Quais fenômenos físicos determinam as propriedades retificadoras de um diodo. Diodos semicondutores

Diodos retificadores PP. Características de design. CVC. Parâmetros principais.

Equações de correntes de coletor para circuitos de comutação OB e OE.

Coeficientes de transferência atuais, suas relações.

1. Diodos PP retificadores.

Diodo retificador projetado para converter tensão alternada em tensão contínua. Um retificador ideal deveria permitir que a corrente passasse em uma polaridade, mas não na outra polaridade. As propriedades de um diodo semicondutor são próximas às propriedades de um retificador ideal, uma vez que sua resistência na direção direta difere em várias ordens de grandeza da resistência na direção reversa. As principais desvantagens de um diodo semicondutor incluem: com polarização direta, a presença de uma região de baixas correntes na seção inicial e uma resistência final rs; se ocorrer o contrário, há um colapso.

Os diodos retificadores são projetados para retificar corrente alternada de baixa frequência (menos de 50 kHz).

Características de design.

De acordo com o nível de dissipação poder diodos são diferenciados:

baixa potência (corrente retificada não superior a 300 mA);

potência média (corrente retificada de 400 mA a 10 A);

alta potência (corrente retificada superior a 10 A);

Por projetos- ponto, plano.

Materiais semicondutores usados: germânio, silício, selênio, titânio.

Por método de fabricação: liga, difusão (Figura 1).

Arroz. 1. Estruturas de diodos retificadores.

Figura 2. Exemplos de projeto de diodo.

A Figura 2 mostra exemplos de projetos de diodos com diferentes resistências: (esquerda-1,2-baixa potência) Rt = (100-200) °/W,
(direita-3-potência média) Rt = 1-10°/W.

Característica corrente-tensão de um diodo retificador.

Figura 3. Características IV do diodo retificador.

Na análise de engenharia elétrica de circuitos com diodos, os ramos individuais da característica corrente-tensão são representados como linhas retas, o que permite representar o diodo na forma de vários circuitos equivalentes. A escolha de um ou outro circuito equivalente de diodo é determinada pelas condições específicas de análise e cálculo do dispositivo incluindo diodos.

Figura 4.1.

Figura 4.2.

A operação de um diodo para uma carga ativa é mostrada na Figura 4.1. A corrente através do diodo é descrita por sua característica corrente-tensão id = f(ud), a corrente através da resistência de carga, como a conexão é em série, será igual à corrente através do diodo id = in = i e para se a relação em = (u(t) - ud)/Rn é válida. A Figura 4.2 mostra, na mesma escala, linhas que descrevem ambas as dependências funcionais: a característica corrente-tensão do diodo e a característica de carga.

Figura 4.3.

A Figura 4.3 mostra que quanto mais acentuada for a característica do diodo e quanto menor for a zona de baixa corrente (“calcanhar”), melhores serão as propriedades de retificação do diodo. A entrada do ponto de operação na região de pré-quebra leva não só à liberação de alta potência no diodo e sua possível destruição, mas também à perda das propriedades retificadoras.

Parâmetros principais, caracterizando diodos retificadores, são

Corrente direta máxima I pr max (0,01…10 A);

Queda de tensão no diodo em um determinado valor de corrente direta I pr

(U pr » 0,3...0,7 V para diodos de germânio e U pr » 0,8...1,2 V para diodos de silício);

A tensão reversa constante máxima permitida do diodo é U arr max;

Corrente reversa I arr em uma determinada tensão reversa U arr (o valor da corrente reversa dos diodos de germânio é duas a três ordens de grandeza maior que a dos diodos de silício) (0,005...150 mA);

A capacitância de barreira de um diodo quando uma tensão reversa de certa magnitude é aplicada a ele;

A faixa de frequência na qual o diodo pode operar sem redução significativa da corrente retificada;

Faixa de temperatura operacional (os diodos de germânio operam na faixa

60...+70°C, silício - na faixa -60...+150°C, o que é explicado pelas baixas correntes reversas dos diodos de silício).

2. Equações das correntes de coletor.

Para o circuito de conexão com OB.

A expressão para a característica de saída idealizada no modo ativo é:

eu PARA =α eu E +eu KB0 .

Para o circuito de conexão com OE.

A expressão para a característica de saída idealizada no modo ativo é:

eu PARA =  eu B +eu KE0 .

Se o circuito emissor estiver quebrado, sob a influência da tensão reversa no coletor, uma corrente reversa fluirá através da junção do coletor do coletor para a base EU KB0. Seu valor é dado nos dados de referência do transistor.

