 δείχνει παραδείγματα σχεδίων διόδων με διαφορετικές αντιστάσεις: (αριστερά-1,2-χαμηλή ισχύς) Rt = (100-200) °/W,
(δεξιά-3-μέση ισχύς) Rt = 1-10°/W.

Χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης μιας διόδου ανόρθωσης.

Εικόνα 3. Χαρακτηριστικά I-V της διόδου ανορθωτή.

Στην ανάλυση ηλεκτρικής μηχανικής κυκλωμάτων με διόδους, μεμονωμένοι κλάδοι του χαρακτηριστικού ρεύματος-τάσης αντιπροσωπεύονται ως ευθείες γραμμές, γεγονός που καθιστά δυνατή την αναπαράσταση της διόδου με τη μορφή διαφόρων ισοδύναμων κυκλωμάτων. Η επιλογή ενός ή άλλου κυκλώματος ισοδύναμου διόδου καθορίζεται από τις ειδικές συνθήκες της ανάλυσης και του υπολογισμού της συσκευής συμπεριλαμβανομένων των διόδων.

Εικόνα 4.1.

Εικόνα 4.2.

Η λειτουργία μιας διόδου για ενεργό φορτίο φαίνεται στο σχήμα 4.1. Το ρεύμα μέσω της διόδου περιγράφεται από το χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης id = f(ud), το ρεύμα μέσω της αντίστασης φορτίου, εφόσον η σύνδεση είναι σε σειρά, θα είναι ίσο με το ρεύμα μέσω της διόδου id = in = i και για είναι έγκυρη η σχέση σε = (u(t) - ud)/Rn. Το σχήμα 4.2 δείχνει, στην ίδια κλίμακα, γραμμές που περιγράφουν και τις δύο αυτές λειτουργικές εξαρτήσεις: το χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης της διόδου και το χαρακτηριστικό φορτίου.

Εικόνα 4.3.

Το σχήμα 4.3 δείχνει ότι όσο πιο απότομο είναι το χαρακτηριστικό της διόδου και όσο μικρότερη είναι η ζώνη χαμηλού ρεύματος («τακούνι»), τόσο καλύτερες είναι οι ανορθωτικές ιδιότητες της διόδου. Η είσοδος του σημείου λειτουργίας στην περιοχή πριν από τη διάσπαση οδηγεί όχι μόνο στην απελευθέρωση υψηλής ισχύος στη δίοδο και την πιθανή καταστροφή της, αλλά και στην απώλεια των ιδιοτήτων ανόρθωσης.

Βασικές παράμετροι, που χαρακτηρίζει τις διόδους ανορθωτή, είναι

Μέγιστο προς τα εμπρός ρεύμα I pr max (0,01…10 A);

Πτώση τάσης κατά μήκος της διόδου σε μια δεδομένη τιμή του μπροστινού ρεύματος I pr

(U pr » 0,3...0,7 V για διόδους γερμανίου και U pr » 0,8...1,2 V για διόδους πυριτίου).

Η μέγιστη επιτρεπτή σταθερή αντίστροφη τάση της διόδου είναι U arr max ;

Αντίστροφο ρεύμα I arr σε μια δεδομένη αντίστροφη τάση U arr (η τιμή του αντίστροφου ρεύματος των διόδων γερμανίου είναι δύο έως τρεις τάξεις μεγέθους μεγαλύτερη από αυτή των διόδων πυριτίου) (0,005...150 mA).

Η χωρητικότητα φραγμού μιας διόδου όταν εφαρμόζεται σε αυτήν αντίστροφη τάση συγκεκριμένου μεγέθους.

Το εύρος συχνοτήτων στο οποίο η δίοδος μπορεί να λειτουργήσει χωρίς σημαντική μείωση στο ανορθωμένο ρεύμα.

Εύρος θερμοκρασίας λειτουργίας (οι δίοδοι γερμανίου λειτουργούν στην περιοχή

60...+70°C, πυρίτιο - στην περιοχή -60...+150°C, που εξηγείται από τα χαμηλά αντίστροφα ρεύματα των διόδων πυριτίου).

2. Εξισώσεις ρευμάτων συλλέκτη.

Για το κύκλωμα σύνδεσης με ΟΒ.

Η έκφραση για το εξιδανικευμένο χαρακτηριστικό εξόδου στην ενεργή λειτουργία είναι:

Εγώ ΠΡΟΣ ΤΗΝ =α i μι +Ι KB0 .

Για το κύκλωμα σύνδεσης με Ο.Ε.

