Назначение вольт-амперной характеристики (ВАХ) диода
Широкое применение в области электроники получили полупроводниковые элементы, одним из которых является диод. Они используются практически во всех устройствах, но чаще — в различных блоках питания и для обеспечения электробезопасности. Каждый из них имеет свое конкретное предназначение и технические характеристики. Для выявления различного рода неисправностей и получения технических сведений нужно знать ВАХ диода.
Общие сведения
Диод (Д) — полупроводниковый элемент, служащий для пропускания тока через p-n-переход только в одном направлении. При помощи Д можно выпрямлять переменное U, получая из него постоянное пульсирующее. Для сглаживания пульсаций применяют фильтры конденсаторного или индуктивного типа, а иногда их и комбинируют.
Д состоит только из p-n-перехода с выводами, которые называются анодом (+) и катодом (-). Ток, при прохождении через проводник, оказывает на него тепловое действие. При нагреве катод испускает отрицательно заряженные частицы — электроны (Э). Анод притягивает электроны, так как обладает положительным зарядом. В процессе образуется эмиссионное поле, при котором возникает ток (эмиссионный). Между (+) и (-) происходит генерация пространственного отрицательного заряда, мешающего свободному движению Э. Э, достигшие анода, образуют анодный ток, а не достигшие — катодный. Если анодный и катодный токи равны нулю, Д находится в закрытом состоянии.
Устройство полупроводника
Д состоит из корпуса, изготавливаемого из прочного диэлектрического материала. В корпусе находится вакуумное пространство с 2 электродами (анод и катод). Электроды, представляющие металл с активным слоем, обладают косвенным накалом. Активный слой при нагревании испускает электроны. Катод устроен таким образом, что внутри его находится проволока, которая накаливается и испускает электроны, а анод служит для их приема.
В некоторых источниках анод и катод называют кристаллом, который изготавливается из кремния (Si) или германия (Ge). Одна из его составных частей имеет искусственный недостаток электронов, а другая — избыток (рис. 1). Между этими кристаллами существует граница, которая называется p-n-переходом.
Рисунок 1 — Схематическое изображение полупроводника p-n-типа.
Сферы применения
Д широко применяется в качестве выпрямителя переменного U в построении блоков питания (БП), диодных мостов, а также в виде одиночного элемента конкретной схемы. Д способен защитить цепь от несоблюдения полярности подключения источника питания. В цепи может произойти пробой какой-либо полупроводниковой детали (например, транзистора) и повлечь за собой процесс выхода из строя цепочки радиоэлементов. При этом применяется цепочка из нескольких Д, подключенных в обратном направлении. На основе полупроводников создаются переключатели для коммутации высокочастотных сигналов.
Д применяются в угольной и металлургической промышленностях, особенно при создании искробезопасных цепей коммутации в виде диодных барьеров, ограничивающих U в необходимой электрической цепи. Диодные барьеры применяются вместе с ограничителями тока (резисторами) для уменьшения значений I и повышения степени защиты, а следовательно, электробезопасности и пожаробезопасности предприятия.
Вольт-амперная характеристика
ВАХ — это характеристика полупроводникового элемента, показывающая зависимость I, проходящего через p-n-переход, от величины и полярности U (рис. 1).
Рисунок 1 — Пример вольт-амперной характеристики полупроводникового диода.
ВАХ отличаются между собой и это зависит от типа полупроводникового прибора. Графиком ВАХ является кривая, по вертикали которой отмечены значения прямого I (вверху). Внизу отмечены значения I при обратном подключении. По горизонтали указаны показания U при прямом и обратном включении. Схема состоит из 2 частей:
- Верхняя и правая — Д функционирует в прямом подключении. Показывает пропускной I и линия идет вверх, что свидетельствует о росте прямого U (Uпр).
- Нижняя часть слева — Д находится в закрытом состоянии. Линия идет практически параллельно оси и свидетельствует о медленном нарастании Iобр (обратного тока).
