Диоды выпрямительные
♥ Работа полупроводниковых выпрямительных диодов основана на свойстве p – n перехода пропускать ток только в одном направлении. Выпрямительные диоды в основном изготавливаются на основе минералов германия и кремния. Полупроводниковый диод нелинейный элемент. ♥ Он имеет две ветви на вольтамперной характеристике — работа диода при прохождении электрического тока через диод в прямом и обратном направлении.
♥ первая ветвь – это работа диода в прямом направлении
Напряжение Uпр изменяется от 0 до 1,5 вольта. На этой ветви выделяются три участка: 1) при возрастании напряжения Uпр (точки 0 — 1) ток изменяется незначительно (почти линейный участок). 2) нелинейный участок (точки 1 — 2) рабочий участок, используется для выпрямления тока, а так же в устройствах для преобразования частот. 3) при незначительном увеличении напряжения Uпр (точки 2-3) ток диода резко увеличивается. Это явление используется в схемах стабилизации тока – напряжения.
♥ вторая ветвь — работа диода в «запертом» состоянии
На диод подано обратное напряжение Uобр. Под действием обратного напряжения возникает барьерный (запорный) слой, толщиной около 10 (-4) мм., не пропускающий электрический ток. Обратный ток диода Iобр очень мал. При превышении максимально допустимого рабочего напряжения, обратный ток диода увеличивается.
Начинается обратимый электрический пробой, p — n переход начинает постепенно разогреваться. Если в этот момент уменьшить обратное напряжение, обратный ток уменьшится до допустимой величины и пробоя не произойдет. При превышении температуры диода свыше допустимой величины ( для германия +75 град., для кремния +150 град.
), наступает необратимый тепловой пробой. Диод выходит из строя.
Основные электрические параметры, характеризующие полупроводниковый диод
♥ Напряжение и ток в прямом направлении:
Uпр — постоянное прямое напряжение, обусловленное постоянным прямым током Inp. У диодов одинаковой мощности, при одном и том же максимальном прямом токе Iпр, через германиевый и кремниевый диоды, падение напряжения на p – n переходе: — для германия Uпр = 0,3 – 0,7 вольта, — для кремния Uпр = 1,0 – 1,5 вольта. Inp — средний прямой ток – среднее за период значение прямого тока.
Допустимый прямой ток уменьшается с увеличением температуры и частоты следования тока. В мощных диодах прямой ток может достигать 100 ампер и более. Электрическая мощность рассеиваемая на кремниевом диоде в режиме максимального прямого тока, в 1,5 – 2,0 раза выше, чем на германиевом. Чтобы не превысить максимально допустимую рабочую температуру диода, при которой может произойти тепловой пробой, диод ставят на радиатор. В выпрямительных устройствах на низке напряжения и большие токи выгоднее применять германиевые диоды.
♥ Напряжение и ток в обратном направлении.
Uобр — максимально допустимое постоянное обратное напряжение — это напряжение, в течение длительного времени выдерживаемое диодом без опасного теплового пробоя. Максимальное обратное напряжение Uобр, в зависимости от типа диода, может быть величиной: — у германиевого диода, до 100 – 400 вольт; — у кремниевого диода, до 1000 – 1500 вольт. Iобр — Обратный ток через диод, при максимальном обратном напряжении, очень мал и составляет для германия около 1 милиампера, для кремния около 1 микроампера.
От изменения теплового тока: чем меньше тепловой ток, тем больше прямое напряжение
Теория Читать далее: Частотные и импульсные свойства p-n-перехода
2. От изменения теплового тока: чем меньше тепловой ток, тем больше прямое напряжение.
3. От изменения температуры: у германиевых переходов при повышении температуры Uпр может вырождаться почти до нуля.
4. От изменения площади перехода: прямое напряжение уменьшается с увеличением площади перехода.
