Hvilke fysiske fenomener bestemmer likeretteregenskapene til en diode. Halvlederdioder

Likeretter PP dioder. Designfunksjoner. CVC. Hovedparametere.

Ligninger av kollektorstrømmer for OB- og OE-svitsjekretser.

Gjeldende overføringskoeffisienter, deres relasjoner.

1. Likeretter PP dioder.

Likeretterdiode designet for å konvertere vekselspenning til likespenning. En ideell likeretter bør tillate strøm å passere ved en polaritet, men ikke ved den andre polariteten. Egenskapene til en halvlederdiode er nær egenskapene til en ideell likeretter, siden motstanden i foroverretningen avviker med flere størrelsesordener fra motstanden i motsatt retning. De viktigste ulempene med en halvlederdiode inkluderer: med forspenning, tilstedeværelsen av et område med lave strømmer i den innledende delen og en endelig motstand rs; hvis det motsatte skjer, er det et sammenbrudd.

Likeretterdioder er designet for å likerette lavfrekvent vekselstrøm (mindre enn 50 kHz).

Designfunksjoner.

I henhold til spredningsnivået makt dioder skilles ut:

lav effekt (utrettet strøm ikke mer enn 300 mA);

gjennomsnittlig effekt (likrettet strøm fra 400 mA til 10 A);

høy effekt (utrettet strøm mer enn 10 A);

Av design- punkt, plan.

Brukte halvledermaterialer: germanium, silisium, selen, titan.

Av produksjonsmetode: legering, diffusjon (Figur 1).

Ris. 1. Strukturer av likeretterdioder.

Figur 2. Eksempler på diodedesign.

Figur 2 viser eksempler på diodedesign med forskjellige motstander: (venstre-1,2-lav effekt) Rt = (100-200) °/W,
(høyre-3-gjennomsnittlig effekt) Rt = 1-10°/W.

Strømspenningskarakteristikk for en likeretterdiode.

Figur 3. I-V-karakteristikk for likeretterdioden.

I elektroteknisk analyse av kretser med dioder, er individuelle grener av strømspenningskarakteristikken representert som rette linjer, noe som gjør det mulig å representere dioden i form av forskjellige ekvivalente kretser. Valget av en eller annen diodeekvivalent krets bestemmes av de spesifikke betingelsene for analysen og beregningen av enheten inkludert dioder.

Figur 4.1.

Figur 4.2.

Driften av en diode for en aktiv last er vist i figur 4.1. Strømmen gjennom dioden er beskrevet ved dens strøm-spenningskarakteristikk id = f(ud), strømmen gjennom lastmotstanden, siden forbindelsen er i serie, vil være lik strømmen gjennom dioden id = in = i og for det er relasjonen i = (u(t) - ud)/Rn gyldig . Figur 4.2 viser, i samme skala, linjer som beskriver begge disse funksjonelle avhengighetene: diodens strøm-spenningskarakteristikk og lastkarakteristikk.

Figur 4.3.

Figur 4.3 viser at jo brattere diodekarakteristikk og jo mindre lavstrømssone (“hæl”), desto bedre likeretteregenskaper til dioden. Innføringen av driftspunktet i pre-breakdown-regionen fører ikke bare til frigjøring av høy effekt i dioden og dens mulige ødeleggelse, men også til tap av rettingsegenskaper.

Hovedparametere, som karakteriserer likeretterdioder, er

Maksimal foroverstrøm I pr maks (0,01…10 A);

Spenningsfall over dioden ved en gitt verdi av fremstrøm I pr

(U pr » 0,3...0,7 V for germaniumdioder og U pr » 0,8...1,2 V for silisiumdioder);

Maksimal tillatt konstant reversspenning for dioden er U arr max ;

Reversstrøm I arr ved en gitt reversspenning U arr (verdien av reversstrømmen til germaniumdioder er to til tre størrelsesordener større enn for silisiumdioder) (0,005...150 mA);

Barrierekapasitansen til en diode når en omvendt spenning av en viss størrelse påføres den;

Frekvensområdet der dioden kan fungere uten en betydelig reduksjon i den likerettede strømmen;

Driftstemperaturområde (germaniumdioder opererer i området

60...+70°C, silisium - i området -60...+150°C, som forklares av de lave reversstrømmene til silisiumdioder).

