Vilka fysikaliska fenomen bestämmer de likriktande egenskaperna hos en diod. Halvledardioder

Likriktare PP dioder. Design egenskaper. CVC. Huvudparametrar.

Ekvationer av kollektorströmmar för OB- och OE-kopplingskretsar.

Aktuella överföringskoefficienter, deras relationer.

1. Likriktare PP dioder.

Likriktardiod designad för att omvandla växelspänning till likspänning. En idealisk likriktare bör tillåta ström att passera vid en polaritet, men inte vid den andra polariteten. Egenskaperna hos en halvledardiod ligger nära egenskaperna hos en ideal likriktare, eftersom dess motstånd i framåtriktningen skiljer sig med flera storleksordningar från motståndet i motsatt riktning. De huvudsakliga nackdelarna med en halvledardiod inkluderar: med framåtförspänning, närvaron av ett område med låga strömmar i den initiala sektionen och ett slutligt motstånd rs; om motsatsen inträffar, uppstår ett sammanbrott.

Likriktardioder är utformade för att likrikta lågfrekvent växelström (mindre än 50 kHz).

Design egenskaper.

Beroende på spridningsnivån kraft dioder särskiljs:

låg effekt (likriktad ström högst 300 mA);

medeleffekt (likriktad ström från 400 mA till 10 A);

hög effekt (likriktad ström mer än 10 A);

Förbi mönster- punkt, plan.

Använda halvledarmaterial: germanium, kisel, selen, titan.

Förbi tillverkningsmetod: legering, diffusion (Figur 1).

Ris. 1. Strukturer av likriktardioder.

Figur 2. Exempel på dioddesign.

Figur 2 visar exempel på diodkonstruktioner med olika resistanser: (vänster-1,2-låg effekt) Rt = (100-200) °/W,
(höger-3-medeleffekt) Rt = 1-10°/W.

Ström-spänningskarakteristik för en likriktardiod.

Figur 3. I-V-egenskaper för likriktardioden.

I elektroteknisk analys av kretsar med dioder representeras enskilda grenar av ström-spänningskarakteristiken som räta linjer, vilket gör det möjligt att representera dioden i form av olika ekvivalenta kretsar. Valet av en eller annan diodekvivalentkrets bestäms av de specifika förhållandena för analys och beräkning av enheten inklusive dioder.

Figur 4.1.

Figur 4.2.

Funktionen av en diod för en aktiv belastning visas i figur 4.1. Strömmen genom dioden beskrivs av dess ström-spänningskarakteristik id = f(ud), strömmen genom belastningsresistansen, eftersom anslutningen är i serie, kommer att vara lika med strömmen genom dioden id = in = i och för det är relationen i = (u(t) - ud)/Rn giltig . Figur 4.2 visar, i samma skala, linjer som beskriver båda dessa funktionella beroenden: diodens ström-spänningskarakteristik och belastningskarakteristik.

Figur 4.3.

Figur 4.3 visar att ju brantare diodkarakteristiken är och ju mindre lågströmszonen (“heel”) är, desto bättre är diodens likriktande egenskaper. Ingången av arbetspunkten i pre-breakdown-regionen leder inte bara till frigörandet av hög effekt i dioden och dess möjliga förstörelse, utan också till förlusten av korrigerande egenskaper.

Huvudparametrar, kännetecknande likriktardioder, är

Maximal framåtström I pr max (0,01…10 A);

Spänningsfall över dioden vid ett givet värde på framåtström I pr

(U pr » 0,3...0,7 V för germaniumdioder och U pr » 0,8...1,2 V för kiseldioder);

Den högsta tillåtna konstanta backspänningen för dioden är U arr max ;

Omvänd ström I arr vid en given omvänd spänning U arr (värdet på backströmmen för germaniumdioder är två till tre storleksordningar större än för kiseldioder) (0,005...150 mA);

Barriärkapacitansen för en diod när en omvänd spänning av en viss storlek appliceras på den;

Frekvensomfånget inom vilket dioden kan arbeta utan en betydande minskning av den likriktade strömmen;

Drifttemperaturområde (germaniumdioder fungerar inom området

60...+70°C, kisel - i intervallet -60...+150°C, vilket förklaras av de låga backströmmarna hos kiseldioder).

