Выпрямительные диоды: Общая информация, конструктивные особенности и особенности вольт-амперных характеристик. Что такое вах диода, типы диодов Что вольт амперная характеристика диода

29.07.2023

Выпрямительные диоды применяются в цепях управления, коммутации, в ограничительных и развязывающих цепях, в источниках питания для преобразования (выпрямления) переменного напряжения в постоянное, в схемах умножения напряжения и преобразователях постоянного напряжения, где не предъявляются высокие требования к частотным и временным параметрам сигналов. В зависимости от значения максимального выпрямляемого тока различают выпрямительные диоды малой мощности (\(I_{пр max} \le {0,3 А}\)), средней мощности (\({0,3 А} < I_{пр max} \le {10 А}\)) и большой мощности (\(I_{пр max} > {10 А}\)). Диоды малой мощности могут рассеивать выделяемую на них теплоту своим корпусом, диоды средней и большой мощности должны располагаться на специальных теплоотводящих радиаторах, что предусматривается в т.ч. и соответствующей конструкцией их корпусов.

Обычно, допустимая плотность тока, проходящего через \(p\)-\(n\)-переход, не превышает 2 А/мм2, поэтому для получения указанных выше значений среднего выпрямленного тока в выпрямительных диодах используют плоскостные \(p\)-\(n\)-переходы. Такие переходы имеют существенную емкость, что ограничивает максимальную допустимую рабочую частоту (\(f_р\)) выпрямительных диодов.

Выпрямительные свойства диодов тем лучше, чем меньше обратный ток при заданном обратном напряжении и чем меньше падение напряжения при заданном прямом токе. Значения прямого и обратного токов отличаются на несколько порядков, а прямое падение напряжения не превышает единиц вольт по сравнению с обратным напряжением, которое может составлять сотни и более вольт. Поэтому диоды обладают односторонней проводимостью, что позволяет использовать их в качестве выпрямительных элементов. Вольт-амперные характеристики (ВАХ) германиевых и кремниевых диодов различаются. На рис. 2.3‑1 для сравнения показаны типичные ВАХ для германиевых и кремниевых выпрямительных диодов при различных температурах окружающей среды.

Рис. 2.3-1. Вольт-амперные характеристики выпрямительных диодов при различных температурах окружающей среды

По приведенным ВАХ видно, что обратный ток кремниевых диодов значительно меньше обратного тока германиевых диодов. Кроме того, обратная ветвь вольт-амперной характеристики кремниевых диодов не имеет явно выраженного участка насыщения, что обусловлено генерацией носителей зарядов в \(p\)-\(n\)-переходе и токами утечки по поверхности кристалла. При подаче обратного напряжения превышающего некий пороговый уровень происходит резкое увеличение обратного тока, что может привести к пробою \(p\)-\(n\)-перехода. У германиевых диодов, вследствие большой величины обратного тока, пробой имеет тепловой характер. У кремниевых диодов вероятность теплового пробоя мала, у них преобладает электрический пробой. Пробой кремниевых диодов имеет лавинный характер, поэтому у них, в отличие от германиевых диодов, пробивное напряжение повышается с увеличением температуры. Допустимое обратное напряжение кремниевых диодов (до 1600 В) значительно превосходит аналогичный параметр германиевых диодов.

Обратные токи в значительной степени зависят от температуры перехода. Из рисунка видно, что с ростом температуры обратный ток возрастает. Для приближенной оценки можно считать, что с увеличением температуры на 10 °С обратный ток германиевых диодов возрастает в 2, а кремниевых - в 2,5 раза. Верхний предел диапазона рабочих температур германиевых диодов составляет 75...80 °С, а кремниевых - 125 °С. Существенным недостатком германиевых диодов является их высокая чувствительность к кратковременным импульсным перегрузкам.