2. Ligninger av kollektorstrømmer.

For koblingskretsen med OB.

Uttrykket for den idealiserte utgangskarakteristikken i aktiv modus er:

Jeg TIL =α i E +I KB0 .

For koblingskretsen med OE.

Uttrykket for den idealiserte utgangskarakteristikken i aktiv modus er:

Jeg TIL =  Jeg B +I KE0 .

Hvis emitterkretsen er brutt, vil det under påvirkning av omvendt spenning på kollektoren flyte en omvendt strøm gjennom kollektorkrysset fra kollektoren til basen Jeg KB0. Verdien er gitt i referansedataene til transistoren.

Jeg KE0 =α· Jeg KB0- kalles den gjennomgående termiske strømmen til transistoren.

Felles emitter (CE) krets.

Et slikt diagram er vist i figur 5.

Ris. 5. Kretsskjema for tilkobling av transistor med felles emitter

De forsterkende egenskapene til en transistor er preget av en av hovedparametrene - den statiske basisstrømoverføringskoeffisienten eller den statiske strømforsterkningen β . Siden den kun skal karakterisere selve transistoren, bestemmes den i tomgangsmodus (Rk = 0).

Tallmessig er det lik:

ved U k-e = konst

Denne koeffisienten kan være lik tiere eller hundrevis, men den reelle koeffisienten k i er alltid mindre enn β, siden når belastningen slås på, synker kollektorstrømmen.

Common base (CB)-ordning.

OB-diagrammet er vist i figur 6.

Ris. 6. Tilkoblingskrets for transistor med felles base.

Den statiske strømoverføringskoeffisienten for OB-kretsen er betegnet α og bestemmes av:

ved U k-b = konst

Denne koeffisienten er alltid mindre enn 1 og jo nærmere den er 1, jo bedre er transistoren.

Forholdet for strømoverføringskoeffisientene for OB- og OE-kretsene har formen:

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

Koeffisient α > 1 og er 49 - 200.

En halvlederdiode er en halvlederenhet med ett p-n-kryss og to terminaler.

I henhold til deres funksjonelle formål skiller de seg ut:

1) Likeretterdioder.

2) Zenerdioder.

3) Puls- og høyfrekvente dioder.

4) Tunneldioder.

5) Varicaps.

Likeretterdioder designet for å likerette vekselstrøm med en frekvens på 50 Hz til likestrøm. Hovedegenskapen til elektron-hull-overgangen brukes - enveis ledningsevne.

Den består av ett p-n-kryss i et forseglet hus med to terminaler. Terminalen til det positive området kalles anoden, terminalen til det negative området kalles katoden.

Figur 19 viser strukturen til en likeretterdiode.

Figur 19 – Likeretterdiodestruktur

Dioden i elektriske kretser er angitt i samsvar med figur 20.

Figur 20 - Bilde av en diode i elektriske kretser

Grafen over forholdet mellom strøm og spenning kalles strøm-spenningskarakteristikk (volt-ampere karakteristikk). Likeretterdioden har en ikke-lineær strøm-spenningskarakteristikk.

Karakteristikken for direkte tilkobling av dioden har i utgangspunktet betydelig ikke-linearitet, fordi Når foroverspenningen øker, øker motstanden til barrierelaget gradvis. Ved en viss spenning forsvinner sperrelaget praktisk talt og da blir karakteristikken nesten lineær.

Når den slås på igjen, øker strømmen kraftig. Dette skjer på grunn av en kraftig økning i potensialbarrieren i pn-krysset, diffusjonsstrømmen avtar kraftig, og driftstrømmen øker. Men med en ytterligere økning i reversspenningen er økningen i strøm ubetydelig.

Figur 21 viser strøm-spenningskarakteristikken til likeretterdioden.

