14. Влияние температуры на вах диода
температура окружающей среды оказывает существенное влияние на вольт-амперную характеристику диода. С изменением температуры несколько меняется ход как прямой, так и обратной ветви ВАХ.
При увеличении температуры возрастает концентрация неосновных носителей в кристалле полупроводника. Это приводит к росту обратного тока перехода (за счет увеличения тока двух его составляющих: Iо и Iтг), а также уменьшению обьемного сопротивления области базы. При увеличении температуры обратный ток насыщения увеличивается примерно в 2 раза у германиевых и в 2,5 раза у кремниевых диодов на каждые 10 °С. Зависимость обратного тока от температуры аппроксимируется выражением
где: I(Т0)-ток измерен при температуре Т0; Т – текущая температура; Т* — температура удвоения обратного тока — (5-6) 0 С – для Ge и (9-10) 0 С – для Si.
Максимально допустимое увеличение обратного тока диода определяет максимально допустимую температуру диода, которая составляет 80— 100 °С для германиевых диодов и 150 — 200 °С для кремниевых..
Ток утечки слабо зависят от температуры, но может существенно изменяться во времени. Поэтому он, в основном, определяет временную нестабильность обратной ветви ВАХ.
Прямая ветвь ВАХ при увеличении температуры сдвигается влево и становится более крутой (рис.2.2). Это объясняется ростом Iобр (рис.2.2) и уменьшением rб, Последнее, уменьшает падение напряжения на базе, а напряжение непосредственно на переходе растет при неизменном напряжении на внешних выводах.
Для оценки температурной нестабильности прямой ветви вводится температурный коэффициент напряжения (ТКН) т=U/T, показывающий, как изменится прямое напряжение на диоде с изменением температуры на 1 0 С при фиксированном прямом токе. В диапазоне температур от -60 до +60″С т -2,3 мВ/°С.
15.Выпрямительные диоды
Выпрямительные диоды – предназначены для выпрямления низкочастотного переменного тока и обычно используются в источниках питания. Для выпрямления используется основное свойство диоды – их одностороняя проводимость. В качестве выпрямительных диодов используют плоскостные диоды, которые имеют большую площадь контакта р и п областей.
Среднее прямое напряжение Uпр..ср — среднее за период прямое напряжение на диоде при протекании через него максимально допустимого выпрямленного тока.
Средний обратный ток Iобр. ср — средний за период обратный ток, измеряемый при максимальном обратном напряжении.Макс доп обратное напряжение Uобр. mах (Uобр. и mах) — наибольшее постоянное обратное напряжение, при котором диод может длительно и надежно работать.Макс доп выпрямленный ток Iвп. ср mаах— средний за период ток через диод. Максимальная частота fмах — наибольшая частота подводимого напряжения, при которой выпрямитель на данном диоде работает достаточно эффективно. Средняя рассеиваемая мощность диода Рср Д – средняя за период мощность рассеиваемая диодом при протекании тока в прямом и обратном направлении.
Д ля увеличения выпрямленного тока можно применяться параллельное включение диодов. Однополупериодный выпрямитель (рис.2.6). Трансформатор предназначен для понижения амплитуды переменного напряжения. Временные диаграммы, поясняющие процесс работы однополупериодного выпрямителя представлены на рис. 2.7.
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ПРОБИВНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ ДИОДА
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943 котором наступает пробой зависит от типа р -n — перехода и составляет от нескольких вольт до нескольких киловольт. Электрический пробой обратим , то есть он не приводит к повреждению диода, и при снижении обратного напряжения свойства диода сохраняются.