При обратной полярности внешнего источника (обратносмещенное непроводящее состояние p-n-перехода) полярность внешнего источника напряжения совпадает с полярностью контактной разности потенциалов, потенциальный барьер p-n-перехода повышается, запрещенная зона перехода расширяется и при определенном Uобр диффузионный ток через переход почти прекращается. Носители каждой области оказываются «оттиснутыми» к краям полупроводника и лишь ток неосновных носителей продолжает течь через переход. Процесс захвата электрическим полем неосновных носителей и перебрасывание их в соседнюю область называется экстракцией.
При малых значениях обратного напряжения через p-n-переход будет наблюдаться движение и основных носителей, образующих ток, противоположно направленный току дрейфа:
Результирующий ток через p-n-переход при действии обратного напряжения
(1.4)
Уравнение (1.4) описывает обратную ветвь обратносмещенного перехода (рис. 1.1).
При Uобр, большем 3jt, диффузионный ток через переход прекращается.
Выше было отмечено, что ток Iоидеализированного перехода не зависит от приложенного напряжения, но реальный обратный ток перехода намного превышает величину Iо; необходимо четко отличать ток тепловой от тока обратного, получившего название тока термогенерации; в кремниевых структурах тепловой ток при комнатной температуре вообще не учитывается, так как он на 2-3 порядка меньше обратного тока. У германиевых переходов тепловой ток на 6 порядков больше, чем у кремниевых, поэтому в германиевых структурах этим током пренебрегать нельзя.
В реальном переходе наблюдается довольно значительная зависимость тока неосновных носителей от приложенного напряжения. Дело в том, что процессы генерации и рекомбинации носителей происходят как в нейтральных слоях областей «p» и «n», так и в самом переходе. В равновесном состоянии перехода скорости генерации и рекомбинации везде одинаковы, а при действии обратного напряжения, когда расширяется запрещенная зона, область перехода сильно обедняется носителями, при этом процесс рекомбинации замедляется и процесс генерации оказывается неуравновешенным. Избыток генерируемых носителей захватывается электрическим полем и переносится в нейтральные слои (электроны в n-область, а дырки — в p-область). Эти потоки и образуют ток термогенерации. Ток термогенерации слабо зависит от температуры и сильно зависит от величины приложенного обратного напряжения; уместно вспомнить упрощенную формулу зависимости скорости движения электрона в ускоряющем электрическом поле от приложенного напряжения:
.
С увеличением приложенного напряжения скорость электрона увеличивается, растет число соударений его с атомами в узлах решетки (ударная ионизация), что приводит к появлению новых носителей заряда. Увеличение числа зарядов приводит к увеличению тока неосновных носителей, температура перехода увеличивается, а это, в свою очередь, приводит к нарушению ковалентных связей и росту носителей. Процесс может принять лавинообразный характер и привести к пробою p-n-перехода (рис. 1.1). Различают следующие виды пробоев:
туннельный (при напряженности поля перехода свыше 106 В/см, до точки «а»);
электрический (вызван ударной ионизацией, после точки «а»), этот тип пробоя иногда называют лавинным, при этом в переходе идут обратимые процессы и после снятия обратного напряжения он восстанавливает свои рабочие свойства. При электрическом пробое нарастание тока почти не вызывает изменения напряжения, что позволило использовать эту особенность характеристики для стабилизации напряжения;
тепловой возникает в результате сильного разогрева перехода (после точки «б»); процессы, которые идут при этом в переходе, необратимы, и рабочие свойства перехода после снятия напряжения не восстанавливаются (вот почему в справочной литературе строго ограничивается величина обратного напряжения на переходах диодов и транзисторов).
Рис. 1.1. ВАХ реального электронно-дырочного p-n-перехода
Вывод. Анализируя прямую и обратные ветви вольтамперной характеристики, приходим к выводу, что p-n-переход хорошо проводит ток в прямосмещенном состоянии и очень плохо в обратносмещенном, следовательно, p-n-переход имеет вентильные свойства, поэтому его можно использовать для преобразования переменного напряжения в постоянное, например, в выпрямительных устройствах в блоках питания.
1.2.1. Температурные свойства p-n-перехода
Уравнение (1.1) содержит температурно-зависимые параметры — I0 и j t.