Figur 21 – I-V-karakteristikk for likeretterdioden

Parametrene til likeretterdioder er en verdi som karakteriserer de mest essensielle egenskapene til enheten.

Det er: statiske og begrensende parametere.

Statisk: Bestemmes av statiske egenskaper (se figur 22).

Figur 22 - Ytterligere konstruksjoner for å bestemme de statiske parameterne til likeretterdioden

1. Helning av strøm-spenningskarakteristikk:

S = DI/DU, mA/V

hvor DI – gjeldende økning;

DU – spenningsøkning.

Helningen til strøm-spenningskarakteristikken viser hvor mange milliampere strømmen vil endre seg når spenningen øker med 1 volt.

2. Diodens indre motstand mot vekselstrøm.

Ri = DU/DI, Ohm

3. Diodemotstand mot likestrøm.

R 0 = U/I, Ohm

Parametere for grensemodus:

Overskridelse fører til feil på enheten. Med disse parameterne i betraktning, er en elektrisk krets konstruert.

1. I PR.ADOP - tillatt verdi av foroverstrøm;

2. U REV.ADOP - tillatt verdi for reversspenning;

3. P RASS - tillatt effekttap.

Den største ulempen med alle halvlederenheter er avhengigheten av deres parametere på temperatur. Med økende temperatur øker konsentrasjonen av ladningsbærere og konduktiviteten til overgangen øker. Reversstrømmen øker kraftig. Når temperaturen øker, oppstår elektrisk sammenbrudd tidligere. Figur 23 viser effekten av temperatur på strøm-spenningskarakteristikken.

Figur 23 – Effekt av temperatur på diodens strøm-spenningskarakteristikk

Basert på en likeretterdiode kan du bygge en enkel halvbølge likeretterkrets (se figur 24).

Figur 24 - Diagram av en enkel likeretter

Kretsen består av en transformator T, som tjener til å konvertere den opprinnelige spenningen til en spenning med den nødvendige verdien; Likeretterdiode VD, som tjener til å likerette vekselstrøm, kondensator C, som tjener til å jevne ut krusninger og belaste Rn.

I fig. Figur 2.9 viser strøm-spenningskarakteristikken til en silisium-likeretterdiode ved forskjellige omgivelsestemperaturer.

Maksimalt tillatte fremstrømmer for silisiumplanare dioder av ulike typer er 0,1...1600 A. Spenningsfallet over diodene ved disse strømmene overstiger vanligvis ikke 1,5 V. Ved økende temperatur avtar foroverspenningsfallet, noe som er forbundet med en reduksjon i høyden på den potensielle barrieren

p–n-overgang og med omfordeling av ladningsbærere på tvers av energinivåer.

Den omvendte grenen av strøm-spenningskarakteristikken til silisiumdioder har ikke en metningsdel av reversstrømmen, fordi reversstrøm i silisiumdioder er forårsaket av prosessen med å generere ladningsbærere inn p–n-overgang. Nedbrytningen av silisiumdioder har en skredkarakter. Derfor øker sammenbruddsspenningen med økende temperatur. For noen typer silisiumdioder ved romtemperatur kan brytespenningen være 1500...2000 V.

Driftstemperaturområdet for silisiumlikeretterdioder er begrenset til – 60...+125 C. Den nedre grensen for driftstemperaturer skyldes forskjellen i temperaturkoeffisienten for lineær utvidelse av forskjellige diodedesignelementer: ved lave temperaturer oppstår mekaniske påkjenninger, noe som kan føre til sprekkdannelse i krystallen. Når temperaturen synker, er det også nødvendig å ta hensyn til økningen i foroverspenningsfallet over dioden, som oppstår på grunn av en økning i høyden på potensialbarrieren med p–n-overgang.

Den øvre grensen for driftstemperaturområdet til likeretterdioder bestemmes av en kraftig forringelse av likeretting på grunn av en økning i omvendt strøm - dette skyldes termisk generering av ladningsbærere som et resultat av ionisering av halvlederatomer. Basert på dette er den øvre grensen for driftstemperaturområdet til silisium likeretterdioder, som de fleste andre halvlederenheter, assosiert med båndgapet til kildehalvledermaterialet.