Вследствие меньшего обратного тока кремниевого диода его прямой ток, равный току германиевого диода, достигается при большем значении прямого напряжения. Поэтому мощность, рассеиваемая при одинаковых токах, в германиевых диодах меньше, чем в кремниевых. Прямое напряжение при малых прямых токах, когда преобладает падение напряжения на переходе, с ростом температуры уменьшается. При больших токах, когда преобладает падение напряжения на сопротивлении нейтральных областей полупроводника, зависимость прямого напряжения от температуры становится положительной. Точка, в которой отсутствует зависимость прямого напряжения от температуры (т.е. эта зависимость меняет знак), называется точкой инверсии . У большинства диодов малой и средней мощности допустимый прямой ток, как правило, не превышает точки инверсии, а у мощных диодов допустимый ток может быть выше этой точки.

Введение

Полупроводниковый диод – полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами (электродами). В отличие от других типов диодов, принцип действия полупроводникового диода основывается на явлении p-n-перехода.

Плоскостные p-n-переходы для полупроводниковых диодов получают методом сплавления, диффузии и эпитаксии.

Условное графическое обозначение (рис. 1) зависит от конструкции диода.

а б в г д е

а – диод; б – стабилитрон; в – симметричный стабилитрон;

г – туннельный диод; д – варикап; е – обращённый диод

Рисунок 1 – Обозначение диодов на принципиальных схемах

Основные характеристики и параметры диодов:

Вольт-амперная характеристика;

Постоянный обратный ток диода;

Постоянное обратное напряжение диода;

Постоянный прямой ток диода;

Диапазон частот диода;

Дифференциальное сопротивление;

- ёмкость;

Пробивное напряжение;

Максимально допустимая мощность;

Максимально допустимый постоянный прямой ток диода.

Типы диодов по назначению

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный.

Импульсные диоды имеют малую длительность переходных процессов, предназначены для применения в импульсных режимах работы.

Детекторные диоды предназначены для детектирования сигнала

Смесительные диоды предназначены для преобразования высокочастотных сигналов в сигнал промежуточной частоты.

Переключательные диоды предназначены для применения в устройствах управления уровнем сверхвысокочастотной мощности.

Параметрические

Ограничительные диоды (диаки, супрессоры) предназначены для защиты радио и бытовой аппаратуры от повышения сетевого напряжения.

Умножительные

Настроечные

Генераторные

Типы диодов по частотному диапазону

Низкочастотные

Высокочастотные

Типы диодов по размеру перехода

Плоскостные

Точечные

Типы диодов по конструкции

Диоды Шоттки

СВЧ-диоды

Стабилитроны

Стабисторы

Варикапы

Светодиоды

Фотодиоды

Лавинный диод

Лавинно-пролётный диод

Диод Ганна

Туннельные диоды

Обращённые диоды

Вольт-амперная характеристика диода

Технические параметры диода в основном определяются его вольтамперной характеристикой (ВАХ), типовой вид которой представлен на рис. 1. Обозначения и определения основных параметров диодов и тиристоров регламентируются стандартами: «Термины, определения и буквенные обозначения» ГОСТ 20332-84. На характеристике можно выделить две типичные ветви: прямую и обратную. Прямая ветвь соответствует проводящему состоянию диода при полярности прямого напряжения. Обратная ветвь показывает закрытое состояние диода при соответствующей полярности обратного напряжения. Прямая ветвь характеризуется малыми значениями прямого напряжения на диоде, а обратная – малыми значениями тока, называемого обратным.

Рисунок 2 – ВАХ диода

При подключении постоянного источника питания «плюсом» к аноду диода (области р – типа), а «минусом» к катоду (области n – типа) диод оказывается в открытом состоянии и в цепи потечёт ток, величина которого зависит от свойств прибора и величины приложенного напряжения. Прямая полярность подключения определяет движение электронов из области n – типа в сторону области р – типа, а «дырки» из области р – типа движутся навстречу электронам. Встречаясь в области р – n перехода носители рекомбинируют и прекращают своё существование. Отрицательный заряд батареи поставляет неограниченное число электронов в n область, а положительный сгенерирует неограниченное число «дырок» в р области. В таком случае сопротивление р – n перехода мало, что способствует протеканию прямого тока.

