Диод сопротивление: Сопротивление диода : Физика

4. Полупроводниковый диод. Дифференциальное сопротивление в прямом включении

  Для начала стоит разобраться с понятием “дифференциальное сопротивление”. Я думаю, многие знают, что из себя представляет обычное “омическое” сопротивление и легко могут его найти, зная закон Ома:

 I=U⁄R,                                                                                               (1)

где I ─ ток, протекающий в цепи, U ─ Напряжение на участке цепи, R ─ сопротивление участка цепи.
Благодаря этой формуле, мы легко вычисляем сопротивление и не паримся. Это справедливо к обычному резистору, сопротивление которого не меняется от приложенного тока и напряжения ( пока он не начнет гореть от перегрузки, но это уже другая история :)). 

  Если мы возьмем диод, приоткроем его определенным напряжением и начнем расчитывать его сопротивление по обычной формуле, исходя из полученных токов и напряжений, ничего путного из этого не получится, поскольку данная формула применима к линейным элементам (коим и является обычный резистор). Расчеты окажутся некорректными, поскольку диод имеет НЕЛИНЕЙНУЮ (экспоненциальную) вольт-амперную характеристику, график которой был приведен в этой статье, из которого видно, что при изменении протекающего тока, напряжение изменяется непропорционально.

 Тут как раз на помощь приходит дифференциальное сопротивление, которое показывает, насколько изменяется это самое сопротивление при изменении тока или напряжения в нашем элементе. Оно имеет вид:

   d(R)=|U2-U1|/|I2-I1|,                                                                                  (2)

где d(R) ─ дифференциальное сопротивление, U2-U1 ─ дифференциальное (разностное) напряжение на участке цепи, I2-I1 ─ дифференциальный (разностный) ток, протекающий в цепи.

  Допустим, захотелось нам вычислить сопротивление диода. И тут есть,по крайней мере, два пути. Первый путь достаточно прост. Умные дяденьки, исходя из формулы вольт-амперной характеристики диода, вывели формулу, с помощью которой можно вычислить дифференциальное сопротивление диода, исходя из протекающего тока.

Выглядит она таким образом:

d(R)=(k*T/e)/I,                                                                                        (3)

где k ─ постоянная Больцмана, T ─ абсолютная температура в Кельвинах, e ─ заряд электрона.

  Далее, дяденьки пошли дальше и ввели величину теплового потенциала (ϕT), она равна:

ϕT=k*T/e                                                                                            (4)

При комнатной температуре (20…25°С), величина ϕT≈25 (мВ), а при другой температуре расчитать несложно, поскольку k и e ─ всем известные константы, а T ─ это собственно температура :).

Исходя из вышеописанного, формула 3 три приобретает вид:

 d(R)=ϕT/I,                                                                                           (5)

Допустим, мы при комнатной температуре провели через диод ток величиной 1 милиампер. Расчитаем дифференциальное сопротивление диода по формуле 5:

d(R)=25/1=25 Ом                                                                                         

Собственно говоря, на этом весь расчет и окончился :). Полученные результаты на 100% верны, если вольт-амперная характеристика нашего диода идеально экспоненциальная. Естественно, идеального ничего не бывает, поскольку на практике характеристика диода немного отличается от экспоненциальной, поэтому погрешность, конечно, есть. Это был первый путь.

  Второй путь ─ сугубо практический. Берем диод, пропускаем через него ток ,смотрим падение напряжения, записываем результаты. Далее, повышаем ток, смотрим падение напряжения, записываем результаты, после чего, расчитываем сопротивление с помощью формулы 2. Такой подход актуален, когда нужно прям очень точно  расчитать сопротивление (мое мнение ─ на практике такая точность нахрен никому не нужна :)). Этим мы и займемся. В симуляторе выбираем диод, пропускаем через него ток 1 миллиампер смотрим падение напряжения при этом:

Напряжение составило 611,5 мВ. Повысим мы, допустим, ток в 3 раза (мне так захотелось). Что при этом получилось:

Падение напряжения составило 671,9 мВ. Ну что же, данные есть, осталось только подставить в формулу 2:

d(R)=(671,9-611,5)/(3-1)=30,2 Ом                                                                             

Наше дифференциальное сопротивление составило 30,2 Ом. Вспомним, что с помощью первого метода расчета, оно составило 25 Ом. Какой расчет выбирать? Дело уже Ваше. Как правило, на практике, первого метода вполне достаточно.