Η έκφραση για το εξιδανικευμένο χαρακτηριστικό εξόδου στην ενεργή λειτουργία είναι:

Εγώ ΠΡΟΣ ΤΗΝ =  Εγώ σι +Ι KE0 .

Εάν το κύκλωμα του εκπομπού σπάσει, τότε υπό την επίδραση της αντίστροφης τάσης στον συλλέκτη, ένα αντίστροφο ρεύμα θα ρέει μέσω της διασταύρωσης του συλλέκτη από τον συλλέκτη στη βάση Εγώ KB0. Η τιμή του δίνεται στα δεδομένα αναφοράς του τρανζίστορ.

Εγώ KE0 =α· Εγώ KB0- ονομάζεται το διαμπερές θερμικό ρεύμα του τρανζίστορ.

Κύκλωμα κοινού εκπομπού (CE).

Ένα τέτοιο διάγραμμα φαίνεται στο σχήμα 5.

Ρύζι. 5. Διάγραμμα κυκλώματος σύνδεσης τρανζίστορ με κοινό πομπό

Οι ιδιότητες ενίσχυσης ενός τρανζίστορ χαρακτηρίζονται από μία από τις κύριες παραμέτρους του - τον συντελεστή μεταφοράς στατικού ρεύματος βάσης ή το στατικό κέρδος ρεύματος β . Δεδομένου ότι θα πρέπει να χαρακτηρίζει μόνο το ίδιο το τρανζίστορ, προσδιορίζεται σε λειτουργία χωρίς φορτίο (Rk = 0).

Αριθμητικά ισούται με:

στο U k-e = συνεχ

Αυτός ο συντελεστής μπορεί να είναι ίσος με δεκάδες ή εκατοντάδες, αλλά ο πραγματικός συντελεστής k i είναι πάντα μικρότερος από β, αφού όταν ενεργοποιείται το φορτίο, το ρεύμα συλλέκτη μειώνεται.

Σχέδιο κοινής βάσης (CB)..

Το διάγραμμα OB φαίνεται στο Σχήμα 6.

Ρύζι. 6. Κύκλωμα σύνδεσης τρανζίστορ με κοινή βάση.

Ο συντελεστής μεταφοράς στατικού ρεύματος για το κύκλωμα OB συμβολίζεται με α και προσδιορίζεται από:

στο U k-b = συνεχ

Αυτός ο συντελεστής είναι πάντα μικρότερος από 1 και όσο πιο κοντά είναι στο 1, τόσο καλύτερο είναι το τρανζίστορ.

Οι σχέσεις για τους συντελεστές μεταφοράς ρεύματος για τα κυκλώματα OB και OE έχουν τη μορφή:

K ib = i k /i e = α, K i e = i k /i b = α./(1- α.)

Συντελεστής α > 1 και είναι 49 - 200.

Μια δίοδος ημιαγωγών είναι μια συσκευή ημιαγωγών με μία διασταύρωση p-n και δύο ακροδέκτες.

Ανάλογα με τον λειτουργικό τους σκοπό διακρίνονται:

1) Διόδους ανορθωτή.

2) Δίοδοι Zener.

3) Δίοδοι παλμών και υψηλής συχνότητας.

4) Δίοδοι σήραγγας.

5) Varicaps.

Ανορθωτικές δίοδοισχεδιασμένο να διορθώνει εναλλασσόμενο ρεύμα με συχνότητα 50 Hz σε συνεχές ρεύμα. Χρησιμοποιείται η κύρια ιδιότητα της μετάβασης ηλεκτρονίου-οπής - αγωγιμότητα μονής κατεύθυνσης.

Αποτελείται από μία σύνδεση p-n σε ένα σφραγισμένο περίβλημα με δύο ακροδέκτες. Το τερματικό της θετικής περιοχής ονομάζεται άνοδος, το τερματικό της αρνητικής περιοχής ονομάζεται κάθοδος.

Το σχήμα 19 δείχνει τη δομή μιας διόδου ανόρθωσης.

Εικόνα 19 – Δομή διόδου ανορθωτή

Η δίοδος στα ηλεκτρικά κυκλώματα ορίζεται σύμφωνα με το σχήμα 20.

Εικόνα 20 - Εικόνα διόδου σε ηλεκτρικά κυκλώματα

Το γράφημα της σχέσης μεταξύ ρεύματος και τάσης ονομάζεται χαρακτηριστικό ρεύμα-τάση (χαρακτηριστικό βολτ-αμπέρ). Η δίοδος ανορθωτή έχει ένα μη γραμμικό χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης.