Из графика можно сделать вывод: чем круче вертикальная часть графика (1 часть), тем ближе нижняя линия к горизонтальной оси. Это свидетельствует о высоких выпрямительных свойствах полупроводникового прибора. Необходимо учитывать, что ВАХ зависит от температуры окружающей среды, при понижении температуры происходит резкое понижение Iобр. Если температура повышается, то повышается и Iобр.
Построение графика
Построить ВАХ для конкретного типа полупроводникового прибора несложно. Для этого необходимы блок питания, мультиметр (вольтметр и амперметр) и диод (можно построить для любого полупроводникового прибора). Алгоритм построения ВАХ следующий:
- Подключить БП к диоду.
- Произвести измерения U и I.
- Внести данные в таблицу.
- На основании табличных данных построить график зависимости I от U (рис. 2).
Рисунок 2 — Пример нелинейной ВАХ диода.
ВАХ будет различна для каждого полупроводника. Например, одним из самых распространенных полупроводников является диод Шоттки, названный немецким физиком В. Шоттки (рисунок 3).
Рисунок 3 — ВАХ Шоттки.
Исходя из графика, носящего асимметричный характер, видно, что для этого типа диода характерно малое падение U при прямом подключении. Присутствует экспоненциальное увеличение I и U. Ток в барьере обусловлен отрицательно заряженными частицами при обратном и прямом смещениях. Шоттки обладают высоким быстродействием, так как диффузные и рекомбинационные процессы отсутствуют. I зависит от U благодаря изменению количества носителей, принимающих участие в процессах переноса заряда.
Кремниевый полупроводник широко применяется практически во всех электрических схемах устройств. На рисунке 4 изображена его ВАХ.
Рисунок 4 — ВАХ кремниевого Д.
На рисунке 4 ВАХ начинается с 0,6-0,8 В. Кроме кремниевых Д существуют еще германиевые, которые при нормальной температуре будут нормально работать. Кремниевый имеет меньший Iпр и Iобр, поэтому тепловой необратимый пробой у германиевого Д наступает быстрее (при подаче высокого Uобр), чем у его конкурента.
Выпрямительный Д применяется для преобразования переменного U в постоянное и на рисунке 5 приведена его ВАХ.
Рисунок 5 — ВАХ выпрямительного Д.
На рисунке изображена теоретическая (пунктирная кривая) и практическая (экспериментальная) ВАХ. Они не совпадают из-за того, что в теории не учитывались некоторые аспекты:
- Наличие R (сопротивления) эмиттерной области кристалла, выводов и контактов.
- Токи утечки.
- Процессы генерации и рекомбинации.
- Пробои различных типов.
Кроме того, температура окружающей среды значительно влияет на измерения, и ВАХ не совпадают, так как теоретические значения получают при температуре +20 градусов. Существуют и другие важные характеристики полупроводников, которые можно понять по маркировке на корпусе.
Существуют и дополнительные характеристики. Они нужны для применения Д в определенной схеме с U и I. Если использовать маломощный Д в устройствах с U, превышающем максимально допустимое Uобр, то произойдет пробой и выход из строя элемента, а также это может повлечь за собой цепочку выхода других деталей из строя.
Дополнительные характеристики: максимальные значения Iобр и Uобр; прямые значения I и U; ток перегрузки; максимальная температура; рабочая температура и так далее.
ВАХ помогает определить такие сложные неисправности Д: пробой перехода и разгерметизация корпуса. Сложные неисправности могут привести к выходу из строя дорогостоящих деталей, следовательно, перед монтажом Д на плату необходимо его проверить.