| Лавинный пробой. Под действием сильного электрического | |||||||||||
| поля, | при котором | носители | U обр | U проб2 | U проб1 | 0 | |||||
| заряда | приобретают | энергии, | |||||||||
| достаточные | для образования | ||||||||||
| новых | электронно — дырочных | ||||||||||
| пар | в | результате | ударной | ||||||||
| ионизации | атомов | ||||||||||
| полупроводника, | возникает | T 2 > T 1 | T 1 | I обр | |||||||
| лавины | носителей | заряда. | Рис. 8.3. Зависимость | U проб | от | ||||||
| Пробивное | напряжение | температуры при лавинном пробое. | |||||||||
| определяется | концентрацией | ||||||||||
примеси в слаболегированной области . С повышением температуры уменьшается длина свободного пробега носителей заряда, а значит, уменьшается и энергия, которую носитель заряда может приобрести на длине свободного пробега в электрическом поле. Следовательно, повышение температуры приводит к увеличению пробивного напряжения при лавинном пробое (рис. 8.3). Туннельный пробой. Явление перехода электронов через энергетический барьер, высота которого больше энергии электрона называется туннельным пробоем. В его основе лежит туннельный эффект, т.е. прохождение электронов сквозь потенциальный барьер, высота которого больше, чем энергия носителей заряда. С повышением температуры ширина запрещенной зоны большинства полупроводников убывает. Следовательно, при этом уменьшается и толщина барьера при той же напряженности поля, что приводит к увеличению вероятности туннелирования сквозь потенциальный барьер, поэтому пробивное напряжение при туннельном пробое уменьшается с увеличением температуры (рис. 8.4). 21
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943 Тепловой пробой. Тепловой пробой возникает в результате перегрева р -n — перехода при протекании через него тока большого значения, и
| при недостаточном теплоотводе . | ||||||||||
| При подаче обратного напряжения практически всё оно | ||||||||||
| падает на р -n — переходе, через | который идёт, хотя и | небольшой, | ||||||||
| U обр | U проб2 | U проб1 | 0 | обратный ток. Выделяющаяся | ||||||
| мощность | вызывает | разогрев | ||||||||
| р -n — перехода и прилегающих | ||||||||||
| к | нему | областей | ||||||||
| полупроводника. | При | |||||||||
| недостаточном | теплоотводе , | |||||||||
| T 2 < T 1 | T 1 | I обр | эта | мощность | вызывает | |||||
| дальнейшее увеличение тока, | ||||||||||
| Рис. 8.4. Зависимость | U проб | от | что | приводит | к | пробою . | ||||
| Характерным | признаком | |||||||||
| температуры при туннельном пробое . | ||||||||||
| теплового | пробоя | является | ||||||||
наличие на вольтамперной характеристике перехода при больших обратных напряжениях участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением. В мощных германиевых р -n — переходах протекает большой обратный ток, поэтому даже при небольших обратных напряжениях (меньших напряжения электрического пробоя) выделяется большая мощность. Это приводит к увеличению температуры перехода и соседних с ним областей. В свою очередь, увеличение температуры приводит к повышению обратного тока перехода и, соответственно, рассеиваемой мощности. Таким образом, возникает своеобразная теплоэлектрическая обратная связь между величиной тока и температурой р -n — перехода, что приводит к резкому увеличению тока, т. е. к пробою р -n — перехода. Тепловой пробой может возникнуть и при малых обратных токах и напряжениях. Напряжение теплового пробоя зависит от температуры окружающей среды и условий теплоотвода. У кремниевых диодов раньше наступает лавинный пробой, но затем, по мере разогрева он может перейти в тепловой пробой. Тепловой пробой является необратимым и приводит к выходу р -n — перехода из 22
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943 строя . Максимальное допустимое увеличение обратного тока диода определяется максимально допустимую температуру диода, которая составляет 80 – 100 0 С для германиевых и 15 0 – 200 0 С для кремниевых диодов.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
| Рис. 8.5 . Экспериментальная установка. | |||||||||||||||||||
| Диоды помещены в термостат, | |||||||||||||||||||
| E | R | ||||||||||||||||||
| A | который | позволяет | изменять и | ||||||||||||||||
| D | поддерживать | определенную | |||||||||||||||||
| температуру. | При | достижении | |||||||||||||||||
| заданной | температуры | снимается | |||||||||||||||||
| V | вольт — амперная характеристика диода. | ||||||||||||||||||
| Рис. 8.6 . Электрическая схема | На модуле | установлены | 4 диода | ||||||||||||||||
| (диоды из германия и кремния), два из | |||||||||||||||||||
| для исследования вольт — | |||||||||||||||||||
| амперной | характеристики | которых | включены | в | прямом | ||||||||||||||
| диода . | направлении, | а | два | других – в | |||||||||||||||
обратном направлении. Электрическая схема измерения вольт — амперных характеристик
| диодов приведена на рис. 8.6, | здесь E – источник | тока, | R – | |
| сопротивление, | A – амперметр, | V – вольтметр. В | качестве | |
| амперметра и | вольтметра используются мультиметры, | с | ||
Влияние температуры на ВАХ диода
температура окружающей среды оказывает существенное влияние на вольт-амперную характеристику диода. С изменением температуры несколько меняется ход как прямой, так и обратной ветви ВАХ.