EU KE0 =α· EU KB0- é chamada de corrente térmica direta do transistor.

Circuito emissor comum (CE).

Esse diagrama é mostrado na Figura 5.

Arroz. 5. Diagrama de circuito para conectar um transistor com um emissor comum

As propriedades amplificadoras de um transistor são caracterizadas por um de seus parâmetros principais - o coeficiente de transferência de corrente de base estática ou o ganho de corrente estática β . Como deve caracterizar apenas o próprio transistor, ele é determinado em modo sem carga (Rk = 0).

Numericamente é igual a:

em U k-e = const

Este coeficiente pode ser igual a dezenas ou centenas, mas o coeficiente real k i é sempre menor que β, pois quando a carga é ligada a corrente do coletor diminui.

Esquema de base comum (CB).

O diagrama OB é mostrado na Figura 6.

Arroz. 6. Circuito de conexão para um transistor com base comum.

O coeficiente de transferência de corrente estática para o circuito OB é denotado α e é determinado por:

em U k-b = const

Este coeficiente é sempre menor que 1 e quanto mais próximo de 1, melhor é o transistor.

As relações para os coeficientes de transferência de corrente para os circuitos OB e OE têm a forma:

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

Coeficiente α > 1 e é 49 - 200.

Um diodo semicondutor é um dispositivo semicondutor com uma junção pn e dois terminais.

De acordo com a sua finalidade funcional distinguem-se:

1) Diodos retificadores.

2) Diodos Zener.

3) Diodos de pulso e de alta frequência.

4) Diodos túnel.

5) Varicaps.

Diodos retificadores projetado para retificar corrente alternada com frequência de 50 Hz em corrente contínua. A principal propriedade da transição elétron-buraco é usada - condutividade unidirecional.

Consiste em uma junção p-n em um invólucro selado com dois terminais. O terminal da região positiva é denominado ânodo, o terminal da região negativa é denominado cátodo.

A Figura 19 mostra a estrutura de um diodo retificador.

Figura 19 – Estrutura do diodo retificador

O diodo em circuitos elétricos é designado de acordo com a Figura 20.

Figura 20 – Imagem de um diodo em circuitos elétricos

O gráfico da relação entre corrente e tensão é chamado de característica corrente-tensão (característica volt-ampère). O diodo retificador possui uma característica corrente-tensão não linear.

A característica para conexão direta do diodo inicialmente apresenta não linearidade significativa, pois À medida que a tensão direta aumenta, a resistência da camada de barreira aumenta gradualmente. A uma determinada tensão, a camada de barreira praticamente desaparece e então a característica torna-se quase linear.

Quando ligado novamente, a corrente aumenta acentuadamente. Isso ocorre devido a um aumento acentuado na barreira de potencial na junção pn, a corrente de difusão diminui drasticamente e a corrente de deriva aumenta. No entanto, com um aumento adicional na tensão reversa, o aumento na corrente é insignificante.

A Figura 21 mostra a característica corrente-tensão do diodo retificador.

Figura 21 – Características I-V do diodo retificador

Os parâmetros dos diodos retificadores são um valor que caracteriza as propriedades mais essenciais do dispositivo.

Existem: parâmetros estáticos e limitantes.

Estático: Determinado pelas características estáticas (ver Figura 22).

Figura 22 - Construções adicionais para determinação dos parâmetros estáticos do diodo retificador

1. Inclinação da característica corrente-tensão:

S = DI/DU, mA/V

onde DI – incremento de corrente;

DU – incremento de tensão.

A inclinação da característica corrente-tensão mostra quantos miliamperes a corrente mudará quando a tensão aumentar em 1 volt.

2. Resistência interna do diodo à corrente alternada.

Ri = DU/DI, Ohm

3. Resistência do diodo à corrente contínua.

R 0 = U/I, Ohm

Parâmetros do modo limite:

Excedê-los leva à falha do dispositivo. Levando em consideração esses parâmetros, um circuito elétrico é construído.

1. I PR.ADOP - valor permitido da corrente direta;

2. U REV.ADOP - valor permitido de tensão reversa;

3. P RASS - dissipação de potência permitida.

A principal desvantagem de todos os dispositivos semicondutores é a dependência de seus parâmetros da temperatura. Com o aumento da temperatura, a concentração de portadores de carga aumenta e a condutividade da transição aumenta. A corrente reversa aumenta muito. À medida que a temperatura aumenta, a falha elétrica ocorre mais cedo. A Figura 23 mostra o efeito da temperatura na característica corrente-tensão.

