Главная > Электронные компоненты > P-N-переход и диод. Принцип работы диода. Вольт-амперная характеристика. Пробои p-n перехода


P-N-переход и диод. Принцип работы диода. Вольт-амперная характеристика. Пробои p-n перехода




Всего с одним p-n переходом, имеющий два внешних вывода анод и катод. Он используется для выпрямления, детектирования, модуляции, ограничения и различных видов преобразования электрических сигналов. По функциональному назначению диоды классифицируются на выпрямительные, универсальные, СВЧ, стабилитроны, импульсные, варикапы, варисторы, переключающие, туннельные т.д.



Структурно диод можно представить кристаллом полупроводника, состоящим из двух областей. Одна с проводимостью p -типа, а другая – проводимостью n -типа.


Работа диода поясняющая структурная схема

Анод это плюсовой электрод, в нем основными носителями заряда являются дырки.

Катод это минусовой электрод, в нем основными носителями заряда являются электроны.

На внешних поверхностях двух областей имеются контактные металлические слои, к которым припаяны внешние выводы. Такой полупроводниковый прибор может быть только в одном из двух состояний: открыт и закрыт

Если к выводам полупроводникового прибора подсоединить постоянное напряжение: на анод подать плюс» а на вывод катода соответственно «минус», то диод откроется и через него начнет идти ток, величина которого зависит от приложенного напряжения и внутренних свойств диода.

При прямом включении электроны из n области устремятся навстречу дыркам в p-область, а дырки из p в область n. На границе электронно-дырочного перехода, они встретятся, и осуществится их взаимное поглощение или рекомбинация.

Вывод диода, подключенный к минусу, будет посылать в область n огромное количество электронов, пополняя их убывание. А вывод, соединенный с плюсом, помогает восстанавливать концентрация дырок в области p. То есть, проводимость электронно-дырочного перехода увеличится, а сопротивление току резко уменьшится, а значит, через диод потечет ток, называемый прямым током диода Iпр.

Изменим полярность нашего подключения и посмотрим на изменения в работе подключенного полупроводникового прибора.

В этом случае электроны и дырки будут, оттеснятся от p-n перехода, а на границе электронно-дырочного перехода резко возрастает потенциальный барьер или другими словами зона обедненная носителями заряда дырками и электронами, которая будет препятствовать прохождению тока.

Но, так как в каждой из области имеется небольшое количество неосновных носителей заряда, то небольшой обмен носителями заряда между областями все же происходит, но он очень мал. Такой ток получил название обратный ток Iобр.

Работа диода прямое и обратное напряжение

Напряжение, открытия диода, когда через него течет прямой ток называют прямым U пр, а напряжение обратной полярности, при котором он запирается и через него течет I обр называют обратным U обр. При U пр внутреннее сопротивление не выше нескольких десятков Ом, зато при U обр сопротивление резко увеличивается до сотен и даже тысяч килоом. Это легко увидеть, если измерить обратное сопротивление с помощью мультиметра.

Сопротивление электронно-дырочного перехода величина не постоянная и зависит от Uпр. Чем оно выше, тем меньше сопротивление p-n переход, тем выше Iпр идущий через полупроводник. В закрытом состоянии на нем падает почти все напряжение, поэтому, Iобр ничтожно мал, а сопротивление p-n перехода огромно.

Если мы подсоединим диод в цепь переменного тока, то он будет открыт при положительных полуволне синусоидального напряжения, пропуская прямой ток, и заперт при отрицательной полуволне, почти не пропуская Iобр. Это главное свойства диодов используют для преобразования переменного напряжения в постоянный, и такие приборы называют выпрямительными.

Зависимость тока, проходящего через электронно-дырочный переход, от величины и полярности напряжения изображают в виде кривой, называемой ВАХ

Она состоит из двух ветвей: прямая ветвь - соответствует прямому току через диод, и обратная ветвь, соответствующая обратному току.

Прямая ветвь графика круто поднимается вверх и характеризует быстрый рост прямого тока с ростом значения прямого напряжения. Обратная ветвь, наоборот следует почти параллельно горизонтальной оси и характеризует медленный рост I обр. Чем ближе к вертикальной оси прямая ветвь и чем ближе к горизонтальной оси обратная ветвь, тем лучше выпрямительные свойства полупроводника. Наличие Iобр является недостатком. Из кривой ВАХ видно, что I пр во много больше I обр.

Как мы видим из графика с увеличением прямого напряжения через электронно-дырочный переход ток сначало возрастает медленно, а затем гораздо быстрее.

Но такое резкое увеличение тока нагревает молекулы полупроводника. И если количество тепла будет выше отводимого от кристалл, то могут случится необратимые изменения и разрушение кристаллической решетки.

Поэтому необходимо использовать ограничительное сопротивление включенное последовательно.

При сильном увеличении обратного напряжения, может произойти пробой электронно-дырочного прибора. Даже существуют специальные полупроводниковые приборы называемые стабилитронами в которых применяется это свойство.

Работа диода - пробой p-n перехода

Пробой p-n перехода это явление резкого возрастания обратного тока при достижении обратным напряжением определенного критического уровня. Тепловые пробои в свою очередь делятся на электрический и тепловой, а электрический пробой бывает туннельный и лавинный.

Электрический пробой происходит в результате воздействия сильного электрического поля в переходе. Такой пробой считается обратимым, так как он не приводит к повреждению кристалла, и при снижении уровня обратного напряжения характеристики диода сохраняются.

Туннельный пробой возникает в результате туннельного эффекта, который заключается в том, что при высокой напряженности электрического поля в узком p-n переходе, отдельные электроны просачиваются через переход. Такие p-n переходы возможны только при условии высокой концентрации примесей в молекуле полупроводника.

При туннельном пробое происходит резкий рост Iобр при малом обратном напряжении. На основе этого свойства были разработаны туннельные диоды. Они применяются в усилителях, генераторах синусоидальных колебаний и в различных переключающих устройствах на высоких частотах.

Лавинный пробой происходит также под действием сильного электрического поля, когда неосновные носители зарядов под действием тепла в переходе ускоряются на столько, что выбивают из атома один из валентных электронов и выкидывают его в зону проводимости, создав при этом пару электрон – дырка. Образовавшиеся свободные носители начинают разгоняться и сталкиваться с другими атомами, выбивая другие электроны. Процесс носит лавинообразный характер, что приводит к резкому увеличению Iобр при практически неизменном уровне напряжения.