Το χαρακτηριστικό για απευθείας σύνδεση της διόδου έχει αρχικά σημαντική μη γραμμικότητα, γιατί Καθώς η μπροστινή τάση αυξάνεται, η αντίσταση του στρώματος φραγμού αυξάνεται σταδιακά. Σε μια ορισμένη τάση, το στρώμα φραγμού πρακτικά εξαφανίζεται και τότε το χαρακτηριστικό γίνεται σχεδόν γραμμικό.

Όταν ενεργοποιείται ξανά, το ρεύμα αυξάνεται απότομα. Αυτό συμβαίνει λόγω μιας απότομης αύξησης του φραγμού δυναμικού στη διασταύρωση pn, το ρεύμα διάχυσης μειώνεται απότομα και το ρεύμα μετατόπισης αυξάνεται. Ωστόσο, με περαιτέρω αύξηση της αντίστροφης τάσης, η αύξηση του ρεύματος είναι ασήμαντη.

Το σχήμα 21 δείχνει το χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης της διόδου ανορθωτή.

Σχήμα 21 – Χαρακτηριστικά I-V της διόδου ανορθωτή

Οι παράμετροι των διόδων ανορθωτή είναι μια τιμή που χαρακτηρίζει τις πιο βασικές ιδιότητες της συσκευής.

Υπάρχουν: στατικές και περιοριστικές παράμετροι.

Στατικός: Προσδιορίζεται από στατικά χαρακτηριστικά (βλ. Εικόνα 22).

Εικόνα 22 - Πρόσθετες κατασκευές για τον προσδιορισμό των στατικών παραμέτρων της διόδου ανορθωτή

1. Κλίση του χαρακτηριστικού ρεύματος-τάσης:

S = DI/DU, mA/V

όπου DI – αύξηση ρεύματος.

DU – αύξηση τάσης.

Η κλίση του χαρακτηριστικού ρεύματος-τάσης δείχνει πόσα milliamps θα αλλάξει το ρεύμα όταν η τάση αυξηθεί κατά 1 volt.

2. Εσωτερική αντίσταση της διόδου στο εναλλασσόμενο ρεύμα.

Ri = DU/DI, Ohm

3. Αντοχή διόδου στο συνεχές ρεύμα.

R 0 = U / I, Ohm

Παράμετροι λειτουργίας περιορισμού:

Η υπέρβασή τους οδηγεί σε αστοχία της συσκευής. Λαμβάνοντας υπόψη αυτές τις παραμέτρους, κατασκευάζεται ένα ηλεκτρικό κύκλωμα.

1. I PR.ADOP - επιτρεπόμενη τιμή του μπροστινού ρεύματος.

2. U REV.ADOP - επιτρεπόμενη τιμή αντίστροφης τάσης.

3. P RASS - επιτρεπόμενη απαγωγή ισχύος.

Το κύριο μειονέκτημα όλων των συσκευών ημιαγωγών είναι η εξάρτηση των παραμέτρων τους από τη θερμοκρασία. Με την αύξηση της θερμοκρασίας, η συγκέντρωση των φορέων φορτίου αυξάνεται και η αγωγιμότητα της μετάβασης αυξάνεται. Το αντίστροφο ρεύμα αυξάνεται πολύ. Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, η ηλεκτρική βλάβη συμβαίνει νωρίτερα. Το Σχήμα 23 δείχνει την επίδραση της θερμοκρασίας στο χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης.

Εικόνα 23 – Επίδραση της θερμοκρασίας στο χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης της διόδου

Με βάση μια δίοδο ανορθωτή, μπορείτε να δημιουργήσετε ένα απλό κύκλωμα ανορθωτή μισού κύματος (βλ. Εικόνα 24).

Εικόνα 24 - Διάγραμμα απλού ανορθωτή

Το κύκλωμα αποτελείται από έναν μετασχηματιστή T, ο οποίος χρησιμεύει για τη μετατροπή της αρχικής τάσης σε τάση της απαιτούμενης τιμής. Δίοδος ανορθωτή VD, που χρησιμεύει για την ανόρθωση εναλλασσόμενου ρεύματος, πυκνωτής C, που χρησιμεύει για την εξομάλυνση των κυματισμών και τη φόρτιση Rn.

Στο Σχ. Το Σχήμα 2.9 δείχνει το χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης μιας διόδου ανόρθωσης πυριτίου σε διαφορετικές θερμοκρασίες περιβάλλοντος.