При увеличении температуры возрастает концентрация неосновных носителей в кристалле полупроводника. Это приводит к росту обратного тока перехода (за счет увеличения тока двух его составляющих: Iо и Iтг), а также уменьшению обьемного сопротивления области базы. При увеличении температуры обратный ток насыщения увеличивается примерно в 2 раза у германиевых и в 2,5 раза у кремниевых диодов на каждые 10 °С. Зависимость обратного тока от температуры аппроксимируется выражением
где: I (Т0)-ток измерен при температуре Т0; Т – текущая температура; Т* — температура удвоения обратного тока — (5-6) 0 С – для Ge и (9-10) 0 С – для Si.
Максимально допустимое увеличение обратного тока диода определяет максимально допустимую температуру диода, которая составляет 80— 100 °С для германиевых диодов и 150 — 200 °С для кремниевых..
Ток утечки слабо зависят от температуры, но может существенно изменяться во времени. Поэтому он, в основном, определяет временную нестабильность обратной ветви ВАХ.
Прямая ветвь ВАХ при увеличении температуры сдвигается влево и становится более крутой (рис.2.2). Это объясняется ростом Iобр (рис.2.2) и уменьшением rб, Последнее, уменьшает падение напряжения на базе, а напряжение непосредственно на переходе растет при неизменном напряжении на внешних выводах.
Для оценки температурной нестабильности прямой ветви вводится температурный коэффициент напряжения (ТКН) aт=DU/DT, показывающий, как изменится прямое напряжение на диоде с изменением температуры на 1 0 С при фиксированном прямом токе. В диапазоне температур от -60 до +60″С aт @-2,3 мВ/° С.
Выпрямительные диоды
Выпрямительные диоды – предназначены для выпрямления низкочастотного переменного тока и обычно используются в источниках питания. Под выпрямлением понимают преобразование двухполярного тока в однополярный. Для выпрямления используется основное свойство диоды – их одностороняя проводимость.
В качестве выпрямительных диодов в источниках питания для выпрямления больших токов используют плоскостные диоды, которые имеют большую площадь контакта р и п областей. Такие диоды обладают большой барьерная емкостью, емкостное сопротивление Xc=1/(ωC) с ростом частоты становится мало и закорачивает (шунтирует) сопротивление перехода гpn, в результате чего выпрямления не выполняется, но это не существенно, т.к. такие диоды используют в низкочастотных схемах. Кроме того такие диоды имеет большую величину обратного тока.
Основные параметры выпрямительных диодов даются применительно к их работе в однополупериодном выпрямителе с активной нагрузкой (без конденсатора, сглаживающего пульсации).
Среднее прямое напряжение Uпр..ср — среднее за период прямое напряжение на диоде при протекании через него максимально допустимого выпрямленного тока.
Средний обратный ток Iобр. ср — средний за период обратный ток, измеряемый при максимальном обратном напряжении.
Максимально допустимое обратное напряжение Uобр. mах (Uобр. и mах) — наибольшее постоянное (или импульсное) обратное напряжение, при котором диод может длительно и надежно работать.
Максимально допустимый выпрямленный ток Iвп. ср mаах— средний за период ток через диод (постоянная составляющая), при котором обеспечивается его надежная длительная работа.
Максимальная частота fмах — наибольшая частота подводимого напряжения, при которой выпрямитель на данном диоде работает достаточно эффективно, а нагрев диода не превышает допустимой величины.
Средняя рассеиваемая мощность диода Рср Д – средняя за период мощность рассеиваемая диодом при протекании тока в прямом и обратном направлении.
Превышение максимально допустимых величин ведет к резкому сокращению срока службы или пробою диода.