Эффект лавинного пробоя применяется в мощных выпрямительных агрегатах, используемых в металлургической и химической промышленности, а также в железнодорожном транспорте.

Тепловой пробой происходит из-за перегрева p-n перехода при протекании большого уровня тока, и при плохом теплоотводе. Это приводит к резкому возрастанию температуры перехода и соседних с ним областе, увеличивается колебания атомов структуры кристалла, исчезает связь валентных электронов. Электроны начинают уходить в в зону проводимости, идет лавинообразное повышение температуры, что приводит к разрушению кристалла и выходу из строя радиокомпонента.

Описание работы выпрямительного устройства на полупроводниковых диодах

Принцип работы стабилитрона

Стабилитрон - разновидность полупроводникового диода, работающего при напряжении обратного смещении в режиме пробоя. До момента наступления пробоя через стабилитрон текут совсем незначительные токи утечки, а его сопротивление достаточно высокое. В момент пробоя ток через него резко увеличивается, а его дифференциальное сопротивление снижается до малых величин. За счет этого в режиме пробоя напряжение на стабилитроне поддерживается с неплохой точностью в большом диапазоне обратных токов.

Диод является одной из разновидностей приборов, сконструированных на полупроводниковой основе. Обладает одним p-n переходом, а также анодным и катодным выводом. В большинстве случаев он предназначен для модуляции, выпрямления, преобразования и иных действий с поступающими электрическими сигналами.

Принцип работы:

  1. Электрический ток воздействует на катод, подогреватель начинает накаливаться, а электрод испускать электроны.
  2. Между двумя электродами происходит образование электрического поля.
  3. Если анод обладает положительным потенциалом , то он начинает притягивать электроны к себе, а возникшее поле является катализатором данного процесса. При этом, происходит образование эмиссионного тока.
  4. Между электродами происходит образование пространственного отрицательного заряда, способного помешать движению электронов. Это происходит, если потенциал анода оказывается слишком слабым. В таком случае, частям электронов не удается преодолеть воздействие отрицательного заряда, и они начинают двигаться в обратном направлении, снова возвращаясь к катоду.
  5. Все электроны , которые достигли анода и не вернулись к катоду, определяют параметры катодного тока. Поэтому данный показатель напрямую зависит от положительного анодного потенциала.
  6. Поток всех электронов , которые смогли попасть на анод, имеет название анодный ток, показатели которого в диоде всегда соответствуют параметрам катодного тока. Иногда оба показателя могут быть нулевыми, это происходит в ситуациях, когда анод обладает отрицательным зарядом. В таком случае, возникшее между электродами поле не ускоряет частицы, а, наоборот, тормозит их и возвращает на катод. Диод в таком случае остается в запертом состоянии, что приводит к размыканию цепи.


Устройство


Ниже приводится подробное описание устройства диода, изучение этих сведений необходимо для дальнейшего понимания принципов действия этих элементов:

  1. Корпус представляет собой вакуумный баллон, который может быть изготовлен из стекла, металла или прочных керамических разновидностей материала.
  2. Внутри баллона имеется 2 электрода. Первый является накаленным катодом, который предназначен для обеспечения процесса эмиссии электронов. Самый простейший по конструкции катод представляет собой нить с небольшим диаметром, которая накаливается в процессе функционирования, но на сегодняшний день более распространены электроды косвенного накала. Они представляют собой цилиндры, изготовленные из металла, и обладающие особым активным слоем, способным испускать электроны.
  3. Внутри катода косвенного накала имеется специфический элемент – проволока, которая накаливается под воздействием электрического тока, она называется подогреватель.
  4. Второй электрод является анодом, он необходим для приема электронов, которые были выпущены катодом. Для этого он должен обладать положительным относительно второго электрода потенциалом. В большинстве случаев анод также имеет цилиндрическую форму.
  5. Оба электрода вакуумных приборов полностью идентичны эмиттеру и базе полупроводниковой разновидности элементов.
  6. Для изготовления диодного кристалла чаще всего используется кремний или германий. Одна из его частей является электропроводимой по p-типу и имеет недостаток электронов, который образован искусственным методом. Противоположная сторона кристалла также имеет проводимость, но n-типа и обладает избытком электронов. Между двумя областями имеется граница, которая и называется p-n переходом.

Такие особенности внутреннего устройства наделяют диоды их главным свойством – возможностью проведения электрического тока только в одном направлении.

Назначение



Ниже приводятся основные области применения диодов, на примере которых становится понятно их основное назначение:

  1. Диодные мосты представляют собой 4, 6 или 12 диодов, соединенных между собой, их количество зависит от типа схемы, которая может быть однофазной, трехфазной полумостовой или трехфазной полномостовой. Они выполняют функции выпрямителей, такой вариант чаще всего используется в автомобильных генераторах, поскольку внедрение подобных мостов, а также использование вместе с ними щеточно-коллекторных узлов, позволило в значительной степени сократить размеры данного устройства и увеличить степень его надежности. Если соединение выполнено последовательно и в одну сторону, то это повышает минимальные показатели напряжения, которое потребуется для отпирания всего диодного моста.
  2. Диодные детекторы получаются при комбинированном использовании данных приборов с конденсаторами. Это необходимо для того, чтобы было можно выделить модуляцию с низкими частотами из различных модулированных сигналов, в том числе амплитудно-модулированной разновидности радиосигнала. Такие детекторы являются частью конструкции многих бытовых потребителей, например, телевизоров или радиоприемников.
  3. Обеспечение защиты потребителей от неверной полярности при включении схемных входов от возникающих перегрузок или ключей от пробоя электродвижущей силой, возникающей при самоиндукции, которая происходит при отключении индуктивной нагрузки. Для обеспечения безопасности схем от возникающих перегрузок, применяется цепочка, состоящая из нескольких диодов, имеющих подключение к питающим шинам в обратном направлении. При этом, вход, которому обеспечивается защита, должен подключаться к середине этой цепочки. Во время обычного функционирования схемы, все диоды находятся в закрытом состоянии, но если ими было зафиксировано, что потенциал входа ушел за допустимые пределы напряжения, происходит активация одного из защитных элементов. Благодаря этому, данный допустимый потенциал получает ограничение в рамках допустимого питающего напряжения в сумме с прямым падением показателей напряжение на защитном приборе.
  4. Переключатели , созданные на основе диодов, используются для осуществления коммутации сигналов с высокими частотами. Управление такой системой осуществляется при помощи постоянного электрического тока, разделения высоких частот и подачи управляющего сигнала, которое происходит благодаря индуктивности и конденсаторам.
  5. Создание диодной искрозащиты . Используются шунт-диодные барьеры, которые обеспечивают безопасность путем ограничения напряжения в соответствующей электрической цепи. В совокупности с ними применяются токоограничительные резисторы, которые необходимы для ограничения показателей электрического тока, проходящего через сеть, и увеличения степени защиты.