I0 — тепловой ток, или ток насыщения. Для идеального перехода I0 определяет величину обратного тока, а в реальных переходах I0 намного меньше обратного тока. Ток Iо сильно зависит от температуры (рис. 1.1): даже незначительные изменения температуры приводят к изменению Iо на несколько порядков.
Максимально допустимое увеличение обратного тока диода определяет максимально допустимую температуру для него, которая составляет 80-100 оС для германиевых диодов и 150-200 оС для кремниевых.
Минимально допустимая температура для диодов обычно лежит в пределах от 60 до -70оС.
У германиевых переходов ток I0 на шесть порядков больше, чем у кремниевых, поэтому при одинаковых условиях у них прямые напряжения на 0,35 В меньше и в зависимости от режима составляют 0,25-0,15 В (напряжение отпирания у германиевых переходов при повышении температуры вырождается почти в «0»).
На рис. 1.1 прямая ветвь характеристики, снятая при 70 оС, сместилась влево: с повышением температуры вступает в силу собственная проводимость полупроводника, число носителей увеличивается, так как усиливается процесс термогенерации. Обратная же ветвь ВАХ (рис. 1.1) смещается вправо, то есть с повышением температуры до +70 оС электрический пробой в переходе наступает раньше, чем при температуре +20 оС. При увеличении обратного напряжения к тепловому току добавляется ток термогенерации. В сумме эти два тока образуют через обратносмещенный переход обратный ток Iобр. При изменении температуры новое значение обратного тока можно оп-
ределить из соотношения
(1.5)
где Iобр.20 оС — значение обратного тока при температуре не выше 27 оС (берется из справочной литературы);
А — коэффициент материала, из которого выполнен полупроводниковый прибор (Агермания= 2, Акремния= 2,5);
j t- температурный потенциал, который при комнатной температуре равен 0,025 В, а при другой температуре j tможно определить по формуле
(1.6)
Таким образом, при увеличении температуры обратный ток насыщения увеличивается примерно в два раза у германиевых и в два с половиной раза у кремниевых диодов (1.5).
Теория Читать далее: Частотные и импульсные свойства p-n-перехода
Информация о работе «Теория»
Раздел: Радиоэлектроника Количество знаков с пробелами: 128780 Количество таблиц: 35 Количество изображений: 0
Похожие работы
Преподавание социологической теории в Санкт-Петербургском государственном университете
25366
1
0
кую и дидактическую функции с учетом ситуации в российской социологии. Направления фундаментального уровня различаются и систематизируются в концепции преподавания социологической теории на основе их существенной связи с различными решениями важнейших философских, теоретико-познавательных и мировоззренческих проблем, сформулированных в истории европейской социальной мысли относительно природы …
Теория игр
24554
3
7
… смешанными стратегиями игроков 1 и 2 называются такие наборы хо, уо соответственно, которые удовлетворяют равенству Е (А, х, y) = Е (А, х, y) = Е (А, хо, уо). Величина Е (А, хо ,уо) называется при этом ценой игры и обозначается через u. Имеется и другое определение оптимальных смешанных стратегий: хо, уо называются оптимальными смешанными стратегиями соответственно игроков 1 и 2, если они …
Теория вероятности и математическая статистика
59066
6
49
… Доказать: По определению второй смешанной производной. Найдем по двумерной плотности одномерные плотности случайных величин X и Y. Т.к. полученное равенство верно для всех х, то подинтегральные выражение аналогично В математической теории вероятности вводится как базовая формула (1) ибо предлагается, что плотность вероятности как аналитическая функция может не существовать. Но т.к. в нашем …
Роль теории дифференциальных уравнений в современной математике и ее приложениях
32343
0
0
… была построена теория вложения функциональных пространств, которые в настоящее время носят название пространств Соболева. А.Н. Тихоновым была построена теория некорректных задач. Выдающийся вклад в современную теорию дифференциальных уравнений внесли российские математики Н.Н. Боголюбов, А.Н. Колмогоров, И.Г. Петровский, Л.С. Понтрягин, С.Л. Соболев, А.Н. Тихонов и другие. Влияние на развитие …
Принцип работы диода. Вольт-амперная характеристика. Пробои p-n перехода
Здравствуйте уважаемые читатели сайта sesaga.ru. В первой части статьи мы с Вами разобрались, что такое полупроводник и как возникает в нем ток. Сегодня мы продолжим начатую тему и поговорим о принципе работы полупроводниковых диодов.