I fig. Figur 2.10 viser strøm-spenningskarakteristikken til en germanium likeretterdiode ved forskjellige omgivelsestemperaturer.

Foroverspenningen på en germaniumdiode ved maksimal tillatt fremstrøm er nesten to ganger mindre enn på en silisiumdiode. Dette skyldes den lavere høyden på den potensielle barrieren for germaniumovergangen, noe som er en fordel, men dessverre den eneste.

Germaniumdioder er preget av eksistensen av en omvendt metningsstrøm, som er assosiert med mekanismen for dannelse av omvendt strøm - prosessen med utvinning av minoritetsladningsbærere.

Den omvendte strømtettheten i germaniumdioder er mye høyere, fordi Alt annet likt er konsentrasjonen av minoritetsladningsbærere i germanium flere størrelsesordener høyere enn i silisium. Dette fører til det faktum at for germaniumdioder er sammenbruddet termisk av natur. Derfor synker sammenbruddsspenningen med økende temperatur, og verdiene til denne spenningen er mindre enn sammenbruddsspenningen til silisiumdioder.

Den øvre grensen for driftstemperaturområdet til germaniumdioder er omtrent 75 C.

En vesentlig egenskap ved germaniumdioder og deres ulempe er at de ikke tåler selv svært kortvarige pulsoverbelastninger med revers bias p–n-overgang. Dette bestemmes av sammenbruddsmekanismen - termisk sammenbrudd, som oppstår når strømmen blir trukket med utgivelsen av en stor spesifikk kraft ved sammenbruddspunktet.

De oppførte egenskapene til silisium- og germanium-likeretterdioder er assosiert med forskjellen i båndgapet til de originale halvlederne. Fra denne sammenligningen er det klart at likeretterdioder med større båndgap har betydelige fordeler i egenskaper og parametere. En slik representant er galliumarsenid.

Foreløpig er industrielt produserte galliumarsenid likeretterdioder fortsatt langt fra å være optimale. For eksempel har en diode av type AD112A en maksimal tillatt fremstrøm på 300 mA ved en fremspenning på 3 V. En stor foroverspenning er en ulempe for alle likeretterdioder, p–n- overganger som er dannet i et materiale med et bredt båndgap. Maksimal tillatt reversspenning for denne dioden er –50 V. Dette er mest sannsynlig på grunn av det faktum at i regionen p–n-overgang er det en stor konsentrasjon av defekter på grunn av ufullkommen teknologi.

Fordelene med galliumarsenid likeretterdioder er et bredt spekter av driftstemperaturer og bedre frekvensegenskaper. Den øvre grensen for driftstemperaturer for AD112A dioder er 250 C. AD110A galliumarseniddioder kan operere i laveffekt likerettere opp til en frekvens på 1 MHz, noe som sikres av den korte levetiden til ladningsbærere i dette materialet.

Konklusjoner:

1. Med økende temperatur øker reversstrømmen i germanium likeretterdioder kraftig på grunn av økningen i termisk strøm.

2. Silisiumdioder har svært lav termisk strøm og kan derfor operere ved høyere temperaturer og med mindre omvendt strøm enn germaniumdioder.

3. Silisiumdioder kan operere med betydelig høyere reversspenninger enn germaniumdioder. Den maksimalt tillatte konstante reversspenningen for silisiumdioder øker med økende temperatur til en maksimal verdi, mens den for germaniumdioder synker kraftig.

4. På grunn av disse fordelene er likeretterdioder for tiden hovedsakelig laget av silisium.

En diode er et ikke-lineært passivt element, den enkleste enheten basert på en halvleder med ett p-n-kryss og to terminaler. Det er en av hovedkomponentene i elektroniske enheter. Uten å fordype seg i fysikken til prosessene som skjer i halvlederstrukturer, bør det bemerkes at hovedformålet er å sende strøm i én retning. Terminalene til dioden kalles anode og katode; pilen i betegnelsen er anoden, og den indikerer også retningen til strømmen.