Возможные неисправности
Согласно статистике, Д или другие полупроводниковые элементы выходят из строя чаще, чем другие элементы схемы. Неисправный элемент можно вычислить и заменить, но иногда это приводит к потере функциональности. Например, при пробое p-n-перехода, Д превращается в обыкновенный резистор, а такая трансформация может привести к печальным последствиям, начиная от выхода из строя других элементов и заканчивая пожаром или поражением электрическим током. К основным неисправностям относятся:
- Пробой. Диод утрачивает способность пропускать ток в одном направлении и становится обычным резистором.
- Конструктивное повреждение.
- Утечка.
При пробое Д не пропускает ток в одном направлении. Причин может быть несколько и возникают они при резких ростах I и U, которые являются недопустимыми значениями для определенного Д. Основные виды пробоев p-n-перехода:
- Тепловой.
- Электрический.
При тепловом на физическом уровне происходит значительный рост колебания атомов, деформация кристаллической решетки, перегрев перехода и попадание электронов в проводимую зону. Процесс необратим и приводит к повреждению радиодетали.
Электрические пробои носят временный характер (кристалл не деформируется) и при возвращении к нормальному режиму работы его функции полупроводника возвращаются. Конструктивным повреждением являются физические повреждения ножек и корпуса. Утечка тока возникает при разгерметизации корпуса.
Для проверки Д достаточно выпаять одну ножку и прозвонить его мультиметром или омметром на наличияе пробоя перехода (должен звониться только в одном направлении). В результате появится значение R p-n-перехода в одном направлении, а в другом прибор покажет бесконечность. Если звониться в 2 направления, то радиодеталь неисправна.
Если отпала ножка, то ее нужно припаять. При повреждении корпуса — деталь необходимо заменить на исправную.
При разгерметизации корпуса понадобится построение графика ВАХ и сравнение его с теоретическим значением, взятым из справочной литературы.
Таким образом, ВАХ позволяет не только получить справочные данные о диоде или любом полупроводниковом элементе, но и выявить сложные неисправности, которые невозможно определить при проверке прибором.
Что такое вольт амперная характеристика диода
Для практических целей режимы работы диода должны быть описаны величинами и характеристиками, задаваемыми и измеряемыми с помощью внешних источников и приборов. Такими величинами являются напряжение $U_$ и ток $I_$ накала, напряжение $U_$ и ток $I_$ анода, а также геометрические параметры электродов.
Основной практической характеристикой работы диода является вольт–амперная характеристика (ВАХ) — зависимость тока анода от напряжения анод–катод $I_=f(U_).$ Поскольку конкретный вид ВАХ зависит от величины тока накала, то работа диода описывается семейством ВАХ $I_=\left.f(U_)\right|_=const>.$ На рис. 7 изображено семейство и одиночная ВАХ диода. Режим отрицательного анодного напряжения (I) называется режимом задерживающего потенциала. В первом приближении можно считать, что в этой области зависимость тока от напряжения носит экспоненциальный характер $$ j_=j_\exp(\frac),\ \ \ j_=AT^\exp(-\frac), $$ и определяется максвелловским распределением электронов по скоростям. Этот режим используется в лабораторной работе 2.3.
Режим «закона трех вторых» (область II) используется в работе 2.2. Можно считать, что в этой области зависимость плотности анодного тока от анодного напряжения описывается формулой $$ j_=\frac><9\pi>\sqrt>\frac>>
Области режимов I и II разделены областью переходного режима I’, в которой влияние контактной разности потенциалов и потенциального барьера в диодном зазоре, возникающего за счет начальных тепловых скоростей электронов (при нулевом внешнем напряжении катод–анод), приводят к отклонениям от расчетных формул.
Режим эффекта Шоттки (область III) также отделен от режима трех вторых переходной областью II’, в которой проявляется неоднородность температуры и работы выхода по поверхности катода. В области III анодный ток равен току эмиссии $I_=I_$ и его зависимость от анодного напряжения (от напряженности поля вблизи катода) описывается формулой $$ j_>=j_>\exp\fracE_>>. $$ Этот режим используется в лабораторной работе 2.1.