Диод
– это полупроводниковый прибор с одним
p-n
переходом, имеющий два вывода (анод и катод), и предназначенный для выпрямления, детектирования, стабилизации, модуляции, ограничения и преобразования электрических сигналов.
По своему функциональному назначению диоды подразделяются на выпрямительные, универсальные, импульсные, СВЧ-диоды, стабилитроны, варикапы, переключающие, туннельные диоды и т.д.
Теоретически мы знаем, что диод в одну сторону пропускает ток, а в другую нет. Но как, и каким образом он это делает, знают и понимают не многие.
Схематично диод можно представить в виде кристалла состоящего из двух полупроводников (областей). Одна область кристалла обладает проводимостью p
-типа, а другая — проводимостью
n
-типа.
На рисунке дырки
, преобладающие в области
p
-типа, условно изображены красными кружками, а
электроны
, преобладающие в области
n
-типа — синими. Эти две области являются электродами диода
анодом
и
катодом
:
Анод – положительный электрод
диода, в котором основными носителями заряда являются
дырки
.
Катод – отрицательный электрод
диода, в котором основными носителями заряда являются
электроны
.
На внешние поверхности областей нанесены контактные
металлические слои, к которым припаяны проволочные
выводы
электродов диода. Такой прибор может находиться только в одном из двух состояний:
1. Открытое
– когда он хорошо проводит ток; 2.
Закрытое
– когда он плохо проводит ток.
Прямое включение диода. Прямой ток
Если к электродам диода подключить источник постоянного напряжения: на вывод анода «плюс
» а на вывод катода «
минус
», то диод окажется в
открытом
состоянии и через него потечет ток, величина которого будет зависеть от приложенного напряжения и свойств диода.
При такой полярности подключения электроны из области n
-типа устремятся навстречу дыркам в область
p
-типа, а дырки из области
p
-типа двинутся навстречу электронам в область
n
-типа. На границе раздела областей, называемой
электронно-дырочным или p-n переходом, они встретятся, где происходит их взаимное поглощение или рекомбинация
.
Например. Oсновные носители заряда в области n
-типа электроны, преодолевая
p-n
переход попадают в дырочную область
p
-типа, в которой они становятся
неосновными
. Ставшие неосновными, электроны будут поглощаться
основными
носителями в дырочной области –
дырками
. Таким же образом дырки, попадая в электронную область
n
-типа становятся
неосновными
носителями заряда в этой области, и будут также поглощаться
основными
носителями –
электронами
.
Контакт диода, соединенный с отрицательным
полюсом источника постоянного напряжения будет
отдавать
области
n
-типа практически неограниченное количество электронов, пополняя убывание электронов в этой области.
А контакт, соединенный с положительным
полюсом источника напряжения, способен
принять
из области
p
-типа такое же количество электронов, благодаря чему восстанавливается концентрация дырок в области
p
-типа.
Таким образом, проводимость p-n
перехода станет
большой
и сопротивление току будет
мало
, а значит, через диод будет течь ток, называемый
прямым током диода Iпр
.
Обратное включение диода. Обратный ток
Поменяем полярность источника постоянного напряжения – диод окажется в закрытом
состоянии.
В этом случае электроны в области n
-типа станут перемещаться к
положительному
полюсу источника питания, отдаляясь от
p-n
перехода, и дырки, в области
p
-типа, также будут отдаляться от
p-n
перехода, перемещаясь к
отрицательному
полюсу источника питания. В результате граница областей как бы расширится, отчего образуется зона обедненная дырками и электронами, которая будет оказывать току
большое
сопротивление.