  

Как измерить сопротивление диода

Промышленность выпускает плоскостные и точечные полупрово­дниковые диоды, отличающиеся конструкцией, технологией изготов­ления и значением характеризующих их параметров.

Измерение параметров диодов принципиально отличается от рас­смотренных ранее измерений аналогичных параметров, что объясня­ется зависимостью свойств полупроводниковых приборов от внешних условий (главным образом, от температуры) и нелинейностью вольт-амперных характеристик полупроводниковых приборов.

В соответствии с первой причиной следует учитывать разогрев p-n-перехода проходящим током во время измерения, что требует обеспе­чения отвода тепла исследуемого диода (теплоотвод) и ограничения времени измерения.

Вторая причина обязывает выполнять измерения при определен­ных значениях напряжения и силы тока.

Параметры полупроводниковых диодов определяются свойствами

p-n-перехода.

Сила тока, протекающего через диод, зависит от знака и значения приложенного напряжения. Эта зависимость наглядно представляет­ся вольт-амперной характеристикой, где по оси ординат откладывают значение силы тока диода, а по оси абсцисс — приложенное напряже­ние. Поскольку прямой ток обычно превышает обратный в тысячи раз, то ВАХ диодов строят в разных масштабах: прямой ток откладывают в миллиамперах, обратный — в микроамперах. Масштаб обратного напряжения выбирают более крупным, чем масштаб прямого напря­жения.

ВАХ полупроводникового диода представлена на рис. 6.1, а, где хорошо видно, что при большом обратном напряжении резко возрас­тает обратный ток. Это явление сопровождается тепловым необрати­мым пробоем диода и выходом его из строя. На ВАХ имеются обла­сти с различным дифференциальным сопротивлением R_диф= , поэтому необходимая точность определения параметров может быть достигнута при соблюдении некоторых условий измерения.

При изме­рении параметров на прямой ветви ВАХ (рис. 6.1, 6) следует задавать постоянный ток I_пр и измерять падение прямого напряжения U_пр. Это условие означает, что внутреннее сопротивление источника питания должно быть много больше сопротивления диода, чтобы изменение напряжения на диоде (VD) не вызывало изменений тока, выходящих за пределы заданной погрешности измерений, т.е. источник питания должен быть источником тока по отношению к диоду. Условие необхо­димо выполнять на всех участках ВАХ (при измерении напряжения), где дифференциальное сопротивление мало.

Рис. 6.1. ВАХ диода (а), схема измерения на прямой (6) И обратной (в) ветвях

Стабилизированный источник питания постоянного тока обеспе­чивает дискретные значения прямого тока в диапазоне изменения прямого напряжения для испытуемого диода. Измерение

U_првыпол­няет высокоомный вольтметр постоянного тока; контроль дискретных значений тока обеспечивается миллиамперметром магнитоэлектриче­ской системы.

При измерении параметров диода на обратной ветви ВАХ (рис. 6.1. в) необходимо задаваться силой обратного тока I_обри из­мерять обратное напряжение U_{обр .}При этом источник питания Е, ко­торым задается режим измерения, должен иметь малое внутреннее сопротивление — в противном случае незначительные изменения об­ратного тока вызовут большую погрешность при измерении обратно­го напряжения.

Со стабилизированного источника на диод VD подаются заданные значения обратного напряжения, которые контролируются вольт­метром магнитоэлектрической системы. Сила обратного тока диода измеряется микроамперметром постоянного тока.

Таким образом, в справочнике на диоды в качестве электрических характеристик указываются координаты точек характеристики на пря­мой и обратной ветвях.

Прямую ветвь характеризуют следующие параметры: U_пр— прямое падение напряжения на диоде при заданной силе постоянного прямого тока I_пр; R_диф— дифференциальное сопротивление.

Обратную ветвь характеризуют следующие параметры: U_обр— постоянное обратное напряжение на диоде при заданной силе постоян­ного обратного тока, протекающего через диод: I_обр– сила постоянного обратного тока, протекающего через диод при подаче на него постоянного обратного напряжения U_обр ; U_обр.max— наибольшее допустимое обратное напряжение (предельное напряжение).