Figura 23 – Efeito da temperatura na característica corrente-tensão do diodo

Com base em um diodo retificador, você pode construir um circuito retificador simples de meia onda (veja a Figura 24).

Figura 24 – Diagrama de um retificador simples

O circuito consiste em um transformador T, que serve para converter a tensão original em uma tensão do valor requerido; Diodo retificador VD, que serve para retificar a corrente alternada, capacitor C, que serve para suavizar as ondulações e carregar Rn.

Na Fig. A Figura 2.9 mostra a característica corrente-tensão de um diodo retificador de silício em diferentes temperaturas ambientes.

As correntes diretas máximas permitidas de diodos planares de silício de vários tipos são 0,1...1600 A. A queda de tensão nos diodos nessas correntes geralmente não excede 1,5 V. Com o aumento da temperatura, a queda de tensão direta diminui, o que está associado a uma diminuição na altura da barreira potencial

p-n-transição e com a redistribuição de portadores de carga entre níveis de energia.

O ramo reverso da característica corrente-tensão dos diodos de silício não possui uma seção de saturação da corrente reversa, porque a corrente reversa em diodos de silício é causada pelo processo de geração de portadores de carga em p-n-transição. A quebra dos diodos de silício tem um caráter de avalanche. Portanto, a tensão de ruptura aumenta com o aumento da temperatura. Para alguns tipos de diodos de silício à temperatura ambiente, a tensão de ruptura pode ser de 1.500...2.000 V.

A faixa de temperatura operacional para diodos retificadores de silício é limitada a – 60…+125 C. O limite inferior das temperaturas de operação se deve à diferença nos coeficientes de temperatura de expansão linear dos vários elementos estruturais do diodo: em baixas temperaturas surgem tensões mecânicas, que podem levar à rachadura do cristal. À medida que a temperatura diminui, também é necessário levar em consideração o aumento da queda de tensão direta no diodo, que ocorre devido ao aumento da altura da barreira de potencial em p-n-transição.

O limite superior da faixa de temperatura operacional dos diodos retificadores é determinado por uma acentuada deterioração na retificação devido a um aumento na corrente reversa - isso se deve à geração térmica de portadores de carga como resultado da ionização de átomos semicondutores. Com base nisso, o limite superior da faixa de temperatura operacional dos diodos retificadores de silício, como a maioria dos outros dispositivos semicondutores, está associado ao bandgap do material semicondutor de origem.

Na Fig. A Figura 2.10 mostra a característica corrente-tensão de um diodo retificador de germânio em diferentes temperaturas ambientes.

A tensão direta em um diodo de germânio na corrente direta máxima permitida é quase duas vezes menor do que em um diodo de silício. Isto se deve à menor altura da barreira potencial de transição do germânio, o que é uma vantagem, mas, infelizmente, a única.

Os diodos de germânio são caracterizados pela existência de uma corrente de saturação reversa, que está associada ao mecanismo de formação da corrente reversa - processo de extração de portadores de carga minoritários.

A densidade de corrente reversa em diodos de germânio é muito maior, porque Ceteris paribus, a concentração de portadores de carga minoritários no germânio é várias ordens de grandeza maior do que no silício. Isto leva ao fato de que, para os diodos de germânio, a ruptura é de natureza térmica. Portanto, a tensão de ruptura diminui com o aumento da temperatura, e os valores desta tensão são menores que a tensão de ruptura dos diodos de silício.

O limite superior da faixa de temperatura operacional dos diodos de germânio é de cerca de 75 C.

Uma característica essencial dos diodos de germânio e sua desvantagem é que eles não suportam nem mesmo sobrecargas de pulso de muito curto prazo com polarização reversa. p-n-transição. Isso é determinado pelo mecanismo de ruptura - ruptura térmica, que ocorre quando a corrente é ligada à liberação de uma grande potência específica no ponto de ruptura.

As características listadas dos diodos retificadores de silício e germânio estão associadas à diferença no band gap dos semicondutores originais. A partir desta comparação fica claro que os diodos retificadores com um gap maior têm vantagens significativas em propriedades e parâmetros. Um desses representantes é o arsenieto de gálio.

Atualmente, os diodos retificadores de arsenieto de gálio produzidos industrialmente ainda estão longe de serem ideais. Por exemplo, um diodo do tipo AD112A tem uma corrente direta máxima permitida de 300 mA a uma tensão direta de 3 V. Uma grande tensão direta é uma desvantagem de todos os diodos retificadores, p-n- cujas transições são formadas em um material com um amplo bandgap. A tensão reversa máxima permitida para este diodo é –50 V. Isso provavelmente se deve ao fato de que na região p-n-transição há uma grande concentração de defeitos devido à tecnologia imperfeita.