Использование диодов в электронике на сегодняшний день весьма широко, поскольку фактически ни одна современная разновидность электронного оборудования не обходится без этих элементов.

Прямое включение диода


На p-n-переход диода может оказывать воздействие напряжение, подаваемое с внешних источников. Такие показатели, как величина и полярность, будут сказываться на его поведении и проводимом через него электрическом токе.

Ниже подробно рассмотрен вариант, при котором происходит подключение плюса к области p-типа, а отрицательного полюса к области n-типа. В этом случае произойдет прямое включение:

  1. Под воздействием напряжения от внешнего источника, в p-n-переходе сформируется электрическое поле, при этом его направление будет противоположным относительно внутреннего диффузионного поля.
  2. Напряжение поля значительно снизится, что вызовет резкое сужение запирающего слоя.
  3. Под воздействием этих процессов значительное количество электронов обретет возможность свободно переходить из p-области в n-область, а также в обратном направлении.
  4. Показатели тока дрейфа во время этого процесса остаются прежними, поскольку они напрямую зависят только от числа неосновных заряженных носителей, находящихся в области p-n-перехода.
  5. Электроны обладают повышенным уровнем диффузии, что приводит к инжекции неосновных носителей. Иными словами, в n-области произойдет повышение количества дырок, а в p-области будет зафиксирована повышенная концентрация электронов.
  6. Отсутствие равновесия и повышенное число неосновных носителей заставляет их уходить вглубь полупроводника и смешиваться с его структурой, что в итоге приводит к разрушению его свойств электронейтральности.
  7. Полупроводник при этом способен восстановить свое нейтральное состояние, это происходит благодаря получению зарядов от подключенного внешнего источника, что способствует появлению прямого тока во внешней электрической цепи.

Обратное включение диода


Теперь будет рассмотрен другой способ включения, во время которого изменяется полярность внешнего источника, от которого происходит передача напряжения:

  1. Главное отличие от прямого включения заключается в том , что создаваемое электрическое поле будет обладать направлением, полностью совпадающим с направлением внутреннего диффузионного поля. Соответственно, запирающий слой будет уже не сужаться, а, наоборот, расширяться.
  2. Поле, находящееся в p-n-переходе , будет оказывать ускоряющий эффект на целый ряд неосновных носителей заряда, по этой причине, показатели дрейфового тока останутся без изменений. Он будет определять параметры результирующего тока, который проходит через p-n-переход.
  3. По мере роста обратного напряжения , электрический ток, протекающий через переход, будет стремиться достичь максимальных показателей. Он имеет специальное название – ток насыщения.
  4. В соответствии с экспоненциальным законом , с постепенным увеличением температуры будут увеличиваться и показатели тока насыщения.

Прямое и обратное напряжение


Напряжение, которое оказывает воздействие на диод, разделяют по двум критериям:

  1. Прямое напряжение – это то, при котором происходит открытие диода и начинается прохождение через него прямого тока, при этом показатели сопротивления прибора являются крайне низкими.
  2. Обратное напряжение – это то, которое обладает обратной полярностью и обеспечивает закрытие диода с прохождением через него обратного тока. Показатели сопротивления прибора при этом начинают резко и значительно расти.

Сопротивление p-n-перехода является постоянно меняющимся показателем, в первую очередь на него оказывает влияние прямое напряжение, подающееся непосредственно на диод. Если напряжение увеличивается, то показатели сопротивления перехода будут пропорционально уменьшаться.

Это приводит к росту параметров прямого тока, проходящего через диод. Когда данный прибор закрыт, то на него воздействует фактически все напряжение, по этой причине показатели проходящего через диод обратного тока являются незначительными, а сопротивление перехода при этом достигает пиковых параметров.

Работа диода и его вольт-амперная характеристика


Под вольт-амперной характеристикой данных приборов понимается кривая линия, которая показывает то, в какой зависимости находится электрический ток, протекающий через p-n-переход, от объемов и полярности напряжения, воздействующего на него.

Подобный график можно описать следующим образом:

  1. Ось, расположенная по вертикали: верхняя область соответствует значениям прямого тока, нижняя область параметрам обратного тока.
  2. Ось, расположенная по горизонтали: область, находящаяся справа, предназначена для значений прямого напряжения; область слева для параметров обратного напряжения.
  3. Прямая ветвь вольт-амперной характеристики отражает пропускной электрический ток через диод. Она направлена вверх и проходит в непосредственной близости от вертикальной оси, поскольку отображает увеличение прямого электрического тока, которое происходит при увеличении соответствующего напряжения.
  4. Вторая (обратная) ветвь соответствует и отображает состояние закрытого электрического тока, который также проходит через прибор. Положение у нее такое, что она проходит фактически параллельно относительно горизонтальной оси. Чем круче эта ветвь подходит к вертикали, тем выше выпрямительные возможности конкретного диода.
  5. По графику можно наблюдать , что после роста прямого напряжения, протекающего через p-n-переход, происходит медленное увеличение показателей электрического тока. Однако постепенно, кривая достигает области, в которой заметен скачок, после которого происходит ускоренное нарастание его показателей. Это объясняется открытием диода и проведением тока при прямом напряжении. Для приборов, изготовленных из германия, это происходит при напряжении равном от 0,1В до 0,2В (максимальное значение 1В), а для кремниевых элементов требуется более высокий показатель от 0,5В до 0,6В (максимальное значение 1,5В).
  6. Показанное увеличение показателей тока может привести к перегреву полупроводниковых молекул. Если отведение тепла, происходящее благодаря естественным процессам и работе радиаторов, будет меньше уровня его выделения, то структура молекул может быть разрушена, и этот процесс будет иметь уже необратимый характер. По этой причине, необходимо ограничивать параметры прямого тока, чтобы не допустить перегрева полупроводникового материала. Для этого, в схему добавляются специальные резисторы, имеющие последовательное подключение с диодами.
  7. Исследуя обратную ветвь можно заметить, что если начинает увеличиваться обратное напряжение, которое приложено к p-n-переходу, то фактически незаметен рост параметров тока. Однако в случаях, когда напряжение достигает параметров, превосходящих допустимые нормы, может произойти внезапный скачок показателей обратного тока, что перегреет полупроводник и будет способствовать последующему пробою p-n-перехода.