2. Ekvationer av kollektorströmmar.

För anslutningskretsen med OB.

Uttrycket för den idealiserade utdatakarakteristiken i aktivt läge är:

i TILL =α i E +I KB0 .

För anslutningskretsen med OE.

Uttrycket för den idealiserade utdatakarakteristiken i aktivt läge är:

i TILL =  i B +I KE0 .

Om emitterkretsen är bruten, kommer under påverkan av den omvända spänningen på kollektorn en omvänd ström att flyta genom kollektorövergången från kollektorn till basen jag KB0. Dess värde anges i transistorns referensdata.

jag KE0 =α· jag KB0- kallas transistorns genomgående termiska ström.

Gemensam emitter (CE) krets.

Ett sådant diagram visas i figur 5.

Ris. 5. Kretsschema för anslutning av en transistor med en gemensam emitter

De förstärkande egenskaperna hos en transistor kännetecknas av en av dess huvudparametrar - den statiska basströmöverföringskoefficienten eller den statiska strömförstärkningen β . Eftersom den endast ska karakterisera själva transistorn, bestäms den i tomgångsläge (Rk = 0).

Numeriskt är det lika med:

vid U k-e = konst

Denna koefficient kan vara lika med tiotals eller hundra, men den verkliga koefficienten ki är alltid mindre än β, eftersom kollektorströmmen minskar när belastningen slås på.

Gemensamt bassystem (CB)..

OB-diagrammet visas i figur 6.

Ris. 6. Anslutningskrets för en transistor med gemensam bas.

Den statiska strömöverföringskoefficienten för OB-kretsen betecknas α och bestäms av:

vid U k-b = konst

Denna koefficient är alltid mindre än 1 och ju närmare 1 den är desto bättre är transistorn.

Relationerna för strömöverföringskoefficienterna för OB- och OE-kretsarna har formen:

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

Koefficient α > 1 och är 49 - 200.

En halvledardiod är en halvledarenhet med en p-n-övergång och två terminaler.

Enligt deras funktionella syfte särskiljs de:

1) Likriktardioder.

2) Zenerdioder.

3) Puls- och högfrekventa dioder.

4) Tunneldioder.

5) Varicaps.

Likriktardioder konstruerad för att likrikta växelström med en frekvens på 50 Hz till likström. Huvudegenskapen för elektron-hålsövergången används - envägskonduktivitet.

Den består av en p-n-övergång i ett tätat hus med två terminaler. Terminalen på det positiva området kallas anoden, terminalen på den negativa regionen kallas katoden.

Figur 19 visar strukturen för en likriktardiod.

Figur 19 – Likriktardiodstruktur

Dioden i elektriska kretsar är betecknad i enlighet med figur 20.

Figur 20 - Bild av en diod i elektriska kretsar

Grafen över förhållandet mellan ström och spänning kallas ström-spänningskarakteristiken (volt-ampere-karaktäristik). Likriktardioden har en olinjär ström-spänningskarakteristik.

Karakteristiken för direkt anslutning av dioden har initialt betydande olinjäritet, eftersom När framspänningen ökar ökar motståndet i barriärskiktet gradvis. Vid en viss spänning försvinner barriärskiktet praktiskt taget och då blir karakteristiken nästan linjär.

När den slås på igen ökar strömmen kraftigt. Detta sker på grund av en kraftig ökning av potentialbarriären i pn-övergången, diffusionsströmmen minskar kraftigt och driftströmmen ökar. Men med en ytterligare ökning av backspänningen är ökningen av strömmen obetydlig.

Figur 21 visar ström-spänningskarakteristiken för likriktardioden.