As vantagens dos diodos retificadores de arsenieto de gálio são uma ampla faixa de temperaturas operacionais e melhores propriedades de frequência. O limite superior de temperaturas operacionais para diodos AD112A é 250 C. Os diodos de arsenieto de gálio AD110A podem operar em retificadores de baixa potência até uma frequência de 1 MHz, o que é garantido pela curta vida útil dos portadores de carga neste material.

Conclusões:

1. Com o aumento da temperatura, a corrente reversa nos diodos retificadores de germânio aumenta acentuadamente devido ao aumento da corrente térmica.

2. Os diodos de silício têm corrente térmica muito baixa e podem, portanto, operar em temperaturas mais altas e com menos corrente reversa do que os diodos de germânio.

3. Os diodos de silício podem operar com tensões reversas significativamente mais altas do que os diodos de germânio. A tensão reversa constante máxima permitida para diodos de silício aumenta com o aumento da temperatura até um valor máximo, enquanto para diodos de germânio ela cai drasticamente.

4. Devido a essas vantagens, os diodos retificadores são atualmente feitos principalmente de silício.

Um diodo é um elemento passivo não linear, o dispositivo mais simples baseado em um semicondutor com uma junção pn e dois terminais. É um dos principais componentes dos dispositivos eletrônicos. Sem nos aprofundarmos na física dos processos que ocorrem nas estruturas semicondutoras, deve-se notar que seu principal objetivo é passar a corrente em uma direção. Os terminais do diodo são chamados ânodo e cátodo, a seta na designação é o ânodo e também indica a direção da corrente.

Propriedades e características de corrente-tensão

Se uma tensão positiva for aplicada ao ânodo, o diodo fica aberto, podendo ser considerado como um condutor que funciona em “uma direção”; quando a polaridade muda (tensão negativa no ânodo), o diodo é fechado. Deve-se notar que a passagem da corrente no sentido direto provoca uma ligeira diminuição da tensão no cátodo, causada pelas características de condutividade dos semicondutores. A queda de tensão para diferentes tipos de dispositivos é de 0,3-0,8 volts, na maioria dos casos pode ser desprezada.

O comportamento do diodo em diferentes valores da corrente de fluxo, magnitude e polaridade da tensão aplicada é apresentado em forma de gráfico como a característica corrente-tensão de um diodo semicondutor.

A parte do gráfico localizada na parte superior direita corresponde ao sentido direto da corrente. Quanto mais próximo este ramo estiver do eixo vertical, menor será a queda de tensão no diodo; sua inclinação indica esse valor em diferentes correntes. Para um diodo ideal, ele não possui inclinação e quase coincide com o eixo das ordenadas, mas um semicondutor real não pode ter tais características.

O quadrante inferior esquerdo mostra a dependência da corrente na tensão de polaridade reversa - no estado fechado. A corrente reversa para dispositivos de uso geral é extremamente pequena; não é levada em consideração até o momento da falha - a tensão reversa aumenta para um valor inaceitável para um tipo específico. A maioria dos diodos não consegue operar nesta tensão, a temperatura aumenta significativamente e o dispositivo finalmente falha. A tensão na qual há probabilidade de quebra é chamada de pico reverso; geralmente é várias vezes maior que a tensão de operação; a documentação indica o tempo permitido - dentro de microssegundos.

Para medir os parâmetros, é utilizado um circuito elementar com conexão direta e reversa de diodos.

Nas descrições técnicas, a característica volt-ampère de um diodo geralmente não é fornecida em representação gráfica, mas os pontos mais significativos da característica são indicados, por exemplo, para diodos retificadores comumente usados:

• Corrente retificada máxima e de pico;
• RMS e tensão reversa de pico;
• Maior corrente reversa;
• Queda de tensão em diferentes correntes diretas.

Além dos parâmetros indicados, outras propriedades não são menos importantes: resistência estática, para diodos pulsados ​​​​- frequência de corte, capacitância de junção p-n. Dispositivos para fins especiais também possuem características específicas e um tipo diferente de característica IV do diodo semicondutor.

Um tipo separado de diodo atua na área de falha elétrica; eles são usados ​​​​para estabilizar a tensão - são os diodos zener. A característica de um diodo zener difere da característica corrente-tensão de um diodo pelo movimento descendente acentuado do ramo esquerdo do gráfico e seu pequeno desvio da vertical. Este ponto no eixo x é chamado de tensão de estabilização. O diodo zener é ligado apenas por um resistor que limita a corrente que passa por ele.