Τα μέγιστα επιτρεπτά προς τα εμπρός ρεύματα επίπεδων διόδων πυριτίου διαφόρων τύπων είναι 0,1...1600 A. Η πτώση τάσης στις διόδους σε αυτά τα ρεύματα συνήθως δεν υπερβαίνει το 1,5 V. Με την αύξηση της θερμοκρασίας, η πτώση τάσης προς τα εμπρός μειώνεται, η οποία σχετίζεται με μείωση του ύψους του φραγμού δυναμικού

p–n-μετάβαση και με την ανακατανομή των φορέων φορτίου στα επίπεδα ενέργειας.

Ο αντίστροφος κλάδος του χαρακτηριστικού ρεύματος-τάσης των διόδων πυριτίου δεν έχει τμήμα κορεσμού του αντίστροφου ρεύματος, επειδή Το αντίστροφο ρεύμα στις διόδους πυριτίου προκαλείται από τη διαδικασία δημιουργίας φορέων φορτίου μέσα p–n-μετάβαση. Η διάσπαση των διόδων πυριτίου έχει χαρακτήρα χιονοστιβάδας. Επομένως, η τάση διάσπασης αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Για ορισμένους τύπους διόδων πυριτίου σε θερμοκρασία δωματίου, η τάση διάσπασης μπορεί να είναι 1500...2000 V.

Το εύρος θερμοκρασίας λειτουργίας για διόδους ανορθωτή πυριτίου περιορίζεται στους – 60…+125 C. Το κατώτερο όριο των θερμοκρασιών λειτουργίας οφείλεται στη διαφορά στους συντελεστές θερμοκρασίας της γραμμικής διαστολής διαφόρων στοιχείων του σχεδιασμού της διόδου: σε χαμηλές θερμοκρασίες, προκύπτουν μηχανικές καταπονήσεις, οι οποίες μπορούν να οδηγήσουν σε ρωγμές του κρυστάλλου. Καθώς η θερμοκρασία μειώνεται, είναι επίσης απαραίτητο να ληφθεί υπόψη η αύξηση της μπροστινής πτώσης τάσης κατά μήκος της διόδου, η οποία συμβαίνει λόγω της αύξησης του ύψους του φραγμού δυναμικού κατά p–n-μετάβαση.

Το ανώτερο όριο του εύρους θερμοκρασίας λειτουργίας των διόδων ανορθωτή καθορίζεται από μια απότομη επιδείνωση της ανόρθωσης λόγω αύξησης του αντίστροφου ρεύματος - αυτό οφείλεται στη θερμική δημιουργία φορέων φορτίου ως αποτέλεσμα του ιονισμού ατόμων ημιαγωγών. Με βάση αυτό, το ανώτερο όριο του εύρους θερμοκρασίας λειτουργίας των διόδων ανορθωτή πυριτίου, όπως και οι περισσότερες άλλες συσκευές ημιαγωγών, σχετίζεται με το διάκενο ζώνης του υλικού ημιαγωγού πηγής.

Στο Σχ. Το σχήμα 2.10 δείχνει το χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης μιας διόδου ανορθωτή γερμανίου σε διαφορετικές θερμοκρασίες περιβάλλοντος.

Η μπροστινή τάση σε μια δίοδο γερμανίου στο μέγιστο επιτρεπόμενο ρεύμα είναι σχεδόν δύο φορές μικρότερη από μια δίοδο πυριτίου. Αυτό οφείλεται στο χαμηλότερο ύψος του δυνητικού φραγμού της μετάβασης του γερμανίου, το οποίο είναι ένα πλεονέκτημα, αλλά, δυστυχώς, το μόνο.

Οι δίοδοι γερμανίου χαρακτηρίζονται από την ύπαρξη ενός ρεύματος αντίστροφου κορεσμού, το οποίο σχετίζεται με τον μηχανισμό σχηματισμού του αντίστροφου ρεύματος - τη διαδικασία εξαγωγής φορέων μειοψηφίας φορτίου.

Η αντίστροφη πυκνότητα ρεύματος στις διόδους γερμανίου είναι πολύ μεγαλύτερη, επειδή Όλα τα άλλα πράγματα είναι ίσα, η συγκέντρωση των φορέων μειοψηφίας φορτίου στο γερμάνιο είναι αρκετές τάξεις μεγέθους υψηλότερη από ό,τι στο πυρίτιο. Αυτό οδηγεί στο γεγονός ότι για τις διόδους γερμανίου η διάσπαση είναι θερμικής φύσης. Επομένως, η τάση διάσπασης μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας και οι τιμές αυτής της τάσης είναι μικρότερες από την τάση διάσπασης των διόδων πυριτίου.