Основные неисправности диодов


Иногда приборы подобного типа выходят из строя, это может происходить из-за естественной амортизации и старения данных элементов или по иным причинам.

Всего выделяют 3 основных типа распространенных неисправностей:

  1. Пробой перехода приводит к тому, что диод вместо полупроводникового прибора становится по своей сути самым обычным проводником. В таком состоянии он лишается своих основных свойств и начинает пропускать электрический ток в абсолютно любом направлении. Подобная поломка легко выявляется при помощи стандартного , который начинает подавать звуковой сигнал и показывать низкий уровень сопротивления в диоде.
  2. При обрыве происходит обратный процесс – прибор вообще перестает пропускать электрический ток в каком-либо направлении, то есть он становится по своей сути изолятором. Для точности определения обрыва, необходимо использовать тестеры с качественными и исправными щупами, в противном случае, они могут иногда ложно диагностировать данную неисправность. У сплавных полупроводниковых разновидностей такая поломка встречается крайне редко.
  3. Утечка , во время которой нарушается герметичность корпуса прибора, вследствие чего он не может исправно функционировать.

Пробой p-n-перехода

Подобные пробои происходят в ситуациях, когда показатели обратного электрического тока начинают внезапно и резко расти, происходит это из-за того, что напряжение соответствующего типа достигает недопустимых высоких значений.

Обычно различается несколько видов:

  1. Тепловые пробои , которые вызваны резким повышением температуры и последующим перегревом.
  2. Электрические пробои , возникающие под воздействием тока на переход.

График вольт-амперной характеристики позволяет наглядно изучать эти процессы и разницу между ними.

Электрический пробой

Последствия, вызываемые электрическими пробоями, не носят необратимого характера, поскольку при них не происходит разрушение самого кристалла. Поэтому при постепенном понижении напряжения можно восстановить всей свойства и рабочие параметры диода.

При этом, пробои такого типа делятся на две разновидности:

  1. Туннельные пробои происходят при прохождении высокого напряжения через узкие переходы, что дает возможность отдельно взятым электронам проскочить через него. Обычно они возникают, если в полупроводниковых молекулах имеется большое количество разных примесей. Во время такого пробоя, обратный ток начинает резко и стремительно расти, а соответствующее напряжение находится на низком уровне.
  2. Лавинные разновидности пробоев возможны благодаря воздействию сильных полей, способных разогнать носителей заряда до предельного уровня из-за чего они вышибают из атомов ряд валентных электронов, которые после этого вылетают в проводимую область. Это явление носит лавинообразный характер, благодаря чему данный вид пробоев и получил такое название.

Тепловой пробой

Возникновение такого пробоя может произойти по двум основным причинам: недостаточный теплоотвод и перегрев p-n-перехода, который происходит из-за протекания через него электрического тока со слишком высокими показателями.

Повышение температурного режима в переходе и соседних областях вызывает следующие последствия:

  1. Рост колебания атомов , входящих в состав кристалла.
  2. Попадание электронов в проводимую зону.
  3. Резкое повышение температуры.
  4. Разрушение и деформация структуры кристалла.
  5. Полный выход из строя и поломка всего радиокомпонента.

тепловым током, а доля теплового тока в обратном токе кремниевого диода очень мала. Обратный ток кремниевого диода определяется в основном генерационно-рекомбинационными процессами в p - n -переходе. Для инженерных расчетов обратного тока от температуры можно пользоваться приведенным ранее упрощенным выражением (2.4).

Прямая ветвь ВАХ диода отклоняется от идеализированной из-за наличия токов рекомбинации в p - n -переходе, падения напряжения на базе диода, изменения (модуляции) сопротивления базы при инжекции в нее неосновных носителей заряда и наличия в базе внутреннего поля, возникающего при большом токе инжекции. Запишем уравнение ВАХ идеальногоp - n -перехода (2.3) с учетом падения напряжения на базе диода:

где r б – омическое сопротивление базы диода.

Решение этого трансцендентного уравнения можно получить, прологарифмировав правую и левую части уравнения:


. (3.2)

Для малых токов это выражение можно упростить:


. (3.3)

Анализ уравнения (3.3) позволяет сделать некоторые интересные выводы. Падение напряжения на диоде зависит от тока через него и имеет большое значение у диодов с малымI T . Так как у кремниевых диодов тепловой ток мал, то и начальный участок прямой ветви ВАХ значительно более пологий, чем у германиевых. Объяснить это можно еще и тем, что ощутимый ток появляется в диоде, когда внешнее напряжение превышает контактную разность потенциалов к , а к (в соответствии с (2.1)) у кремниевогоp - n -перехода выше, чем у германиевого. Начальные участки прямой ветви ВАХ германиевого и кремниевого диодов показаны на рис. 3.2. Из рисунка видно, что напряжение на открытом кремниевом диоде обычно равно 0,60,8 В, напряжение на открытом германиевом диоде 0,20,3 В.

Ввиду огромного разнообразия применяемых диодов для отечественных полупроводниковых приборов используется специальная система обозначений. В основу системы обозначений положен буквенно-цифровой код.

Первый элемент кода обозначает исходный полупроводниковый материал, на основе которого изготовлен прибор. Используются следующие символы:

Г или 1 – для германия и его соединений;

К или 2 – для кремния и его соединений;

А или 3 – для соединений галлия (например, для арсенида галлия);

И или 4 – для соединений индия (например, для фосфида индия).