Figur 21 – I-V-egenskaper för likriktardioden

Parametrarna för likriktardioder är ett värde som kännetecknar enhetens viktigaste egenskaper.

Det finns: statiska och begränsande parametrar.

Statisk: Bestäms av statiska egenskaper (se figur 22).

Figur 22 - Ytterligare konstruktioner för att bestämma de statiska parametrarna för likriktardioden

1. Lutningen för ström-spänningskarakteristiken:

S = DI/DU, mA/V

där DI – strömökning;

DU – spänningsökning.

Lutningen på ström-spänningskarakteristiken visar hur många milliampere strömmen kommer att ändras när spänningen ökar med 1 volt.

2. Diodens inre motstånd mot växelström.

Ri = DU/DI, Ohm

3. Diodmotstånd mot likström.

Ro = U/I, Ohm

Gränslägesparametrar:

Att överskrida dem leder till fel på enheten. Med hänsyn till dessa parametrar konstrueras en elektrisk krets.

1. I PR.ADOP - tillåtet värde på framåtström;

2. U REV.ADOP - tillåtet värde för backspänning;

3. P RASS - tillåten effektförlust.

Den största nackdelen med alla halvledarenheter är beroendet av deras parametrar på temperaturen. Med ökande temperatur ökar koncentrationen av laddningsbärare och konduktiviteten för övergången ökar. Den omvända strömmen ökar kraftigt. När temperaturen ökar sker elektriskt genombrott tidigare. Figur 23 visar effekten av temperatur på ström-spänningskarakteristiken.

Figur 23 – Temperaturens inverkan på diodens ström-spänningskarakteristik

Baserat på en likriktardiod kan du bygga en enkel halvvågslikriktarkrets (se figur 24).

Figur 24 - Diagram över en enkel likriktare

Kretsen består av en transformator T, som tjänar till att omvandla den ursprungliga spänningen till en spänning med det erforderliga värdet; Likriktardiod VD, som tjänar till att likrikta växelström, kondensator C, som tjänar till att jämna ut krusningar och belasta Rn.

I fig. Figur 2.9 visar ström-spänningskarakteristiken för en kisellikriktardiod vid olika omgivningstemperaturer.

De maximalt tillåtna framströmmarna för plana kiseldioder av olika typer är 0,1...1600 A. Spänningsfallet över dioderna vid dessa strömmar överstiger vanligtvis inte 1,5 V. Med stigande temperatur minskar framspänningsfallet, vilket är förknippat med en minskning av höjden på den potentiella barriären

p–n-övergång och med omfördelning av laddningsbärare över energinivåer.

Den omvända grenen av ström-spänningskarakteristiken för kiseldioder har inte en mättnadssektion av den omvända strömmen, eftersom backström i kiseldioder orsakas av processen att generera laddningsbärare in p–n-övergång. Nedbrytningen av kiseldioder har en lavinartad karaktär. Därför ökar genomslagsspänningen med ökande temperatur. För vissa typer av kiseldioder vid rumstemperatur kan genomslagsspänningen vara 1500...2000 V.

Drifttemperaturområdet för likriktardioder av kisel är begränsat till – 60...+125 C. Den nedre gränsen för driftstemperaturer beror på skillnaden i temperaturkoefficienterna för linjär expansion av olika dioddesignelement: vid låga temperaturer uppstår mekaniska spänningar, vilket kan leda till sprickbildning i kristallen. När temperaturen sjunker är det också nödvändigt att ta hänsyn till ökningen av framåtspänningsfallet över dioden, vilket uppstår på grund av en ökning av höjden på potentialbarriären med p–n-övergång.

Den övre gränsen för driftstemperaturområdet för likriktardioder bestäms av en kraftig försämring av likriktningen på grund av en ökning av omvänd ström - detta beror på den termiska genereringen av laddningsbärare som ett resultat av jonisering av halvledaratomer. Baserat på detta är den övre gränsen för driftstemperaturområdet för kisellikriktardioder, liksom de flesta andra halvledaranordningar, associerad med bandgapet för källhalvledarmaterialet.