Egenskaper og strøm-spenningsegenskaper

Hvis en positiv spenning påføres anoden, blir dioden åpen, og den kan betraktes som en leder som fungerer i "én retning"; når polariteten endres (negativ spenning ved anoden), lukkes dioden. Det skal bemerkes at passering av strøm i foroverretningen forårsaker en liten reduksjon i spenningen ved katoden, forårsaket av konduktivitetsegenskapene til halvledere. Spenningsfallet for forskjellige typer enheter er 0,3-0,8 volt, i de fleste tilfeller kan det neglisjeres.

Diodens oppførsel ved forskjellige verdier av den flytende strømmen, størrelsen og polariteten til den påførte spenningen presenteres i grafform som strømspenningskarakteristikken til en halvlederdiode.

Den delen av grafen som er plassert i øvre høyre del tilsvarer retningen forover til strømmen. Jo nærmere denne grenen er den vertikale aksen, jo lavere er spenningsfallet over dioden; dens helning indikerer denne verdien ved forskjellige strømmer. For en ideell diode har den ingen helling og faller nesten sammen med ordinataksen, men en ekte halvleder kan ikke ha slike egenskaper.

Nedre venstre kvadrant viser avhengigheten av strømmen på spenningen med omvendt polaritet - i lukket tilstand. Reversstrømmen for enheter for generelle formål er forsvinnende liten; den tas ikke i betraktning før øyeblikket av sammenbrudd - reversspenningen øker til en verdi som er uakseptabel for en bestemt type. De fleste dioder kan ikke fungere ved denne spenningen, temperaturen øker betydelig, og enheten svikter til slutt. Spenningen der det er en sannsynlighet for sammenbrudd kalles omvendt topp; den er vanligvis flere ganger høyere enn driftsspenningen; dokumentasjonen indikerer tillatt tid - innen mikrosekunder.

For å måle parametere brukes en elementær krets med direkte og omvendt tilkobling av dioder.

I tekniske beskrivelser er volt-ampere-karakteristikken til en diode vanligvis ikke gitt i en grafisk representasjon, men de viktigste punktene i karakteristikken er angitt, for eksempel, for vanlig brukte likeretterdioder:

• Maksimal og topp likerettet strøm;
• RMS og topp reversspenning;
• Høyeste reversstrøm;
• Spenningsfall ved forskjellig fremstrøm.

I tillegg til de angitte parametrene er andre egenskaper ikke mindre viktige: statisk motstand, for pulserende dioder - grensefrekvens, p-n-kryss-kapasitans. Spesielle enheter har også spesifikke egenskaper og en annen type I-V-karakteristikk for halvlederdioden.

En egen type diode fungerer i området for elektrisk sammenbrudd; de brukes til å stabilisere spenning - disse er zenerdioder. Karakteristikken til en zenerdiode skiller seg fra strømspenningskarakteristikken til en diode ved den skarpe nedadgående bevegelsen til venstre gren av grafen og dens lille avvik fra vertikalen. Dette punktet på x-aksen kalles stabiliseringsspenning. Zenerdioden slås kun på med en motstand som begrenser strømmen gjennom den.

Video

Wah-wah-wah... Vanligvis brukes disse ordene når man forteller vitser om kaukasiere))) Jeg ber kaukasiere om ikke å bli fornærmet - jeg respekterer Kaukasus. Men som de sier, du kan ikke slette ord fra en sang. Og i vårt tilfelle har dette ordet en annen betydning. Og det er ikke engang et ord, men en forkortelse.

CVC– dette er volt-ampere-karakteristikken. Vel, i denne delen er vi interessert i volt-ampere karakteristikk for en halvlederdiode.

Diodens strøm-spenningskarakteristikk er vist i fig. 6.

Ris. 6. I-V-karakteristikker til en halvlederdiode.