Улучшая условия охлаждения (вентиляцией, применением радиаторов), можно увеличить отводимую мощность и избежать теплового пробоя. Применение радиаторов позволяет также увеличить прямой ток.
Промышленностью выпускаются кремниевые выпрямительные диоды на токи до сотен ампер и обратные напряжения до тысяч вольт. Если необходимо работать при обратных напряжениях, превышающих допустимые Uобр для одного диода, то диоды соединяют последовательно. Для увеличения выпрямленного тока можно применяться параллельное включение диодов.
Однополупериодный выпрямитель (рис.2.6). Трансформатор предназначен для понижения амплитуды переменного напряжения. Диод служит для выпрямления переменного тока. Временные диаграммы, поясняющие процесс работы однополупериодного выпрямителя представлены на рис.2.7.
2) Двухполупериодный выпрямитель. Предыдущая схема имеет существенный недостаток. Он состоит в том, что не используется часть энергии первичного источника питания (отрицательный полупериод). Недостаток устраняется в схеме двухполупериодного выпрямителя.
В первый положительный (+) полупериод, ток протекает так: +, VD 3, , VD 2, -. Во второй – отрицательный (-) так: +, VD 4, , VD 1,-. В обоих случаях он через нагрузку протекает в одном направлении ↓- сверху вниз, т.е. происходит выпрямление тока.
2.5 Импульсные диоды
Импульсные диоды – это диоды, которые предназначены для работы в ключевом режиме в импульсных схемах. Диоды в таких схемах выполняют роль электрических ключей. Электрический ключ имеет два состояния:
1. Замкнутое, когда его сопротивление равно нулю Rvd =0.
2. Разомкнутое, когда его сопротивление бесконечно Rvd=∞.
Этим требованиям удовлетворяют диоды в зависимости от полярности приложенного напряжения. Они имеют малое сопротивление при смещениях в прямом направлении, и большое сопротивление при смещениях в обратном направлении
3. Важным параметром переключающих диодов является их быстродействие переключения. Факторами, ограничивающими скорость переключения диода, является:
а) ёмкость диода.
б) скорость диффузии и связанные с ней время накопления и рассасывания неосновных носителей заряда.
В импульсных диодах высокая скорость переключения достигается уменьшением площади p-n-перехода, что снижает величину ёмкости диода. Однако, это уменьшает величину максимального прямого тока диода (I прям.max.). Импульсные диоды характеризуются теми же параметрами, что и выпрямительные, но имеют так же и специфические, связанные с быстродействием переключения. К ним относятся:
1) Время установления прямого напряжения на диоде (t уст):
t уст. – время, за которое напряжение на диоде при включении прямого тока достигает своего стационарного значения с заданной точностью. Это время связанно со скоростью диффузии состоит в уменьшением сопротивления области базы за счёт накопления в ней неосновных носителей заряда инжектируемых эмиттером. Первоначально оно высоко, т.к. мала концентрация
носителей заряда. После подачи прямого напряжения концентрация неосновных носителей заряда в базе увеличивается, это снижает прямое сопротивление диода.
2) Время восстановления обратного сопротивления диода (t восст.): определяется как время, в течение которого обратный ток диода после переключения полярности приложенного напряжения с прямого на обратное достигает своего стационарного значения с заданной точностью. Это время связано с рассасыванием из базы неосновных носителей заряда накопленных при протекании прямого тока.
t восст. – время, за которое обратный ток через диод при его переключении достигает своего стационарного значения, с заданной точностью I0, обычно 10% от максимального обратного тока.
t1 . – время рассасывания, за которое концентрация неосновных носителей заряда на границе р-п-перехода обращается в ноль.
t2 . – время разряда диффузионной емкости, связанное рассасыванием неосновных зарядов в объме базы диода.
В целом время восстановление это время выключения диода, как ключа.
Диоды Шотки.
Электрический переход, возникающий на границе металл – полупроводник, при определенных условиях обладает выпрямительными свойствами. Он создаётся путём напыления металла на высокоомный полупроводник, например, n-типа. Прибор на основе такого перехода называется диодом Шотки. Главная особенность этого диода – это отсутствие неосновных носителей заряда в процессе его работы. Прямой ток обусловлен электронами, движущимися из кремния в металл. Следовательно, практически отсутствуют процессы их накопления и рассасывания, а потому диоды Шоттки имеют высокое быстродействие переключения.