I fig. Figur 2.10 visar ström-spänningskarakteristiken för en germaniumlikriktardiod vid olika omgivningstemperaturer.

Framspänningen på en germaniumdiod vid den maximalt tillåtna framåtströmmen är nästan två gånger mindre än på en kiseldiod. Detta beror på den lägre höjden på den potentiella barriären för germaniumövergången, vilket är en fördel, men tyvärr den enda.

Germaniumdioder kännetecknas av förekomsten av en omvänd mättnadsström, som är associerad med mekanismen för bildandet av den omvända strömmen - processen för utvinning av minoritetsladdningsbärare.

Den omvända strömtätheten i germaniumdioder är mycket högre, eftersom Allt annat lika är koncentrationen av minoritetsladdningsbärare i germanium flera storleksordningar högre än i kisel. Detta leder till det faktum att för germaniumdioder är nedbrytningen termisk till sin natur. Därför minskar nedbrytningsspänningen med ökande temperatur, och värdena för denna spänning är mindre än nedbrytningsspänningen för kiseldioder.

Den övre gränsen för drifttemperaturområdet för germaniumdioder är cirka 75 C.

En väsentlig egenskap hos germaniumdioder och deras nackdel är att de inte tål ens mycket kortvariga pulsöverbelastningar med omvänd bias p–n-övergång. Detta bestäms av nedbrytningsmekanismen - termisk nedbrytning, som uppstår när strömmen bryts med frigöring av en stor specifik kraft vid nedbrytningspunkten.

De listade egenskaperna hos likriktardioder av kisel och germanium är förknippade med skillnaden i bandgapet för de ursprungliga halvledarna. Från denna jämförelse är det tydligt att likriktardioder med ett större bandgap har betydande fördelar i egenskaper och parametrar. En sådan representant är galliumarsenid.

För närvarande är industritillverkade galliumarsenidlikriktardioder fortfarande långt ifrån optimala. Till exempel har en diod av typ AD112A en maximalt tillåten framström på 300 mA vid en framspänning på 3 V. En stor framspänning är en nackdel med alla likriktardioder, p–n- vars övergångar är bildade i ett material med ett brett bandgap. Den maximala tillåtna backspänningen för denna diod är –50 V. Detta beror troligen på det faktum att i regionen p–n-övergång det finns en stor koncentration av defekter på grund av ofullkomlig teknik.

Fördelarna med galliumarsenid likriktardioder är ett brett spektrum av driftstemperaturer och bättre frekvensegenskaper. Den övre gränsen för driftstemperaturer för AD112A-dioder är 250 C. AD110A galliumarseniddioder kan fungera i lågeffektslikriktare upp till en frekvens på 1 MHz, vilket säkerställs av den korta livslängden för laddningsbärare i detta material.

Slutsatser:

1. Med ökande temperatur ökar backströmmen i germaniumlikriktardioder kraftigt på grund av ökningen av termisk ström.

2. Kiseldioder har mycket låg termisk ström och kan därför arbeta vid högre temperaturer och med mindre backström än germaniumdioder.

3. Kiseldioder kan arbeta vid betydligt högre backspänningar än germaniumdioder. Den maximalt tillåtna konstanta backspänningen för kiseldioder ökar med stigande temperatur till ett maxvärde, medan den för germaniumdioder sjunker kraftigt.

4. På grund av dessa fördelar tillverkas likriktardioder för närvarande huvudsakligen av kisel.

En diod är ett icke-linjärt passivt element, den enklaste enheten baserad på en halvledare med en p-n-övergång och två terminaler. Det är en av huvudkomponenterna i elektroniska enheter. Utan att fördjupa sig i fysiken för de processer som sker i halvledarstrukturer, bör det noteras att dess huvudsakliga syfte är att passera ström i en riktning. Diodens terminaler kallas anod och katod; pilen i beteckningen är anoden, och den indikerar också strömriktningen.