При обратном подключении источника питания к прибору, электрические заряды на диоде поведут себя по другому: электроны в области n проводимости будут стремиться к положительному заряду, удаляясь от р – n перехода. В свою очередь, дырки в области р проводимости станут перемещаться к отрицательному электроду так же удаляясь от р – n перехода. В итоге граница областей с различной проводимостью расширится и образует зону, обеднённую любыми носителями. Такая зона оказывает току большое сопротивление, однако небольшой обмен носителями здесь всё же происходит, а значит, есть и ток, но его величина во много раз меньше прямого. Этот ток принято называть обратным током диода.

Порядок выполнения работы:

1) запустить программу «Multisim»;

2) используя встроенную библиотеку компонентов и приборов составить схему из приложения А;

3) установить на генераторе синусоидальное напряжение 3В частотой 5 Гц;

4) запустить симуляцию, настроить осциллограф в режиме развёртки В-А так, чтобы было хорошо видно прямую ветвь (рис. 2) ВАХ диода;

5) остановить симуляцию, зарисовать ВАХ диода;

6) установить на генераторе синусоидальное напряжение 150 В частотой 5 Гц;

7) запустить симуляцию, настроить осциллограф в режиме развёртки В-А так, чтобы было хорошо видно обратную ветвь (рис. 2) ВАХ диода;

8) остановить симуляцию, зарисовать ВАХ диода;

10) аналогичным способом измерить ВАХ полупроводникового стабилитрона (приложение Б, настройки генератора – 4 В, 5 Гц);

11) составить схему для диака из приложения В;

12) мультиметр настроить на режим измерения тока, осциллограф на режим обычной временной развёртки;

13) повысив напряжение при помощи переключения обмоток трансформатора, убедиться в перегорании предохранителя;

14) остановить симуляцию, сделать выводы, объяснить что происходит;

15) составить схему выпрямительного моста (приложение Г);

16) установить на генераторе синусоидальное напряжение 9 В частотой 50 Гц;

17) запустить симуляцию, настроить осциллограф;

18) исследовать схему, меняя напряжение и переключая нагрузку, добиться перегорания лампы и предохранителей;

19) остановить симуляцию, сделать выводы, зарисовать осциллограммы;

20) составить схему исследования диода (приложение Д);

21) запустить симуляцию, переключиться на генератор синусоидальных колебаний, настроить осциллографы;

22) сравнить осциллограммы параллельных приборов;

23) переключиться на батарею постоянного тока, изменяя движок переменного резистора R1 построить зависимость напряжения U2 (XMM2) от напряжения U1 (XMM1);

25) закрыть программу;

26) ответить на контрольные вопросы.

Полупроводниковым диодом называют электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом, имеющим два вывода. В качестве выпрямляющего электрического перехода используется электронно-дырочный (р-n) переход (П), разделяющий р- и n-области кристалла полупроводника (рис. 10.2).

К р- и n-области кристалла привариваются или припаиваются металлические выводы, и вся система заключается в металлический, металлокерамический, стеклянный или пластмассовый корпус.

По конструктивному выполнению различают точечные и плоскостные диоды. Широкое применение диоды получили в источниках вторичного электропитания (выпрямителях).

Одна из полупроводниковых областей кристалла, имеющая более высокую концентрацию примесей (а следовательно, и основных носителей заряда), называется эмиттером, а вторая, с меньшей концентрацией - базой. Если эмиттером является p-область, для которой основными носителями заряда служат дырки p p , а базой n-область (основные носители заряда - электроны n n), то выполняется условие p p ≥n n .

p p - обозначение дырок в p-области; тогда обозначение дырок в n-области, для которой они являются неосновными носителями зарядов, будет соответственно p n .

Принцип работы. При отсутствии внешнего напряжения, приложенного к выводам диода, в результате встречной диффузии дырок (из р- в n-область) и электронов (из n- в р-область) в объеме полупроводникового кристалла, расположенного вблизи границы раздела двух областей с различной проводимостью, окажутся некомпенсированными заряды неподвижных ионов примесей (акцепторов для р-области и доноров для n-области), которые по обе стороны раздела полупроводникового кристалла создадут область объемного заряда (рис. 10.2). Для сохранения электрической нейтральности полупроводниковой структуры количество диффундируемых через р-n-переход основных носителей заряда из одной области должно равняться количеству диффундируемых основных носителей заряда из другой области. С учетом того, что концентрация электронов n n в базе значительно меньше концентрации дырок p p в эмиттере, область объемного заряда со стороны базы будет больше, чем со стороны эмиттера, как это показано на рис. 10.2. Образованный в результате встречной диффузии объемный заряд создает напряженность E зар электрического поля, препятствующего дальнейшей встречной диффузии основных носителей зарядов.