Другой особенностью этих диодов является малое (по сравнению с обычными кремниевыми диодами) прямое напряжение, составляющее около 0,15В. Это связано с тем, что тепловой ток примерно на три порядка превышает ток р-n- перехода.
В импульсных схемах диоды Шоттки широко используются в комбинации с транзисторами. Такие транзисторы называются транзисторами Шотки – они имеют высокое быстродействие переключения.
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:
SEMIEASY. Блог полупроводниковой электроники
Зависимость параметров полупроводникового (ПП) диода довольно ощутима, поскольку материал из которого он сделан довольно охотно увеличивает количество свободных носителей заряда под действием светового потока, температуры, рентгеновского излучения и т. д. А это, в первую очередь, влияет на электрическую проводимость этого самого материала. Если взять два различных полупроводника, допустим германий (Ge) и кремний (Si), то при одинаковом повышении их температуры, проводимость германия будет увеличиваться существенно больше, чем у кремния. С чем это связано. Существует такой параметр, как ШИРИНА ЗАПРЕЩЕННОЙ ЗОНЫ, измеряется в электрон-вольтах (эВ). Он показывает, какое количество энергии нужно придать носителям заряда, чтобы они перешли из валентной зоны, в зону проводимости. В валентной зоне, носитель заряда не может участвовать в протекании эл. тока, поскольку он «связан» с ядром атома, но когда мы извне придаем ему энергию, допустим в виде тепла, он отрывается от атома и блуждает в кристаллической решетке материала. Так появляется свободный носитель заряда. У германия, ширина запрещенной зоны меньше, чем у кремния (0,7 эВ против 1,1 эВ), то есть носителям заряда в валентной зоне германия нужно придать меньше энергии для высвобождения. Вот почему при одинаковой высокой температуре, германий будет лучше проводить ток.
Зависимость напряжения отпирания диода от температуры
Что характерно для ПП диода, его напряжение отпирания практически линейно зависит от температуры в диапазоне от -55. +125ºC, убывая с ростом температуры приблизительно на 1,7 мВ на каждый градус (на практике). При этом, вольт-амперная характеристика имеет такой вид:
При увеличении температуры, вольт-амперная характеристика смещается левее по графику, причем, форма кривой практически не изменяется. Давайте убедимся в вышесказанном, с помощью симулятора эл. цепей. Для этого, подключим к диоду источник тока, пропустив через него ток величиной 1 Ампер, подключив к нему вольтметр для мониторинга его напряжения отпирания при заданном токе и температуре диода, равного 27°С:
Как видно из рисунка, для данного диода величина порога отпирания составляет 681 мВ при заданном токе и температуре. Давайте поднимем температуру до 127°С и посмотрим что получится:
Напряжение отпирания снизилось до 508,4 мВ. То есть оно изменилось на 172,6 мВ (681-508,4). Поскольку, как было сказано выше, температурная зависимость практически линейна, можем узнать изменение напряжения на один градус: 172,6/100=1,726 (мВ). Выше было описано, что напряжение отпирания убывает с ростом температуры приблизительно на 1,7 мВ. Как видите, данные практически совпадают.
Зависимость тока диода в обратном включении от температуры
Поскольку количество свободных носителей заряда с ростом температуры в диоде увеличивается, естественно, ток в обратном включении также будет повышаться. Давайте сразу перейдем к эксперименту. Подключим этот же диод в обратном включении к источнику напряжения величиной 12 Вольт последовательно с амперметром, и зададим температуру диода 27°C:
Ток относительно мал и составляет 0,156 микроампер. Теперь увеличим температуру на 100°C, что при этом изменилось:
Величина тока значительно возросла и теперь составляет 154,4 микроампер (практически в 1000 раз!). Но все же, обратный ток такой величины довольно мал относительно прямых токов, где их величина составляет единицы и десятки ампер, так что это не особо повлияет на работоспособность электрических схем с участием диодов, кроме редких случаев.