Το ανώτερο όριο του εύρους θερμοκρασίας λειτουργίας των διόδων γερμανίου είναι περίπου 75 C.

Ένα βασικό χαρακτηριστικό των διόδων γερμανίου και το μειονέκτημά τους είναι ότι δεν αντέχουν ακόμη και πολύ βραχυπρόθεσμες υπερφορτώσεις παλμών με αντίστροφη πόλωση p–n-μετάβαση. Αυτό καθορίζεται από τον μηχανισμό διάσπασης - θερμική διάσπαση, η οποία συμβαίνει όταν το ρεύμα συνδέεται με την απελευθέρωση μιας μεγάλης ειδικής ισχύος στο σημείο της διάσπασης.

Τα αναφερόμενα χαρακτηριστικά των διόδων ανόρθωσης πυριτίου και γερμανίου συνδέονται με τη διαφορά στο διάκενο ζώνης των αρχικών ημιαγωγών. Από αυτή τη σύγκριση είναι σαφές ότι οι διόδους ανορθωτή με μεγαλύτερο διάκενο ζώνης έχουν σημαντικά πλεονεκτήματα σε ιδιότητες και παραμέτρους. Ένας τέτοιος εκπρόσωπος είναι το αρσενίδιο του γαλλίου.

Επί του παρόντος, οι βιομηχανικά παραγόμενες διόδους ανόρθωσης αρσενιδίου του γαλλίου απέχουν ακόμη πολύ από το να είναι βέλτιστες. Για παράδειγμα, μια δίοδος τύπου AD112A έχει μέγιστο επιτρεπόμενο προς τα εμπρός ρεύμα 300 mA σε μπροστινή τάση 3 V. Η μεγάλη τάση προς τα εμπρός είναι ένα μειονέκτημα όλων των διόδων ανορθωτή. p–n- οι μεταβάσεις των οποίων σχηματίζονται σε υλικό με μεγάλο διάκενο. Η μέγιστη επιτρεπόμενη αντίστροφη τάση για αυτή τη δίοδο είναι –50 V. Αυτό οφείλεται πιθανότατα στο γεγονός ότι στην περιοχή p–n-μετάβαση υπάρχει μεγάλη συγκέντρωση ελαττωμάτων λόγω ατελούς τεχνολογίας.

Τα πλεονεκτήματα των διόδων ανόρθωσης αρσενιδίου του γαλλίου είναι ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών λειτουργίας και καλύτερες ιδιότητες συχνότητας. Το ανώτερο όριο θερμοκρασιών λειτουργίας για τις διόδους AD112A είναι 250 C. Οι δίοδοι αρσενιδίου γαλλίου AD110A μπορούν να λειτουργήσουν σε ανορθωτές χαμηλής ισχύος έως και συχνότητα 1 MHz, η οποία εξασφαλίζεται από τη μικρή διάρκεια ζωής των φορέων φόρτισης σε αυτό το υλικό.

Συμπεράσματα:

1. Με την αύξηση της θερμοκρασίας, το αντίστροφο ρεύμα στις διόδους ανορθωτή γερμανίου αυξάνεται απότομα λόγω της αύξησης του θερμικού ρεύματος.

2. Οι δίοδοι πυριτίου έχουν πολύ χαμηλό θερμικό ρεύμα και επομένως μπορούν να λειτουργήσουν σε υψηλότερες θερμοκρασίες και με λιγότερο αντίστροφο ρεύμα από τις δίοδοι γερμανίου.

3. Οι δίοδοι πυριτίου μπορούν να λειτουργήσουν σε σημαντικά υψηλότερες αντίστροφες τάσεις από τις δίοδοι γερμανίου. Η μέγιστη επιτρεπτή σταθερή αντίστροφη τάση για τις διόδους πυριτίου αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας σε μια μέγιστη τιμή, ενώ για τις διόδους γερμανίου πέφτει απότομα.

4. Λόγω αυτών των πλεονεκτημάτων, οι διόδους ανορθωτή κατασκευάζονται επί του παρόντος κυρίως από πυρίτιο.

Η δίοδος είναι ένα μη γραμμικό παθητικό στοιχείο, η απλούστερη συσκευή που βασίζεται σε ημιαγωγό με μία διασταύρωση p-n και δύο ακροδέκτες. Είναι ένα από τα κύρια συστατικά των ηλεκτρονικών συσκευών. Χωρίς να εμβαθύνουμε στη φυσική των διεργασιών που συμβαίνουν σε δομές ημιαγωγών, θα πρέπει να σημειωθεί ότι ο κύριος σκοπός του είναι να περάσει ρεύμα προς μία κατεύθυνση. Οι ακροδέκτες της διόδου ονομάζονται άνοδος και κάθοδος· το βέλος στον χαρακτηρισμό είναι η άνοδος και υποδεικνύει επίσης την κατεύθυνση του ρεύματος.