Рис. 10.2. Схема включения полупроводникового диода и пространственное распределение объемных зарядов р-n-перехода в отсутствие внешнего напряжения

Диффузия практически прекращается, когда энергия носителей заряд недостаточна, чтобы преодолеть созданный потенциальный барьер .

Если к выводам диода приложить прямое напряжение, как это показано на рис. 10.2, то создаваемая им напряженность Е электрического поля будет противоположна направлению напряженности E зар объемного заряда и в область базы (по мере возрастания напряжения U) будет вводиться (инжектировать) все большее количество дырок, являющихся не основными для n-области базы носителями заряда, которые и образуют прямой ток диода I. Встречной инжекцией n n в область эмиттера можно пренебречь, учитывая, что p p ≥n n .

Если к выводам диода приложить обратное напряжение (-U), то создаваемая им напряженность (-Е) электрического поля, совпадая по направлению с напряженностью E зар объемного заряда, повышает потенциальный барьер и препятствует переходу основных носителей заряда в соседнюю область. Однако суммарная напряжеяностъ электрических полей способствует извлечению (экстракции) неосновных носителей заряда: n p - из р- в n-область и p n - из n- в р-область, которые и образуют обратный ток p-n-перехода. Количество неосновных носителей заряда значительно изменяется при изменении температуры, возрастая с ее повышением. Поэтому обратный ток, образованный за счет неосновных носителей, называют тепловым током (I 0).

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода имеет вид, приведенный на рис. 10.3 (сплошная линия), и описывается выражением

(10.1)

где U Д - напряжение на р-n-переходе;

k - постоянная Больцмана; T - абсолютная температура; q - заряд электрона. Выражение (10.1) соответствует ВАХ идеального р-n-перехода и не отражает некоторых свойств реального диода.

При определенном значении напряжения U обр начинается лавинообразный процесс нарастания тока I обр, соответствующий электрическому пробою р-n-перехода (отрезок АВ на рис. 10.3). Если в этот момент ток не ограничить, электрический пробой переходит в тепловой (участок ВАХ после точки В). Такая последовательность лавинообразного процесса нарастания тока I обр характерна для кремниевых диодов. Для германиевых диодов с увеличением обратного напряжения тепловой пробой р-n-перехода наступает практически одновременно с началом лавинообразного процесса нарастания тока I обр. Электрический пробой обратим, т. е. после уменьшения напряжения U обр работа диода соответствует пологому участку обратной ветви ВАХ. Тепловой пробой необратим, так как разрушает р-n-переход.

Прямой ток диода также зависит от температуры окружающей среды, возрастая с ее повышением, хотя и в значительно меньшей степени, чем обратный ток. Характер изменения прямой ветви ВАХ при изменении температуры показан на рис. 10.3. Для оценки температурной зависимости прямой ветви ВАХ диода служит температурный коэффициент напряжения (ТКН), °K -1 .

Этот коэффициент показывает относительное изменение прямого напряжения за счет изменения температуры на 1 ̊К при некотором значении прямого тока.

Рис. 10.3. Вольт-амперные характеристики полупроводникового диода

Сопротивления и емкости диода. Полупроводниковый диод характеризуется статическим и дифференциальным (динамическим) сопротивлениями, легко определяемыми по ВАХ. Дифференциальное сопротивление численно равно отношению бесконечно малого приращения напряжения к соответствующему приращению тока в заданном режиме работы диода и может быть определено графически как тангенс угла наклона касательной в рассматриваемой рабочей точке Е к оси абсцисс (см. рис. 10.3):

(10.2)

где ∆U и ∆I- конечные приращения напряжения и тока вблизи рабочей точки Е; mI и mU - масштабы осей тока и напряжения.