Второй элемент обозначения – буква, определяющая подкласс (или группу) приборов. Вот лишь некоторые из обозначений:

Д – диоды выпрямительные и импульсные;

Ц – выпрямительные столбы и блоки;

В – варикапы;

И – туннельные диоды;

А – сверхвысокочастотные диоды;

С – стабилитроны;

О – оптопары;

Н – динисторы;

У – триодные тиристоры…

Третий элемент обозначения – цифра, определяющая основные функциональные возможности прибора. Стандарт устанавливает использование каждой цифры применительно к различным подклассам приборов. При необходимости Вы можете это найти в специальной справочной литературе.

Четвертый элемент – число, обозначающее порядковый номер разработки.

Пятый элемент – буква, условно определяющая классификацию (разбраковку по параметрам) приборов, изготовленных по единой технологии.

Таким образом, зная систему условных обозначений, мы можем сказать, что ГД107Б – это германиевый выпрямительный диод с I ср вп 10 А, номер разработки 7, группа Б, а 2Ц202Г – столб выпрямительный из кремниевых диодов с 0,3 АI ср вп 10 А, номер разработки 2, группа Г.

3.2. Выпрямительные диоды

Диоды, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный, к быстродействию, емкости p - n -перехода и стабильности параметров которых обычно не предъявляют специальных требований, называютвыпрямительными . В качестве выпрямительных диодов используют сплавные, эпитаксиальные и диффузионные диоды, выполненные на основе несимметричныхp - n -переходов.

Для выпрямительных диодов характерно, что они имеют малые сопротивления в проводящем состоянии и позволяют пропускать большие токи. Барьерная емкость из-за большой площади p - n -переходов велика и достигает значений десятков пикофарад.

К основным параметрам диодов, приводимым в технической документации и справочной литературе, относятся:

1. Максимально допустимое обратное напряжение диода (U обр max ). Это значение напряжения, приложенного в обратном направлении, которое диод может выдержать в течение длительного времени без нарушения его работоспособности. Для различных диодов это напряжение может составлять от десятков до тысяч вольт.

2. Средний выпрямленный ток диода (I ср вп ) – максимально допустимое, среднее за период значение выпрямленного постоянного тока, протекающего через диод. Для различных диодов этот ток может составлять от сотен миллиампер до десятков ампер.

3. Импульсный прямой ток диода (I пр и ) – допустимое пиковое значение импульса тока при заданной максимальной длительности и скважности импульсов.

4. Обратный ток диода (I обр ) – постоянный обратный ток, обусловленный постоянным обратным напряжением.

5. Постоянное прямое напряжение (U пр ) – постоянное прямое напряжение, обусловленное заданным значением прямого тока. Отношение этих величин определяет сопротивление диода по постоянному току в заданной точке ВАХ.

3.3. Импульсные диоды

Импульсные диоды имеют малую длительность переходных процессов и предназначены для работы в импульсных цепях. От выпрямительных диодов они отличаются малыми емкостямиp - n -перехода (доли пикофарад) и рядом параметров, определяющих переходные характеристики диода. Уменьшение емкостей достигается за счет уменьшения площадиp - n -перехода, поэтому допустимые мощности рассеяния у них невелики (3050 мВт).

Рассмотрим воздействие на электрическую цепь, состоящую из диода VD и резистораR (рис. 3.3) знакопеременного импульсного напряженияU вх (рис. 3.4,а ). Напряжение на входе схемы в момент времениt = 0 скачком приобретает положительное значениеU m . Из-за инерционности диффузного процесса ток в диоде появляется не мгновенно, а нарастает в течение времениt уст . В момент времениt = t 1 в цепи устанавливается стационарный режим, при котором ток диода


,

анапряжение на диодеU д =U пр .

При t = t 2 напряжениеU вх меняет полярность. Однако заряды, накопленные на границеp - n - перехода, некоторое время поддерживают диод в открытом состоянии, но направление тока в диоде меняется на противоположное. По существу, в течение времениt расс происходит рассасывание зарядов на границеp - n - перехода (т.е. разряд эквивалентной емкости). После интервала времени рассасыванияt расс начинается процесс выключения диода, т.е. процесс восстановления его запирающих свойств.

К моменту времени t 3 напряжение на диоде становится равным нулю и в дальнейшем приобретает обратное значение. Процесс восстановления запирающих свойств диода продолжается до момента времениt 4 . К этому времени ток через диод становится равным нулю, а напряжение на нем достигает значения –U m . Таким образом, времяt вос можно отсчитывать от переходаU д через нуль до достижения током диода нулевого значения.

Рассмотрение процессов включения и выключения выпрямительного диода показывает, что диод не является идеальным вентилем, а в определенных условиях обладает проводимостью в обратном направлении. Особенно сильно эти эффекты проявляются при высокой частоте входного напряжения и при работе с импульсными сигналами. В связи с этой особенностью работы импульсных диодов в технической документации для них, кроме параметров, характеризующих обычный режим выпрямления, приводятся дополнительные параметры, характеризующие переходный процесс:

максимальное импульсное прямое напряжение –U пр и max ;

максимально допустимый импульсный прямой ток –I пр и max ;

время установления (t уст ) – интервал времени от момента подачи импульса прямого напряжения на диод до достижения заданного значения прямого тока в нем;

время восстановления обратного сопротивления диода – (t вос ).

А.Н. Морковин

Исследование вольт-амперной характеристики полупроводникового диода

Мариуполь, 2012 г.

Цель работы: Изучить особенности, режимы и принципы функционирования полупроводникового диода.

Теоретическое введение

Полупроводниковые диоды - широкий класс твердотельных приборов, предназначенных для осуществления нелинейных преобразований электрических сигналов (выпрямление, детектирование, генерирование и т.д.), преобразования электрической энергии в излучение (светодиоды, лазеры) и, наоборот, преобразования излучения в электрическую энергию (фотопреобразователи, солнечные элементы).

Принцип работы диодов базируется на процессах, протекающих вследствие образования p-n-перехода.

Изучим терминологический аппарат.

Полупроводник - это материал

Если легировать 4-валентный полупроводник (например, кремний) 5-валентной примесью (например, фосфором) мы получим полупроводник n-типа донорной . Дополнительный пятый электрон донорной примеси проще переходит в свободное состояние и перенос заряда осуществляется свободными электронами.