Ιδιότητες και χαρακτηριστικά ρεύματος-τάσης

Εάν εφαρμοστεί θετική τάση στην άνοδο, η δίοδος γίνεται ανοιχτή και μπορεί να θεωρηθεί ως αγωγός που λειτουργεί σε «μία κατεύθυνση»· όταν αλλάξει η πολικότητα (αρνητική τάση στην άνοδο), η δίοδος κλείνει. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η διέλευση του ρεύματος στην προς τα εμπρός κατεύθυνση προκαλεί μια ελαφρά μείωση της τάσης στην κάθοδο, που προκαλείται από τα χαρακτηριστικά αγωγιμότητας των ημιαγωγών. Η πτώση τάσης για διαφορετικούς τύπους συσκευών είναι 0,3-0,8 βολτ, στις περισσότερες περιπτώσεις μπορεί να παραμεληθεί.

Η συμπεριφορά της διόδου σε διαφορετικές τιμές του ρεύματος ροής, το μέγεθος και την πολικότητα της εφαρμοζόμενης τάσης παρουσιάζεται σε μορφή γραφήματος ως το χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης μιας διόδου ημιαγωγών.

Το τμήμα του γραφήματος που βρίσκεται στο πάνω δεξιά μέρος αντιστοιχεί στην προς τα εμπρός κατεύθυνση του ρεύματος. Όσο πιο κοντά είναι αυτός ο κλάδος στον κατακόρυφο άξονα, τόσο χαμηλότερη είναι η πτώση τάσης κατά μήκος της διόδου· η κλίση του δείχνει αυτή την τιμή σε διαφορετικά ρεύματα. Για μια ιδανική δίοδο, δεν έχει κλίση και σχεδόν συμπίπτει με τον άξονα τεταγμένων, αλλά ένας πραγματικός ημιαγωγός δεν μπορεί να έχει τέτοια χαρακτηριστικά.

Το κάτω αριστερό τεταρτημόριο εμφανίζει την εξάρτηση του ρεύματος από την τάση αντίστροφης πολικότητας - σε κλειστή κατάσταση. Το αντίστροφο ρεύμα για συσκευές γενικής χρήσης είναι εξαιρετικά μικρό· δεν λαμβάνεται υπόψη μέχρι τη στιγμή της βλάβης - η αντίστροφη τάση αυξάνεται σε μια τιμή απαράδεκτη για έναν συγκεκριμένο τύπο. Οι περισσότερες δίοδοι δεν μπορούν να λειτουργήσουν σε αυτή την τάση, η θερμοκρασία αυξάνεται σημαντικά και η συσκευή τελικά αποτυγχάνει. Η τάση στην οποία υπάρχει πιθανότητα βλάβης ονομάζεται αντίστροφη κορυφή· είναι συνήθως αρκετές φορές υψηλότερη από την τάση λειτουργίας· η τεκμηρίωση υποδεικνύει τον επιτρεπόμενο χρόνο - μέσα σε μικροδευτερόλεπτα.

Για τη μέτρηση των παραμέτρων, χρησιμοποιείται ένα στοιχειώδες κύκλωμα με άμεση και αντίστροφη σύνδεση διόδων.

Στις τεχνικές περιγραφές, το χαρακτηριστικό βολτ-αμπέρ μιας διόδου συνήθως δεν δίνεται σε μια γραφική παράσταση, αλλά υποδεικνύονται τα πιο σημαντικά σημεία του χαρακτηριστικού, για παράδειγμα, για τις ευρέως χρησιμοποιούμενες διόδους ανόρθωσης:

• Μέγιστο και μέγιστο ανορθωμένο ρεύμα.
• RMS και μέγιστη αντίστροφη τάση.
• Υψηλότερο αντίστροφο ρεύμα.
• Πτώση τάσης σε διαφορετικό μπροστινό ρεύμα.

Εκτός από τις υποδεικνυόμενες παραμέτρους, άλλες ιδιότητες δεν είναι λιγότερο σημαντικές: στατική αντίσταση, για παλμικές διόδους - συχνότητα αποκοπής, χωρητικότητα σύνδεσης p-n. Οι συσκευές ειδικού σκοπού έχουν επίσης συγκεκριμένα χαρακτηριστικά και διαφορετικό τύπο I-V χαρακτηριστικών της διόδου ημιαγωγών.