Часто представляют интерес не приращения напряжения и тока в окрестности некоторой заданной точки, а сами напряжение и ток в данном элементе. При этом совершенно безразлично, какова характеристика диода вблизи выбранной рабочей точки. В этом случае удобно пользоваться статическим сопротивлением, которое равно отношению напряжения на элементе U E к протекающему через него току I E (рис. 10.3). Как видно из рисунка, это сопротивление равно тангенсу угла наклона прямой, проведенной из начала координат через заданную рабочую точку ВАХ, к оси абсцисс:

В зависимости от того, на каком участке ВАХ расположена заданная рабочая точка, значение R ст, может быть меньше или больше значения R диф или равно ему. Однако R ст всегда положительно, в то время как R диф может быть и отрицательным. У элементов, имеющих линейные ВАХ, статическое и дифференциальное сопротивления равны.

При работе на высоких частотах и в импульсных режимах начинает играть роль емкость диода С Д, измеряемая между выводами диода при заданных значениях напряжения и частоты. Эта емкость включает диффузионную емкость С диф, зарядную (барьерную) емкость С зар и емкость С к корпуса диода:

Диффузионная емкость возникает при прямом напряжении диода в приконтактном слое р-n-перехода за счет изменения количества диффундируемых дырок и электронов при изменении прямого напряжения. Зарядная емкость возникает при обратном напряжении и обусловлена изменением объемного заряда.

Значение емкости С Д определяется режимом работы диода. При прямом напряжении

при обратном напряжении

Классификация диодов представлена в табл. 10.1.

Таблица 10.1 Классификация диодов

Рассмотрим некоторые из них, наиболее широко применяемые в практике.

Выпрямительный диод , условное графическое обозначение которого приведено на рис. 10.4, 1, использует вентильные свойства р-n-перехода и применяется в выпрямителях переменного тока. В качестве исходного материала при изготовлении выпрямительных диодов используют германий и кремний.

Выпрямительный диод представляет собой электронный ключ, управляемый приложенным к нему напряжением. При прямом напряжении ключ замкнут, при обратном - разомкнут. Однако в обоих случаях этот ключ не является идеальным. При подаче прямого напряжения U пр ключ обладает небольшим дифференциальным сопротивлением. Поэтому за счет падения напряжения U пр на открытом диоде выпрямленное напряжение, снимаемое с нагрузочного устройства, несколько ниже входного напряжения (U пр не превышает у германневых диодов 0,5 В, а у кремниевых 1,5 В; часто за величину U пр для кремниевых диодов принимается напряжение 0,7 В).

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

Iпр ср max - максимальное (за период входного напряжения) значение среднего прямого тока диода;

U обр.доп - допустимое наибольшее значение постоянного обратного напряжения диода;

f max - максимально допустимая частота входного напряжения;

U пр - значение прямого падения напряжения на диоде при заданном прямом токе.

Выпрямительные диоды классифируют также по мощности и частоте.

По мощности: маломощные I пр ср max <0,3 A; средней мощности 0,3 A10 A.

По частоте: низкочастотные f max <1000 Гц; высокочастотные f max >1000 Гц.

В качестве выпрямительных применяются также диоды, выполненные на выпрямляющем переходе металл-полупроводник (диоды Шотки). Их отличает меньшее, чем у диодов с р-n-переходом, напряжение U пр и более высокие частотные характеристики.

Импульсный диод - полупроводниковый диод, имеющий малую длительность переходных процессов и использующий, так же как и выпрямительный диод, при своей работе прямую и обратную ветви ВАХ.

Длительность переходных продресов в диоде (рис. 10.4) обусловлена тем, чтo изменeние направления и значения тока через него при изменении подводимого к нему напряжения не может происходить мгновенно в связи с перезарядом емкости выпрямляющего перехода и инерционными процессами рассасывания инжектированных в базу неосновных носителей заряда. Последнее явление определяет быстродействие диодов и характеризуется специальным параметром - временем восстановления t вос его обратного сопротивления. Время восстановления равно интервалу времени между моментом переключения напряжения на диоде с прямого на обратное и моментом, когда обратный ток, который в момент переключения напряжения paвен прямому току, достигнет своего минимального значения.