Для полупроводника n-типа проводимости электроны являются основными носителями заряда . Дырки - неосновные носители заряда .

При легировании 4-валентного полупроводника (например, кремния) 3-валентной примесью (например, бором) получим полупроводник p-типа . В этом случае примесь называется акцепторной . Поскольку 3-валентная примесь, для обеспечения нормальной ковалентной связи в кристаллической решетке, забирает один недостающий электрон кремния, в валентной зоне возникает дырка. Вследствие чего перенос заряда в полупроводнике p-типа имеет дырочную природу.

Для полупроводника p-типа дырки будут являться основными носителями заряда. Электроны - неосновные носители заряда.

Контакт полупроводников n-типа и p-типа, из-за разности концентраций основных носителей заряда, приводит к образованию неподвижного объемного заряда и, как следствие, к нелинейной зависимости тока от подаваемого на p-n-переход напряжения. Данное свойство легло в основу работы полупроводникового диода.

Поскольку простым соединением полупроводников разного типа невозможно добиться образования p-n-перехода, из-за высокой дефектности границы, контакта p- и n-областей добиваются путем легирования ограниченной области полупроводника одного типа примесью другого типа.

Рис. 1. Легирование полупроводника n-типа примесью p-типа для образования p-n-перехода.

^

Равновесное состояние p-n-перехода

Пусть внутренняя граница раздела двух областей полупроводника с различным типом проводимости является плоскость ММ (см. рис. 2). Слева находится полупроводник p-типа, справа - n-типа.

Т.к. в полупроводнике n-типа концентрация свободных электронов значительно превышает их концентрацию в соседнем полупроводнике p-типа, возникает градиент концентрации, заставляющий основные носители заряда (в данном случае электроны) диффундировать в соседнюю область.

Таким образом, из полупроводника n-типа основные носители заряда (электроны) диффундируют в p-область. Им на встречу, увлекаемые все тем же градиентом концентрации, из p-области в n-область движутся дырки. Мы имеем диффузионные потоки основных носителей заряда через p-n-переход.

При этом электроны, перешедшие из n-области в p-область, рекомбинируют вблизи границы раздела этих областей с дырками p-области; точно также дырки, перешедшие из p-области в n-облатсь, рекомбинируют здесь с электронами этой области. В результате этого в приконтактном слое n-области практически не остается свободных электронов и в нем формируется неподвижный объемный положительный заряд ионизированных доноров.

В приконтактном слое p-области практически не остается дырок и в нем формируется неподвижный объемный отрицательный заряд ионизированных акцепторов.

Неподвижный объемный заряд создает в p-n-переходе контактное электрическое поле с определенной разностью потенциалов, локализованное в области перехода и практически не выходящее за его приделы. Поэтому вне слоя, где поля нет, свободные носители заряда движутся по-прежнему хаотично и число носителей, ежесекундно наталкивающихся на слой объемного заряда, зависит только от их концентрации и скорости теплового движения.

Если в слой объемного заряда влетает неосновной носитель (электрон для p-области или дырка для n-области), то контактное поле подхватывает его и перебрасывает через этот слой. Получается, что каждый неосновной носитель заряда, налетающий на p-n-переход, проходит через него.

Наоборот, основные носители заряда (электроны для n-области и дырки для p-области) могут перелетать через слой объемных зарядов лишь в том случае, если кинетическая энергия их движения вдоль оси x достаточна для преодоления контактной разности потенциалов. Поэтому, как только образуются объемные заряды у границы раздела ММ, потоки основных носителей, пересекающих эту границу, уменьшаются. Если, однако, эти потоки все еще превышают встречные потоки неосновных носителей, остающиеся неизменными, объемный заряд будет увеличиваться. Это увеличение продолжается до тех пор, пока потоки основных носителей, уменьшаясь, не сравняются с потоками неосновных носителей. Таким образом, устанавливается динамическое равновесное состояние перехода .

Рис. 2. P-n-переход и объемный заряд.

^

Прямое и обратное смещение p-n-перехода

Рассмотрим явления, происходящие в диоде, к которому приложена разность потенциалов от внешнего источника напряжения.

Смещение, при котором плюс источника подсоединен к n-области, а минус - к p-области называется обратным (см. рис. 3).

Рис. 3. Обратное смещение на p-n-переходе.

Внешнее поле Е вн вызывает дрейф основных носителей заряда в направлениях, указанных стрелками на рис. 3. Таким образом, вся масса электронов n-области и дырок p-области отходит от p-n-перехода, обнажая при этом новые слои ионизированных доноров и акцепторов, т. е. расширяя область объемного заряда до размера d 0 + Δd.

При прямом смещении (плюс источника напряжение подсоединяется к p-области, а минус - к n-области) возникающее в объеме n- и p-областей электрическое поле вызывает приток основных носителей к области объемного заряда p-n-перехода. Контактная разность потенциалов при этом уменьшается до значения V k – V. При этом заряды, созданные внешним источником напряжения на омических контактах, оказываются перенесенными на границы области объемного заряда и она сужается до размеров d 0 – Δd (см. рис. 4).

Рис. 4. Прямое смещение на p-n-переходе.

^

Прямой и обратный токи p-n-перехода


При обратном смещении на p-n-переходе ток основных носителей заряда, сдерживаемый возросшим потенциальным барьером, уменьшается. Увеличение обратного смещения приведет к дальнейшему росту потенциального барьера и, в конце концов, ток основных носителей заряда через p-n-переход станет равным нулю.

В этом случае на вольт-амперной характеристике будет наблюдаться лишь обратный ток неосновных носителей, попавших в область объемного заряда за счет дрейфа.

Прямое смещение понижает потенциальный барьер для основных носителей заряда, что приводит к росту прямого диффузионного тока. Основные носители заряда, гонимые градиентом концентрации, устремляются через понизившийся потенциальный барьер и прямой диффузионный ток через p-n-переход, в этом случае, значительно превысит обратный ток дрейфа неосновных носителей заряда.

Таким образом, подача внешнего смещения на p-n-переход выводит его из состояния динамического равновесия.

Простроим вольт-амперную характеристику p-n-перехода (см. рис. 5).

^ Рис. 5. Вольт-амперная характеристика p-n-перехода.