Эффективность выпрямления определяют расчетом коэффициента выпрямления по результатам измерений:

Исследование ВАХ диодов по точкам оказывается трудоемким и не всегда целесообразным. Поэтому на практике требуемые па­раметры измеряют в определенных точках. Например. U_пр, I_пр, I_обр измеряют с помощью специальных измерителей параметров дио­дов.

Для оценки частотных свойств диода снимают частотные характеристики I_выпр( f ) (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Схема измерения частотной характеристики диода

Основным параметром, определяющим частотные свойства диода, является граничная рабочая частота f_гр, при которой сила выпрямлен­ного тока уменьшается на 30% относительно номинального значения, измеренного на низкой частоте.

Для определения граничной рабочей частоты исследуемый диод VD включается в схему однополупериодного выпрямителя с активно-емкостной нагрузкой. На вход схемы подается переменное напряже­ние неизменной амплитуды различной частоты, контролируемое на выходе генератора вольтметром. Резистор

R1обеспечивает согласова­ние сопротивления генератора и сопротивления нагрузки. Сила конт­ролируемого выпрямленного тока измеряется миллиамперметром.

На высоких частотах (более 100 кГц) должны быть приняты меры для уменьшения погрешности, вносимой паразитными индуктивностями.

Значение емкости С конденсатора выбирается таким, чтобы ем­костное сопротивление при минимальной частоте подводимого напря­жения было значительно меньше сопротив­ления резистора R1.

Проходная емкость диода ограничивает применение полупроводниковых диодов на высоких частотах.

Емкость p-n-перехода диода измеряют при определенном напряжении смещения, так как она существенно зависит от этого на­пряжения (рис. 6.3).

Погрешность измерения емкости зависит от точности задания рабочей точки, в которой измеряется емкость, и точности измерения на­пряжения.

Все рассмотренные измерения выполняют при температуре окру­жающей среды +20. +50 °С. если это не оговорено особо.

Изменение температуры заметно влияет на все основные парамет­ры диода. С повышением температуры уменьшается прямое и обратное сопротивление, увеличивается проходная емкость диода из-за уменьшения контактной разности потенциалов, что приводит к некоторому ухудшению частотных свойств диода. С повышением температуры особенно резко меняется обратное сопротивление, что является основ­ным фактором, определяющим температурный предел работы диодов, а дальнейшее повышение температуры приводит к необратимому из­менению его параметров. Исследуемый диод помещают в термостат, поддерживая заданную температуру (для германиевых — не выше 70 °С, для кремниевых — не выше 125 °С). На основании анализа по­лученных результатов определяют максимально и минимально допу­стимые температуры для диода конкретного типа.

У выпрямительных диодовизмеряют все указанные параметры, для которых необходимо знать предельно допустимые эксплуатацион­ные режимы, при которых диод должен работать с заданной надежно­стью в течение установленного срока.

Предельно допустимые режимы выпрямительных диодов характе­ризуются максимальной силой прямого тока I_пр.maxи обратного напря­жения U_обр.max , максимально допустимой мощностью Р_max, рассеивае­мой на диоде, диапазоном температур окружающей среды.

Измерение силы прямого тока и обратного напряжения описано ранее, а значение рассеиваемой на диоде мощности определяется как сумма мощностей при протекании прямого и обратного токов:

Из-за малости обратного тока значением Р_обробычно пренебрегают и тогда

У высокочастотных диодовизмеряют практически все те же па­раметры, которые рассматривались ранее. Однако СВЧ-диоды из-за чувствительности к тепловым и электрическим воздействиям должны храниться в экранирующей защитной оболочке, и в процессе измере­ния параметров диод должен быть защищен от воздействия электро­магнитного поля.

Уимпульсных диодов наряду с параметрами ВАХ измеряют спе­циальные параметры (характеризующие инерционность диодов): вре­мя восстановления обратного сопротивления, заряд переключения, максимальное импульсное прямое падение напряжения.

У детекторных диодов измеряют чувствительность по току, со­противление в рабочей точке, коэффициент стоячей волны, шумовое отношение.