Рис. 10.4. Переходные процессы в полупроводниковом диоде

Поэтому кроме параметров I пр ср max , U обр, U пр характеризующих выпрямительные свойства, для импульсных диодов вводится параметр t вос, характеризующий быстродействие.

Для повышения быстродействия (уменьшения t вос) импульсные диоды изготовляют в виде точечных структур, что обеспечивает минимальную площадь, р-n-перехода, а следовательно, и минимальное значение зарядной емкости C зар. Одновременно толщину базы делают минимально возможной для достижения минимального времени восстановления диодов.

В качестве импульсных находят применение и диоды Шотки.

Сверхвысокочастотный диод (СВЧ-диод) - полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования и обработки высокочастотного сигнала (до десятков и сотен ГГц). Сверхвысокочастотные диоды широко применяются при генерации и усилении электромагнитных колебаний СВЧ-диапазона, умножении частоты, модуляции, регулировании и ограничении сигналов и т. д. Типичными представителями данной группы диодов являются смесительные (получение сигнала суммы или разности двух частот), детекторные (выделение постоянной составляющей СВЧ-сигнала) и переключательные (управление уровнем мощности сверхвысокочастотного сигнала) диоды. Условное графическое обозначение импульсных и СВЧ-диодов аналогично обозначению выпрямительных диодов (рис. 10.0, 1).

Стабилитрон и стабистор применяются в нелинейных цепях постоянного тока для стабилизации напряжения. Отличие стабилитрона от стабистора заключается в используемой ветви ВАХ для стабилизации напряжения. Как видно из рис. 10.3, ВАХ диода имеет участки АВ и CD, на которых значительному изменению тока соответствует незначительное изменение напряжения при сравнительно линейной их зависимости. Для стабилизации высокого напряжения (>3 В) используют обратную ветвь (участок АВ) ВАХ. Применяемые для этой цели диоды называют стабилитронами. Для стабилизации небольших значений напряжений (< 1 В -например, в интегральных схемах) используют прямую ветвь (участок CD) ВАХ, а применяемые в этом случае диоды называют стабисторами. Условное обозначение стабилитрона и стабистора показано на рис. 10.0, 2.

Стабилитроны и стабисторы изготовляют, как правило, из кремния. При использовании высоколегированного кремния (высокая концентрация примесей, а следовательно, и свободных носителей заряда) напряжение стабилизации понижается, а с уменьшением степени легирования кремния - повышается. Соответственно различают низко- и высоковольтные стабилитроны с напряжением стабилизации от 3 до 400 В.

К основным параметрам стабилитрона относятся:

U ст - напряжение стабилизации при заданном токе;

R диф - дифференциальное сопротивление при заданном токе;

I ст min - минимально допустимый ток стабилизации;

I ст max - максимально допустимый ток стабилизации;

P max - максимально допустимая рассеиваемая мощность;

где ∆U ст - отклонение напряжения U ст от номинального значения при изменении температуры в интервале ∆T.

В схемах двуполярной стабилизации напряжения применяется симметричный стабилитрон, условное графическое обозначение которого показано на рис. 10.0, 3.

Варикап - полупроводниковый диод, действие которого основано на использовании зависимости зарядной емкости C зар от значения приложенного напряжения. Это позволяет применять варикап в качестве элемента с электрически управляемой емкостью.

Основной характеристикой варикапа служит вольт-фарадная характеристика (рис. 10.5) - зависимость емкости варикапа C В, состоящей из зарядной емкости и емкости корпуса прибора, от значения приложенного обратного напряжения. В выпускаемых промышленностью варикапах значение емкости C В может изменяться от единиц до сотен пикофарад.

Рис. 10.5. Вольт-фарадная характеристика варикапа

Основными параметрами варикапа являются:

C В - емкость, измеренная между выводами варикапа при заданном обратном напряжении;

K С - коэффициент перекрытия по емкости, используемый для оценки зависимости C В =f(U обр)и равный отношению емкостей варикапа при двух заданных значениях обратного напряжения (K C =2...20).