Как видно из рис. 5., при достаточно больших обратных смещениях возникает резкое увеличение обратного тока. Это связано с явлением пробоя p-n-перехода .

^

Пробой p-n-перехода

В зависимости от характеристик физических процессов, обуславливающих резкое возрастание обратного тока, различают четыре основных типа пробоя: туннельный , лавинный , тепловой и поверхностный .

Тепловой пробой.

При протекании обратного тока в p-n-переходе выделяется теплота и его температура повышается. Увеличение температуры определяется качеством теплоотвода. Увеличение температуры вызывает увеличение обратного тока, что, в свою очередь, приводит к новому росту температуры и обратного тока и т. д. Ток начинает нарастать лавинообразно и наступает тепловой пробой p-n-перехода.

^ Лавинный пробой.

В достаточно широких p-n-переходах при высоких обратных смещениях неосновные носители могут приобретать в поле перехода настолько большую кинетическую энергию, что оказываются способными вызвать ударную ионизацию полупроводника. В результате ударной ионизации могут образовываться дополнительные носители заряда (электрон-дырочные пары), растаскиваемые полем объемного заряда в направлении тока дрейфа (обратного тока). Дополнительные носители также могут вызвать ударную ионизацию, что приведет к образованию лавинного пробоя и резкому увеличению обратного тока.

Диоды, предназначенные для работы в таком режиме, называют стабилитронами . Их изготавливают из кремния, так как кремниевые диоды имеют весьма крутую ветвь ВАХ в области пробоя и в широком диапазоне рабочих токов у них не возникает теплового пробоя.

^ Туннельный пробой.

При приложении к p-n-переходу достаточно высокого обратного смещения возможен прямой туннельный переход электронов из валентной зоны p-области в зону проводимости n-области. С увеличением обратного смещения толщина барьера уменьшается (речь идет именно о потенциальном барьере на пути электронов из валентной зоны p-области в зону проводимости n-области, а не о ширине области объемного заряда). Если p-n-переход достаточно тонок, то при невысоких значениях обратного смещения можно наблюдать туннелирование электронов через p-n-переход и его пробой.

^ Поверхностный пробой.

Заряд, локализующийся на поверхности полупроводника в месте выхода p-n-перехода, может вызвать сильное изменение напряженности поля в переходе и его ширины. В этом случае более вероятным может отказаться пробой поверхностной области p-n-перехода.

^

Выполнение работы


В работе курсанту предлагается самостоятельно убедится в нелинейной зависимости вольт-амперной характеристики диода при прямом и обратном смещении, а также пронаблюдать лавинный пробой и сделать выводы о способностях диода к стабилизации напряжения.

Для этого предлагается два диода (стабилитрона), источник напряжения (позволяющий задавать напряжение в пределах 0 - 30 В с шагом 0.1 В), измерительные приборы (мультиметры).

Собрав схему, представленную на рис. 6 курсант должен снять зависимость прямого и обратного тока от прямого и обратного смещения на p-n-переходе соответственно.



^ Рис. 6. Схема изучения ВАХ диода.

Ход работы:


  1. Изменяя напряжение U вх необходимо снять зависимость обратного тока (амперметр А) от обратного смещения на p-n-переходе (вольтметр V). Количество точек и шаг изменения U вх выбрать таким, чтобы на итоговой ВАХ диода было видно увеличение обратного тока вблизи нулевого смещения, дальнейший выход на плато и пробой. Запрещается выходить в режим глубокого пробоя, чтобы не допустить перегрева диода и выхода из строя прибора.

  2. Переключить напряжение на прямое смещение и снять зависимость тока (амперметр А) от напряжения на p-n-переходе (вольтметр V) в прямом смещении.

  3. В процессе получения точек для построения ВАХ записывать напряжение, подаваемые на вход схемы (U вх).

  4. Данные эксперимента занести в таблицу 1.

  5. Из таблицы 1, учитывая пределы измерения и показания измерительных приборов, преобразовать экспериментальные данные и занести их в таблицу 2.

  6. На основе таблицы 2 построить вольт-амперную характеристику диода (аналогично рис. 5).

  7. Повторить инструкции пунктов 1 - 7 для второго стабилитрона лабораторного стенда.

Для заполнения данными таблиц 1 и 2, а также для построения вольт-амперной характеристики можно воспользоваться компьютерными программами (Excel, Open Office Calc, Google документы). Таблицы и графики должны быть распечатаны, вырезаны и вклеены в лабораторную тетрадь.

Примечание:

Максимально допустимый ток стабилизации I ст.макс. - это наибольший ток через стабилитрон, при котором температура его р-n-перехода не превышает допустимой. Превышение тока I ст.макс. ведет к тепловому пробою р-n-перехода и, естественно, к выходу прибора из строя.

Для стабилитронов лабораторного стенда I ст.макс. = 29 мА (данные взяты из таблицы характеристик данной марки стабилитрона).

Основываясь на максимальном значении тока стабилизации и максимально возможном напряжении лабораторного источника (30 В) необходимо рассчитать номинал сопротивления R исходя из следующих соображений: при максимальном напряжении U вх ток через стабилитрон не должен превысить I стаб.макс.

^ Полученный номинал сопротивления указать в отчете.

Таблица 1. Экспериментальные данные.


^ Напряжение на входе (U вх), В

Напряжение на диоде (V), В

Показания амперметра (А)

Придел шкалы амперметра (А), мА



0,1

0,2

…



0,1

0,2

…



0,1

0,2

…



0,1

0,2

…

Таблица 2. Данные для построение ВАХ.


^ Напряжение на диоде, В

Ток в схеме, мА

Диод №1. Полярность на входе (а).

0,1

0,2

…

Диод №1. Полярность на входе (б).

0,1

0,2

…

Диод №2. Полярность на входе (а).

0,1

0,2

…

Диод №2. Полярность на входе (б).

0,1

0,2

…

Контрольные вопросы:


  1. Поясните принцип образования объемного неподвижного заряда на границе p-n-перехода.

  2. Почему обратный ток p-n-перехода не меняется при увеличении обратного смещения до наступления пробоя?

  3. Чем обусловлено увеличение тока при подаче прямого напряжения на p-n-переход?

  4. Какой пробой наблюдается в стабилитроне? Какова его физическая природа?