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CVC– esta é a característica volt-ampère. Bem, nesta seção estamos interessados ​​em característica volt-ampere de um diodo semicondutor.

A curva característica corrente-tensão do diodo é mostrada na Fig. 6.

Arroz. 6. Características IV de um diodo semicondutor.

O gráfico mostra as características de corrente-tensão para conexão direta e reversa do diodo. Eles também dizem os ramos direto e reverso da característica corrente-tensão. O ramal direto (Ipr e Upr) exibe as características do diodo quando conectado diretamente (ou seja, quando “mais” é aplicado ao ânodo). O ramo reverso (Irev e Urev) exibe as características do diodo quando ligado ao contrário (ou seja, quando “menos” é aplicado ao ânodo).

Na Fig. 6, a linha azul grossa é a característica de um diodo de germânio (Ge), e a linha preta fina é a característica de um diodo de silício (Si). A figura não mostra unidades de medida para os eixos de corrente e tensão, pois dependem da marca específica do diodo.

O que vemos no gráfico? Bem, primeiro, vamos definir, como para qualquer sistema de coordenadas planas, quatro ângulos de coordenadas (quadrantes). Deixe-me lembrar que o primeiro quadrante é aquele localizado no canto superior direito (ou seja, onde estão as letras Ge e Si). A seguir, os quadrantes são contados no sentido anti-horário.

Portanto, nossos quadrantes II e IV estão vazios. Isso ocorre porque só podemos ligar o diodo de duas maneiras – direta ou reversa. Uma situação é impossível quando, por exemplo, uma corrente reversa flui através de um diodo e ao mesmo tempo ele é ligado no sentido direto, ou, em outras palavras, é impossível aplicar simultaneamente “mais” e “menos” para uma saída. Mais precisamente, é possível, mas então será um curto-circuito))). Restam apenas dois casos a considerar - conexão direta do diodo E comutação reversa de diodo.

O gráfico de conexão direta é desenhado no primeiro quadrante. Isso mostra que quanto maior a tensão, maior a corrente. Além disso, até certo ponto, a tensão aumenta mais rápido que a corrente. Mas então ocorre um ponto de inflexão e a tensão permanece quase inalterada, mas a corrente começa a aumentar. Para a maioria dos diodos, esse ponto de inflexão ocorre na faixa de 0,5...1 V. É essa tensão que “cai” no diodo. Isto é, se você conectar uma lâmpada de acordo com o primeiro diagrama da Fig. 3, e a tensão da bateria for 9 V, a lâmpada não receberá mais 9 V, mas 8,5 ou até 8 (dependendo do tipo de diodo). Este 0,5...1 V é a queda de tensão no diodo. Um aumento lento na corrente para uma tensão de 0,5...1V significa que nesta seção praticamente não há corrente fluindo através do diodo, mesmo na direção direta.

O gráfico de comutação reversa é desenhado no terceiro quadrante. A partir disso, pode-se ver que em uma área significativa a corrente permanece quase inalterada e depois aumenta como uma avalanche. O que isso significa? Se você acender a lâmpada de acordo com o segundo diagrama da Fig. 3, então não acenderá, pois o diodo não passa corrente no sentido oposto (mais precisamente, passa, como pode ser visto no gráfico, mas essa corrente é tão pequena que a lâmpada não acende). Mas o diodo não pode suportar a tensão indefinidamente. Se você aumentar a tensão, por exemplo, para várias centenas de volts, então essa alta tensão “romperá” o diodo (veja o ponto de inflexão no ramo reverso do gráfico) e a corrente fluirá através do diodo. Mas o “colapso” é um processo irreversível (para diodos). Ou seja, tal “quebra” levará à queima do diodo e ele irá parar completamente de passar a corrente em qualquer direção, ou vice-versa – ele irá passar a corrente em todas as direções.

As características de diodos específicos sempre indicam a tensão reversa máxima - ou seja, a tensão que o diodo pode suportar sem “quebra” quando ligado na direção reversa. Isso deve ser levado em consideração no desenvolvimento de dispositivos que utilizam diodos.

Comparando as características dos diodos de silício e germânio, podemos concluir que nas junções pn de um diodo de silício, as correntes direta e reversa são menores do que em um diodo de germânio (com os mesmos valores de tensão nos terminais). Isto se deve ao fato de que o silício tem um gap maior e para que os elétrons se movam da banda de valência para a banda de condução, eles precisam receber mais energia adicional.