Вольтамперные характеристики полупроводников
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) — зависимость тока, протекающего через сопротивление, от напряжения на этом сопротивлении, выраженная графически. ВАХ могут быть линейными и нелинейными, и в зависимости от этого сопротивления и цепи, содержащие данные сопротивления, разделяются на линейные и нелинейные.
Итак, вольтамперная характеристика — зависимость электрического напряжения от силы тока в электрической цепи или её отдельных элементах (реостате, конденсаторе и др.). У линейных элементов электрической цепи вольтамперная характеристика — прямая линия.
При повышении напряжения, приложенного к полупроводнику, величина тока в нем возрастает значительно быстрее напряжения (рис. 1), т. е. наблюдается нелинейная зависимость между током и напряжением. Если при перемене напряжения U на обратное (—U) изменение тока в полупроводнике имеет такой же характер, но в обратном направлении, то такой полупроводник обладает симметричной вольтамперной характеристикой .
В полупроводниковых выпрямительных диодах подбором полупроводников с разного типа электропроводностью (n-типа и р-типа) добиваются несимметричной вольтамперной характеристики (рис. 2).
В результате этого при одной полуволне переменного напряжения полупроводниковый выпрямитель будет пропускать ток. Это ток, протекающий в прямом направлении Iпр, который быстро возрастает с повышением первой полуволны переменного напряжения.
При воздействии же второй полуволны напряжения система двух полупроводников (в плоскостном выпрямителе) не пропускает тока в обратном направлении Iобр. Очень незначительная величина тока Iобр протекает через р-n-переход вследствие наличия в полупроводниках неосновных носителей тока (электронов в полупроводнике р-типа и дырок в полупроводнике n-типа). Причиной этого является большое сопротивление переходного слоя (р-n-переход), возникающего между полупроводником р-типа и полупроводником n-типа.
С дальнейшим повышением второй полуволны переменного напряжения обратный ток Iобр начнет медленно возрастать и может достигнуть значений, при которых наступит пробой запорного слоя (р-n-перехода).
Рис. 1. Вольт-амперная характеристика полупроводника
Рис. 2. Несимметричная вольтамперная характеристика полупроводникового выпрямителя (плоскостной диод)
Чем больше отношение величины прямого тока к величине обратного тока (измеренных при одинаковых значениях напряжения), тем лучше свойства выпрямителя. Это оценивается величиной коэффициента выпрямления, представляющего собой отношение прямого тока I’пр к обратному I’обр при одной и той же величине напряжения:
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Характеристики полупроводниковых диодов
Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода представлена на рис. 76 . С увеличением напряжения в направлении проводимости диода (так называемое прямое напряжение) прямой ток через прибор резко увеличивается. При противоположной полярности приложенного напряжения (так называемое обратное напряжение) возникает ток насыщения I0 — обратный ток через n—р-переход, практически не зависящий от величины обратного напряжения.
| Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода аналитически выражается следующей формулой: (88) где I — ток, протекающий через диод; q — заряд электрона; k — постоянная Больцмана; I 0 — ток насыщения (обратный ток); T — абсолютная температура. Рис. 76. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода. |
При комнатной температуре q/kT примерно равно 40 1/в, и формула (88) примет вид I = I 0 (e 40U-1 ). (89) Из формулы (89) следует, что при положительном (прямом) напряжении, приложенном к n—р-переходу, начиная с напряжения порядка 0,04—0,05 в, экспоненциальный член еои много больше единицы, и ток через n — р-переход с увеличением напряжения резко возрастет.