Зависимость параметров варикапа от температуры характеризуется температурным коэффициентом емкости

где ∆C В /C В - относительное изменение емкости варикапа при изменении температуры ∆T окружающей среды.

Условное графическое обозначение варикапа приведено на 10.0, 4.

Излучающий диод - полупроводниковый диод, излучающий из области р-n-перехода кванты энергии. Излучение испускается через прозрачную стеклянную пластину, размещенную в корпусе диода.

По характеристике излучения излучающие диоды делятся на две группы: диоды с излучением в видимой области спектра, получившие название светодиоды; диоды с излучением в инфракрасной области спектра, получившие, в свою очередь, название ИК-диоды. Принцип действия обеих групп диодов одинаков и базируется на самопроизвольной рекомбинации носителей заряда при прямом токе через выпрямляющий электрический переход. Из курса физики известно, что рекомбинация носителей заряда сопровождается освобождением кванта энергии. Спектр частот последней определяется типом исходного полупроводникового материала.

Основными материалами для изготовления светодиодов служат фосфид галлия, арсенид-фосфид галлия, карбид кремния. Большую часть энергии, выделяемой в этих материалах при рекомбинации носителей заряда, составляет тепловая энергия. На долю энергии видимого излучения в лучшем случае приходится 10...20%. Поэтому кпд светодиодов невелик.

Исходными материалами для изготовления ИК-диодов являются арсенид и фосфид галлия. Полная мощность излучения этой группы диодов лежит в пределах от единиц до сотен милливатт при напряжении на диоде 1,2...3 В и прямом токе от десятков до сотен миллиампер.

Условное графическое обозначение излучающих диодов показано на рис. 10.0, 5.

Светодиоды применяют в качестве световых индикаторов, а ИК-диоды - в качестве источников излучения в оптоэлектронных устройствах.

Полупроводниковый диод — это полупроводниковый прибор с одним p-n переходом и с двумя электродами. Принцип действия полупроводникового диода основан на явлении p-n перехода, поэтому для дальнейшего изучения любых полупроводниковых приборов нужно знать как работает .
Выпрямительный диод (также называют вентилем) — это разновидность полупроводникового диода который служит для преобразования переменного тока в постоянный.
У диода есть два вывода (электрода) анод и катод. Анод присоединён к p слою, катод к n слою. Когда на анод подаётся плюс, а на анод минус (прямое включение диода) диод пропускает ток. Если на анод подать минус, а на катод плюс (обратное включение диода) тока через диода не будет это видно из вольт амперной характеристики диода. Поэтому когда на вход выпрямительного диода поступает переменное напряжение через него проходит только одна полуволна.
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода.
Вольт-амперная характеристика диода показана на рис. I. 2. В первом квадранте показана прямая ветвь характеристики, описывающая состояние высокой проводимости диода при приложенном к нему прямом напряжении, которая линеаризуется кусочно-линейной функцией
u = U 0 +R Д i
где: u — напряжение на вентиле при прохождении тока i; U 0 — пороговое напряжение; R д — динамическое сопротивление.
В третьем квадранте находится обратная ветвь вольт-амперной характеристики, описывающая состояние низкой проводимости при проложенном к диоду обратном напряжении. В состоянии низкой проводимости ток через полупроводниковую структуру практически не протекает. Однако это справедливо только до определённого значения обратного напряжения. При обратном напряжении, когда напряженность электрического поля в p-n переходе достигает порядка 10 s В/см, это поле может сообщить подвижным носителям заряда - электронам и дыркам, постоянно возникающим во всем объеме полупроводниковой структуры в результате термической генерации,- кинетическую энергию, достаточную для ионизации нейтральных атомов кремния. Образовавшиеся дырки и электроны проводимости, в свою очередь, ускоряются электрическим полем p-n перехода и также ионизируют нейтральные атомы кремния. При этом происходит лавинообразное нарастание обратного тока, .т. е. лавинный пробои.
Напряжение, при котором происходит резкое повышение обратного тока, называется напряжением пробоя U 3 .

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.

Решение проблемы мерцания светодиодных лент во включенном состоянии «Глазки ангела» для автомобиля собственноручно Опорные конструкции под наружный тип освещения: что необходимо знать