Ένας ξεχωριστός τύπος διόδου λειτουργεί στην περιοχή ηλεκτρικής βλάβης · χρησιμοποιούνται για τη σταθεροποίηση της τάσης - αυτές είναι δίοδοι zener. Το χαρακτηριστικό μιας διόδου zener διαφέρει από το χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης μιας διόδου από την απότομη προς τα κάτω κίνηση του αριστερού κλάδου του γραφήματος και τη μικρή απόκλιση από την κατακόρυφο. Αυτό το σημείο στον άξονα x ονομάζεται τάση σταθεροποίησης. Η δίοδος zener ενεργοποιείται μόνο με αντίσταση που περιορίζει το ρεύμα μέσω αυτής.

βίντεο

Wah-wah-wah... Συνήθως αυτές οι λέξεις χρησιμοποιούνται όταν λένε αστεία για Καυκάσιους))) Ζητώ από τους Καυκάσιους να μην προσβάλλονται - σέβομαι τον Καύκασο. Αλλά, όπως λένε, δεν μπορείς να σβήσεις λέξεις από ένα τραγούδι. Και στην περίπτωσή μας αυτή η λέξη έχει διαφορετική σημασία. Και δεν είναι καν λέξη, αλλά συντομογραφία.

CVC– αυτό είναι το χαρακτηριστικό βολτ-αμπέρ. Λοιπόν, σε αυτή την ενότητα μας ενδιαφέρει βολτ-αμπέρ χαρακτηριστικό μιας διόδου ημιαγωγών.

Η χαρακτηριστική καμπύλη ρεύματος-τάσης της διόδου φαίνεται στο Σχ. 6.

Ρύζι. 6. Χαρακτηριστικά I-V διόδου ημιαγωγών.

Το γράφημα δείχνει τα χαρακτηριστικά ρεύματος-τάσης για την πρόσθια και την αντίστροφη σύνδεση της διόδου. Λένε επίσης τους κλάδους προς τα εμπρός και προς τα πίσω του χαρακτηριστικού ρεύματος-τάσης. Ο άμεσος κλάδος (Ipr και Upr) εμφανίζει τα χαρακτηριστικά της διόδου όταν συνδέεται απευθείας (δηλαδή όταν εφαρμόζεται το "συν" στην άνοδο). Ο αντίστροφος κλάδος (Irev και Urev) εμφανίζει τα χαρακτηριστικά της διόδου όταν ενεργοποιείται αντίστροφα (δηλαδή όταν εφαρμόζεται το "μείον" στην άνοδο).

Στο Σχ. 6, η μπλε παχιά γραμμή είναι το χαρακτηριστικό μιας διόδου γερμανίου (Ge) και η μαύρη λεπτή γραμμή είναι το χαρακτηριστικό μιας διόδου πυριτίου (Si). Το σχήμα δεν δείχνει μονάδες μέτρησης για τους άξονες ρεύματος και τάσης, καθώς εξαρτώνται από τη συγκεκριμένη μάρκα διόδου.

Τι βλέπουμε στο γράφημα; Λοιπόν, πρώτα, ας ορίσουμε, όπως για κάθε επίπεδο σύστημα συντεταγμένων, τέσσερις γωνίες συντεταγμένων (τεταρτημόρια). Να θυμίσω ότι πρώτο τεταρτημόριο θεωρείται αυτό που βρίσκεται πάνω δεξιά (δηλαδή εκεί που έχουμε τα γράμματα Ge και Si). Στη συνέχεια, τα τεταρτημόρια μετρώνται αριστερόστροφα.

Άρα, τα II και IV τεταρτημόρια μας είναι άδεια. Αυτό συμβαίνει επειδή μπορούμε να ενεργοποιήσουμε τη δίοδο μόνο με δύο τρόπους - προς τα εμπρός ή προς τα πίσω. Μια κατάσταση είναι αδύνατη όταν, για παράδειγμα, ένα αντίστροφο ρεύμα ρέει μέσα από μια δίοδο και ταυτόχρονα ενεργοποιείται προς τα εμπρός, ή, με άλλα λόγια, είναι αδύνατο να εφαρμοστούν ταυτόχρονα και τα δύο "συν" και "πλην". σε μία έξοδο. Πιο συγκεκριμένα, είναι δυνατό, αλλά τότε θα είναι βραχυκύκλωμα))). Απομένουν μόνο δύο περιπτώσεις για εξέταση - απευθείας σύνδεση της διόδουΚαι εναλλαγή αντίστροφης διόδου.