Наоборот, при отрицательных (обратных) напряжениях, экспоненциальный член е — 40U =1/e 40U будет много меньше единицы, им можно пренебречь и считать, что ток, проходящий через полупроводниковый диод , т. е. обратный ток, равен току, проходящему через n — р-переход при отсутствии внешнего напряжения. Если обратное напряжение превысит допустимое максимальное напряжение U обр.макс , то наступит перегрев и разрушение диода. Чем больше протяженность отрицательной ветви вольт-амперной характеристики, тем большей способностью выдерживать без пробоя обратное напряжение обладает диод. Пробой наступает вследствие того, что под действием сильного электрического поля электроны освобождаются от ковалентных связей, увеличивают свою энергию и, двигаясь с повышенными скоростями внутри полупроводника, ионизируют его нейтральные атомы. Появляются новые свободные электроны и дырки, что приводит к лавинообразному увеличению обратного тока, а следовательно, и к перегреву n — р-перехода. Сопротивление n — р-перехода переменному току в данной точке вольт-амперной характеристики определяется ее наклоном и может быть определено дифференцированием выражения (88): (90) откуда При комнатной температуре можно считать, что где I и I 0 — в миллиамперах, R — сопротивление полупроводникового диода — в омах. Формула (90) и характеристика сопротивления R, представленная пунктиром на рис. 76 , показывают, что с увеличением тока сопротивление перехода падает и составляет величину порядка единиц или даже десятых долей ома. При обратном напряжении, когда I → I 0 , сопротивление n — р-перехода имеет величину порядка десятков и сотен тысяч ом. Анализ вольт-амперной характеристики полупроводникового диода показывает, что он является нелинейным элементом, его сопротивление меняется в зависимости от величины и знака приложенного напряжения. Эти свойства полупроводникового диода позволяют его использовать для выпрямления переменного тока, преобразования частоты, ограничения амплитуд и т. д.
- Прямой ток — ток, протекающий через диод, когда к нему приложено постоянное прямое напряжение в один вольт.
- Обратный ток — ток, протекающий через диод, когда к нему приложено наибольшее постоянное допустимое обратное напряжение.
- Обратное пробивное напряжение — напряжение, при котором диод выходит из строя.
- Допустимая амплитуда обратного напряжения — наибольшая амплитуда обратного напряжения, которая может быть приложена к прибору в обратном направлении в течение продолжительного времени, не вызывая пробоя.
- Среднее значение выпрямленного тока — постоянная составляющая выпрямленного тока диода, которая может протекать через диод долгое время, не вызывая его перегрева.
Для оценки электрических свойств полупроводниковых плоскостных диодов пользуются следующими параметрами:
- Подводимое переменное напряжение — максимальное действующее значение переменного синусоидального напряжения в вольтах, которое можно подавать на вход диода в течение продолжительного времени без пробоя.
- Прямое падение напряжения — среднее значение напряжения на диоде при максимально допустимом выпрямленном токе. Оно характеризует внутреннее сопротивление прибора при прохождении через него прямого тока и обычно составляет величину порядка десятых долей вольта.
- Выпрямленный ток — постоянная составляющая тока диода, которая при длительном протекании через диод не вызывает его перегрева, измеряется в миллиамперах или в амперах.
- Обратный ток — среднее значение обратного тока диода, когда к нему приложено допустимое обратное переменное напряжение. Он характеризует внутреннее сопротивление диода в обратном направлении.
Основные особенности вольт-амперной характеристики полупроводникового диода по сравнению с соответствующей характеристикой вакуумного диода заключается в следующем:
- При изменении знака приложенного напряжения в полупроводниковом диоде меняется направление тока, протекающего через прибор, а в вакуумном диоде оно остается неизменным.
- При отсутствии внешнего приложенного напряжения в полупроводниковом диоде отсутствует ток, а через вакуумный диод протекает небольшой начальный ток.
- При отрицательных (обратных) напряжениях через полупроводниковый диод протекает обратный ток порядка единиц и десятков микроампер, а в вакуумном диоде ток практически отсутствует.
В отличие от точечных полупроводниковых диодов, у которых большинство параметров измеряется на постоянном токе, все параметры плоскостных полупроводниковых диодов измеряют обычно на переменном токе с частотой 50 гц.