  5. Что показывает амперметр А в схеме на рис. 6?

  6. Зачем в экспериментальной схеме, изображенной на рис. 6, применяется сопротивление R?

  7. Что показывает вольтметр V в схеме на рис. 6?

  8. На диод подается смещение U вх, при появлении тока в схеме напряжение V, падающее на диоде, уменьшается. Где падает разность напряжений U вх – V? Почему при отсутствии тока в схеме U вх = V?

  9. Меняется ли напряжение на диоде в режиме пробоя c увеличением обратного смещения U вх? Какие выводы из этого следуют?

Сегодня диоды можно встретить практически в любом бытовом приборе. Многие даже собирают некоторые устройства в своей домашней лаборатории. Но, чтобы правильно использовать эти элементы электросхемы, нужно знать, что собой представляет ВАХ диода. Именно этой характеристики и будет посвящена данная статья.

Что это такое

ВАХ расшифровывается как вольт-амперная характеристика диодного полупроводника. Она отражает зависимость тока, который проходит через p-n переход диода. ВАХ определяет зависимость тока от величины, а также полярности приложенного напряжения. Вольт-амперная характеристика имеет вид графика (схема). Данный график имеет следующий вид:

ВАХ для диода

Для каждого вида диода график ВАХ будет иметь свой конкретный вид. Как видим, график содержит кривую. По вертикали вверху здесь отмечены значения прямого тока (прямом включении), а внизу – в обратном. Но горизонтали схема и график отображают напряжение, аналогично в прямом и обратном направлении. Таким образом схема вольт-амперной характеристики будет состоять из двух частей:

  • верхняя и правая часть – элемент функционирует в прямом направлении. Она отражает пропускной ток. Линия в этой части идет резко вверх. Она характеризует значительный рост прямого напряжения;
  • нижняя левая часть – элемент действует в обратном направлении. Она соответствует закрытому (обратному) току через переход. Здесь линия идет практически параллельно горизонтальной оси. Она отражает медленное нарастание обратного тока.

Обратите внимание! Чем круче будет вертикальная верхняя часть графика, и ближе к горизонтальной оси нижняя линия, тем более лучше будут выпрямительные свойства полупроводника.

Стоит отметить, что ВАХ сильно зависит от температуры окружающей среды. К примеру, повышение температуры воздуха может привести резкому повышению обратного тока.
Построить своими руками ВАХ можно следующим образом:

  • берем блок питания;
  • подключаем его к любому диоду (минус на катод, а плюс на анод);
  • с помощью мультиметром делаем замеры.

Из полученных данных и строится вольт-амперная характеристика для конкретного элемента. Ее схема или график могут иметь следующий вид.


Нелинейная ВАХ

На графике видна ВАХ, которая в таком исполнении называется нелинейной.
Рассмотрим на примерах различных типов полупроводников. Для каждого отдельного случая данная характеристика буде иметь свой график, хотя они все будут носить единый характер лишь с небольшими изменениями.

ВАХ для шотки

Одним из наиболее распространенных диодов на сегодняшний день является шоттки. Этот полупроводник был назван в честь физика из Германии Вальтера Шоттки. Для шоттки вольт-амперная характеристика будет иметь следующий вид.


ВАХ для шоттки

Как видим, для шоттки характерно малое падение напряжения в ситуации прямого подключения. Сам график носит явный ассиметричный характер. В зоне прямых смещений наблюдается экспоненциальное увеличение тока и напряжения. При обратном и прямом смещении для данного элемента ток в барьере обусловлен электронами. В результате этого такие элементы характеризуется быстрым действием, поскольку у нет диффузных и рекомбинационных процессов. При этом несимметричность ВАХ будет типичной для структур барьерного типа. Здесь зависимость тока от напряжения определена изменением количества носителей, которые берут участие в зарядопереносных процессах.

Кремниевый диод и его ВАХ

Кроме шоттки, большой популярностью на данный момент пользуются кремниевые полупроводники. Для кремниевого типа диода вольт-амперная характеристика выгляди следующим образом.


ВАХ кремниевого и германиевого диода

Для таких полупроводников данная характеристика начинается примерно со значения 0,5-0,7 Вольт. Очень часто кремниевые полупроводники сравнивают с германиевыми. Если температуры окружающей среды равны, то оба устройства будут демонстрировать ширину запрещённой зоны. При этом кремниевый элемент будут иметь меньший прямой ток, чем из германия. Это же правило касается и обратного тока. Поэтому у германиевых полупроводников обычно сразу наступает тепловой пробой, если имеются обратное большое напряжение.
В итоге, при наличии одинаковой температуры и прямого напряжения, потенциальный барьер у кремниевых полупроводников будет выше, а ток инжекции ниже.

ВАХ и выпрямительный диод

В завершении хотелось бы рассмотреть данную характеристику для выпрямительного диода. Выпрямительный диод – одна из разновидностей полупроводника, который применятся для преобразования переменного в постоянный ток.


ВАХ для выпрямительного диода

На схеме показана экспериментальная ВАХ и теоретическая (пунктирная линия). Как видим, они не совпадают. Причина этого кроется в том, для теоретических расчетов не учитывались некоторые факторы:

  • наличие омического сопротивления базовой и эмиттерной областей у кристалла;
  • его выводов и контактов;
  • наличие возможности токов утечки по кристальной поверхности;
  • протекание процессов рекомбинации и генерации в переходе для носителей;
  • различные типы пробоев и т. д.

Все эти факторы могут оказывать различное влияние, приводя к отливающейся от теоретической реальной вольт-амперной характеристики. Причем значительное влияние на внешний вид графика в данной ситуации оказывает температура окружающей среды.
ВАХ для выпрямительного диода демонстрирует высокую проводимость устройства в момент приложения к нему напряжения в прямом направлении. В обратном же направлении наблюдается низкая проводимость. В такой ситуации ток через элемент практически не течет в обратном направлении. Но это происходит только при определенных параметрах обратного напряжения. Если его превысить, то на графике видно лавинообразное повышение тока в обратном направлении.

Заключение

Вольт-амперная характеристика для диодных элементов считается важным параметром, отражающем специфику проведения тока в обратном и прямом направлениях. Она определяется в зависимости от напряжения и температуры окружающей среды.