Egenskaper och ström-spänningsegenskaper

Om en positiv spänning appliceras på anoden blir dioden öppen, och den kan betraktas som en ledare som arbetar i "en riktning"; när polariteten ändras (negativ spänning vid anoden) stängs dioden. Det bör noteras att passagen av ström i framåtriktningen orsakar en liten minskning av spänningen vid katoden, orsakad av konduktivitetsegenskaperna hos halvledare. Spänningsfallet för olika typer av enheter är 0,3-0,8 volt, i de flesta fall kan det försummas.

Diodens beteende vid olika värden för den strömmande strömmen, storleken och polariteten för den applicerade spänningen presenteras i grafform som strömspänningskarakteristiken för en halvledardiod.

Den del av grafen som finns i den övre högra delen motsvarar strömmens framåtriktning. Ju närmare denna gren är den vertikala axeln, desto lägre är spänningsfallet över dioden, dess lutning indikerar detta värde vid olika strömmar. För en ideal diod har den ingen lutning och sammanfaller nästan med ordinataxeln, men en riktig halvledare kan inte ha sådana egenskaper.

Den nedre vänstra kvadranten visar strömmens beroende av spänningen med omvänd polaritet - i stängt tillstånd. Den omvända strömmen för enheter för allmänt bruk är försvinnande liten; den tas inte med i beräkningen förrän i ögonblicket för sammanbrott - den omvända spänningen ökar till ett värde som är oacceptabelt för en viss typ. De flesta dioder kan inte fungera vid denna spänning, temperaturen ökar avsevärt och enheten misslyckas slutligen. Spänningen vid vilken det finns en sannolikhet för genombrott kallas omvänd topp; den är vanligtvis flera gånger högre än driftsspänningen; dokumentationen indikerar den tillåtna tiden - inom mikrosekunder.

För att mäta parametrar används en elementär krets med direkt och omvänd anslutning av dioder.

I tekniska beskrivningar anges vanligtvis inte en diods volt-amperekarakteristik i en grafisk representation, men de viktigaste punkterna i karakteristiken anges, till exempel, för vanliga likriktardioder:

• Maximal och topplikriktad ström;
• RMS och topp backspänning;
• Högsta backström;
• Spänningsfall vid olika framström.

Förutom de angivna parametrarna är andra egenskaper inte mindre viktiga: statiskt motstånd, för pulsade dioder - gränsfrekvens, p-n-övergångskapacitans. Speciella enheter har också specifika egenskaper och en annan typ av I-V-karakteristik för halvledardioden.

En separat typ av diod fungerar inom området för elektrisk nedbrytning; de används för att stabilisera spänningen - dessa är zenerdioder. Karakteristiken för en zenerdiod skiljer sig från ström-spänningskarakteristiken för en diod genom den skarpa nedåtgående rörelsen av den vänstra grenen av grafen och dess lilla avvikelse från vertikalen. Denna punkt på x-axeln kallas stabiliseringsspänning. Zenerdioden slås endast på med ett motstånd som begränsar strömmen genom den.

Video

Wah-wah-wah... Vanligtvis används dessa ord när man berättar skämt om kaukasier))) Jag ber kaukasier att inte bli förolämpade - jag respekterar Kaukasus. Men, som de säger, du kan inte radera ord från en låt. Och i vårt fall har detta ord en annan betydelse. Och det är inte ens ett ord, utan en förkortning.

CVC– detta är volt-ampere-karakteristiken. Tja, i det här avsnittet är vi intresserade av volt-ampere karakteristik för en halvledardiod.

Diodens ström-spänningskarakteristikkurva visas i fig. 6.

Ris. 6. I-V-egenskaper hos en halvledardiod.

Grafen visar ström-spänningsegenskaperna för framåt- och bakåtkoppling av dioden. De säger också framåt och bakåt för ström-spänningskarakteristiken. Den direkta grenen (Ipr och Upr) visar egenskaperna för dioden när den är ansluten direkt (det vill säga när "plus" appliceras på anoden). Den omvända grenen (Irev och Urev) visar diodens egenskaper när den slås på i omvänd riktning (det vill säga när "minus" appliceras på anoden).