Το γράφημα άμεσης σύνδεσης σχεδιάζεται στο πρώτο τεταρτημόριο. Αυτό δείχνει ότι όσο μεγαλύτερη είναι η τάση, τόσο μεγαλύτερο είναι το ρεύμα. Επιπλέον, μέχρι ένα ορισμένο σημείο, η τάση αυξάνεται ταχύτερα από το ρεύμα. Αλλά τότε εμφανίζεται ένα σημείο καμπής και η τάση παραμένει σχεδόν αμετάβλητη, αλλά το ρεύμα αρχίζει να αυξάνεται. Για τις περισσότερες διόδους, αυτό το σημείο καμπής εμφανίζεται στην περιοχή 0,5...1 V. Είναι αυτή η τάση που λέγεται ότι "πέφτει" σε όλη τη δίοδο. Δηλαδή, εάν συνδέσετε μια λάμπα σύμφωνα με το πρώτο διάγραμμα στο Σχ. 3, και η τάση της μπαταρίας σας είναι 9 V, τότε ο λαμπτήρας δεν θα λαμβάνει πλέον 9 V, αλλά 8,5 ή ακόμα και 8 (ανάλογα με τον τύπο της διόδου). Αυτό το 0,5...1 V είναι η πτώση τάσης στη δίοδο. Μια αργή αύξηση του ρεύματος σε τάση 0,5...1V σημαίνει ότι σε αυτό το τμήμα πρακτικά δεν ρέει ρεύμα μέσω της διόδου, ακόμη και προς την κατεύθυνση προς τα εμπρός.

Το γράφημα αντίστροφης μεταγωγής σχεδιάζεται στο τρίτο τεταρτημόριο. Από αυτό μπορεί να φανεί ότι σε μια σημαντική περιοχή το ρεύμα παραμένει σχεδόν αμετάβλητο και στη συνέχεια αυξάνεται σαν χιονοστιβάδα. Τι σημαίνει? Εάν ανάψετε τη λάμπα σύμφωνα με το δεύτερο διάγραμμα στο Σχ. 3, τότε δεν θα ανάψει, επειδή η δίοδος δεν περνά ρεύμα προς την αντίθετη κατεύθυνση (ακριβέστερα, όπως φαίνεται στο γράφημα, αλλά αυτό το ρεύμα είναι τόσο μικρό που η λάμπα δεν θα ανάψει). Αλλά η δίοδος δεν μπορεί να αντέξει την τάση επ 'αόριστον. Εάν αυξήσετε την τάση, για παράδειγμα, σε αρκετές εκατοντάδες βολτ, τότε αυτή η υψηλή τάση θα «διαπεράσει» τη δίοδο (δείτε το σημείο καμπής στον αντίστροφο κλάδο του γραφήματος) και το ρεύμα θα ρέει μέσω της δίοδος. Αλλά η "βλάβη" είναι μια μη αναστρέψιμη διαδικασία (για τις διόδους). Δηλαδή, μια τέτοια «βλάβη» θα οδηγήσει σε εξάντληση της διόδου και είτε θα σταματήσει εντελώς να περνάει ρεύμα προς οποιαδήποτε κατεύθυνση, είτε αντίστροφα - θα περάσει ρεύμα προς όλες τις κατευθύνσεις.

Τα χαρακτηριστικά συγκεκριμένων διόδων υποδεικνύουν πάντα τη μέγιστη αντίστροφη τάση - δηλαδή την τάση που μπορεί να αντέξει η δίοδος χωρίς "βλάβη" όταν ενεργοποιείται προς την αντίστροφη κατεύθυνση. Αυτό πρέπει να λαμβάνεται υπόψη κατά την ανάπτυξη συσκευών που χρησιμοποιούν διόδους.

Συγκρίνοντας τα χαρακτηριστικά των διόδων πυριτίου και γερμανίου, μπορούμε να συμπεράνουμε ότι στις συνδέσεις p-n μιας διόδου πυριτίου, τα εμπρός και τα αντίστροφα ρεύματα είναι μικρότερα από ό,τι σε μια δίοδο γερμανίου (στις ίδιες τιμές τάσης στους ακροδέκτες). Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το πυρίτιο έχει μεγαλύτερο διάκενο ζώνης και για να μετακινηθούν τα ηλεκτρόνια από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας, πρέπει να τους δοθεί περισσότερη πρόσθετη ενέργεια.