Grafen viser strøm-spenningskarakteristikkene for forover- og bakoverkobling av dioden. De sier også for- og bakgrenene til strømspenningskarakteristikken. Den direkte grenen (Ipr og Upr) viser egenskapene til dioden når den er koblet direkte (det vil si når "pluss" brukes på anoden). Den omvendte grenen (Irev og Urev) viser egenskapene til dioden når den er slått på i revers (det vil si når "minus" brukes på anoden).

I fig. 6 er den blå tykke linjen karakteristikken til en germaniumdiode (Ge), og den svarte tynne linjen er karakteristikken til en silisiumdiode (Si). Figuren viser ikke måleenheter for strøm- og spenningsaksene, siden de avhenger av det spesifikke diodemerket.

Hva ser vi på grafen? Vel, først, la oss definere, som for ethvert flatt koordinatsystem, fire koordinatvinkler (kvadranter). La meg minne deg på at den første kvadranten anses å være den som ligger øverst til høyre (det vil si der vi har bokstavene Ge og Si). Deretter telles kvadrantene mot klokken.

Så våre II- og IV-kvadranter er tomme. Dette er fordi vi bare kan slå på dioden på to måter - forover eller bakover. En situasjon er umulig når for eksempel en omvendt strøm flyter gjennom en diode og den samtidig slås på i foroverretningen, eller med andre ord, det er umulig å bruke både "pluss" og "minus" samtidig. til én utgang. Mer presist er det mulig, men da blir det en kortslutning))). Det er bare to saker igjen å vurdere - direkte tilkobling av dioden Og reversering av diode.

Den direkte forbindelsesgrafen tegnes i første kvadrant. Dette viser at jo større spenning, jo større strøm. Dessuten, opp til et visst punkt, øker spenningen raskere enn strømmen. Men så oppstår et vendepunkt, og spenningen forblir nesten uendret, men strømmen begynner å øke. For de fleste dioder skjer dette vendepunktet i området 0,5...1 V. Det er denne spenningen som sies å "falle" over dioden. Det vil si at hvis du kobler til en lyspære i henhold til det første diagrammet i fig. 3, og batterispenningen din er 9 V, vil lyspæren ikke lenger motta 9 V, men 8,5 eller til og med 8 (avhengig av type diode). Denne 0,5...1 V er spenningsfallet over dioden. En langsom økning i strøm til en spenning på 0,5...1V betyr at det i denne seksjonen praktisk talt ikke flyter gjennom dioden, selv i foroverretningen.

Grafen for omvendt bytte er tegnet i tredje kvadrant. Av dette kan man se at over et betydelig område forblir strømmen nesten uendret, for så å øke som et snøskred. Hva betyr det? Hvis du slår på lyspæren i henhold til det andre diagrammet i fig. 3, så vil den ikke lyse, fordi dioden ikke sender strøm i motsatt retning (nærmere bestemt gjør den det, som man kan se i grafen, men denne strømmen er så liten at lampen ikke vil lyse). Men dioden tåler ikke spenningen på ubestemt tid. Hvis du øker spenningen, for eksempel til flere hundre volt, vil denne høyspenningen "bryte gjennom" dioden (se bøyningspunktet på den motsatte grenen av grafen) og strøm vil flyte gjennom dioden. Men "sammenbrudd" er en irreversibel prosess (for dioder). Det vil si at et slikt "sammenbrudd" vil føre til utbrenthet av dioden, og det vil enten slutte helt å passere strøm i alle retninger, eller omvendt - det vil føre strøm i alle retninger.

Egenskapene til spesifikke dioder indikerer alltid den maksimale reversspenningen - det vil si spenningen som dioden kan tåle uten "sammenbrudd" når den er slått på i motsatt retning. Dette må tas i betraktning når man utvikler enheter som bruker dioder.

Ved å sammenligne egenskapene til silisium- og germaniumdioder kan vi konkludere med at i p-n-kryssene til en silisiumdiode er forover- og reversstrømmene mindre enn i en germaniumdiode (med samme spenningsverdier ved terminalene). Dette skyldes det faktum at silisium har et større båndgap og for at elektroner skal bevege seg fra valensbåndet til ledningsbåndet, må de gis mer ekstra energi.