I fig. 6 är den blå tjocka linjen kännetecknet för en germaniumdiod (Ge), och den svarta tunna linjen är kännetecknet för en kiseldiod (Si). Figuren visar inte måttenheter för ström- och spänningsaxlarna, eftersom de beror på det specifika diodmärket.

Vad ser vi på grafen? Tja, låt oss först definiera, som för alla platt koordinatsystem, fyra koordinatvinklar (kvadranter). Låt mig påminna dig om att den första kvadranten anses vara den som ligger längst upp till höger (det vill säga där vi har bokstäverna Ge och Si). Därefter räknas kvadranterna moturs.

Så våra II och IV kvadranter är tomma. Det beror på att vi bara kan slå på dioden på två sätt - framåt eller bakåt. En situation är omöjlig när till exempel en omvänd ström flyter genom en diod och den samtidigt slås på i framåtriktningen, eller med andra ord, det är omöjligt att samtidigt applicera både "plus" och "minus" till en utgång. Mer exakt är det möjligt, men då blir det en kortslutning))). Det finns bara två fall kvar att överväga - direktanslutning av dioden Och omvänd diodväxling.

Den direkta anslutningsgrafen ritas i den första kvadranten. Detta visar att ju högre spänning, desto större ström. Dessutom, upp till en viss punkt, ökar spänningen snabbare än strömmen. Men sedan inträffar en vändpunkt, och spänningen förblir nästan oförändrad, men strömmen börjar öka. För de flesta dioder sker denna vändpunkt i intervallet 0,5...1 V. Det är denna spänning som sägs "falla" över dioden. Det vill säga om du ansluter en glödlampa enligt det första diagrammet i fig. 3, och din batterispänning är 9 V, då kommer glödlampan inte längre att ta emot 9 V, utan 8,5 eller till och med 8 (beroende på typ av diod). Dessa 0,5...1 V är spänningsfallet över dioden. En långsam ökning av strömmen till en spänning på 0,5...1V innebär att det i denna sektion praktiskt taget ingen ström flyter genom dioden, även i framåtriktningen.

Den omvända växlingsgrafen ritas i den tredje kvadranten. Av detta kan man se att över ett betydande område förblir strömmen nästan oförändrad, och ökar sedan som en lavin. Vad betyder det? Om du slår på glödlampan enligt det andra diagrammet i fig. 3, då kommer den inte att lysa, eftersom dioden inte leder ström i motsatt riktning (närmare bestämt gör den det, som kan ses i grafen, men denna ström är så liten att lampan inte tänds). Men dioden tål inte spänningen på obestämd tid. Om du till exempel ökar spänningen till flera hundra volt, kommer denna höga spänning att "bryta igenom" dioden (se böjningspunkten på den omvända grenen av grafen) och ström kommer att flyta genom dioden. Men "nedbrytning" är en oåterkallelig process (för dioder). Det vill säga, en sådan "nedbrytning" kommer att leda till utbränning av dioden och den kommer antingen att helt sluta passera ström i vilken riktning som helst, eller vice versa - den kommer att passera ström i alla riktningar.

Egenskaperna för specifika dioder indikerar alltid den maximala omvända spänningen - det vill säga den spänning som dioden kan motstå utan "nedbrytning" när den slås på i motsatt riktning. Detta måste beaktas när man utvecklar enheter som använder dioder.

Genom att jämföra egenskaperna hos kisel- och germaniumdioder kan vi dra slutsatsen att i p-n-korsningarna av en kiseldiod är framåt- och bakåtströmmarna mindre än i en germaniumdiod (vid samma spänningsvärden vid terminalerna). Detta beror på att kisel har ett större bandgap och för att elektroner ska flytta från valensbandet till ledningsbandet måste de ges mer extra energi.