У смесительных диодов измеряемыми параметрами являются по­тери преобразования, выходное сопротивление, коэффициент стоячей полны, шумовое отношение, нормированный коэффициент шума.

Упараметрическихиумножительных диодов с управляемой емкостью наряду с емкостью диода, силой обратного тока и предель­но допустимым напряжением измеряют добротность диода на задан­ной частоте и собственную индуктивность диода.

У стабилитронов (стабисторов) измеряют напряжение стабили­зации.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Увлечёшься девушкой-вырастут хвосты, займёшься учебой-вырастут рога 9574 – | 7561 – или читать все.

78.85.5.182 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно

Сегодня без электроники никуда. Она является составной частью любого современного прибора или гаджета. При этом все приборы, как это ни печально, не могут работать вечно и периодически ломаются. Одной из довольно распространенных причин поломки целого ряди электроприборов, является выход из строя такого элемента электросети, как диод.

Провести проверку исправности этого компонента можно своими руками в домашних условиях. Эта статья расскажет вам, как проверить диод мультиметром, а также о том, что собой представляют данные элементы и каков сам измерительный прибор.

Диод диоду рознь

Стандартный диод представляет собой компонент электросети и выступает в роли полупроводника с p-n переходом. Его строение позволяет пропускать ток по цепи только в одном направлении — от анода к катоду (разные концы детали). Для этого нужно подать на анод «+», а на катод – «-».

Обратите внимание! Течь в обратном направлении, от катода к аноду, электрический ток в диодах не может.

Из-за такой особенности изделия, при подозрении на предмет поломки, его можно проверить тестером или мультметром.
На сегодняшний день в радиоэлектронике существует несколько видов диодов:

• светодиод. При прохождении электрического тока через такой элемент он начинает светиться в результате трансформации энергии в видимое свечение;
• защитный или обычный диод. Такие элементы в электросети выполняют роль супрессора или ограничителя напряжения. Одной из разновидностей данного элемента является диод Шоттки. Его еще называют как диод с барьером Шоттки. Такой элемент при прямом включении дает малое падение напряжения. В Шоттки вместо p-n перехода применяется переход металл-полупроводник.

Если обычные детали и светодиоды используются в превалирующем большинстве электроприборов, то Шоттки – преимущественно в качественных блоках питания (например, для таких приборов, как компьютеры).
Стоит отметить, что проверка обычного диода и Шоттки практически ни чем особым не отличается, так как проводится по одному и тому же принципу. Поэтому не стоит беспокоиться по данному вопросу, ведь принцип работы и Шоттки, и обычных диодов идентичен.
Обратите внимание! Здесь только стоит отметить, что Шоттки в большинстве случаев встречаются сдвоенными, размещаясь в общем корпусе. При этом они имеют общий катод. В такой ситуации можно эти детали не выпаивать, а проверить «на месте».

Являясь компонентом электронной схемы, такие полупроводниковые элементы довольно часто выходят из строя. Самыми распространенными причинами выхода их из строя бывают:

• превышение максимально допустимого уровня прямого тока;
• превышение обратного напряжения;
• некачественная деталь;
• нарушение правил эксплуатации прибора, установленных производителем.

При этом вне зависимости от причины потери работоспособности выход из строя может быть непосредственно обусловлен либо «пробоем», либо коротким замыканием.
В любом случае, если имеется предположение о выходе электросети из строя в зоне полупроводника, необходимо провести его диагностику с помощью специального прибора – мультиметра. Только для проведения таких манипуляций необходимо знать, как проверить диод с его помощью правильно.

Мультиметр

Мультиметр является универсальным прибором, который выполняет ряд функций:

• измеряет напряжение;
• определяет сопротивление;
• проверяет провода на предмет наличия обрывов.

С помощью этого прибора даже можно определить пригодность батарейки.

Как проводится проверка

После того, как мы разобрались с полупроводниками электрической схемы и предназначением прибора, можно ответить на вопрос «как проверить диод на исправность?».
Вся суть проверки диодов мультиметром заключается в их односторонней пропускной способности электрического тока. При соблюдении этого правила элемент электрической схемы считается функционирующим правильно и без сбоев.
Обычные диоды и Шоттки можно спокойно проверить с помощью данного прибора. Чтобы проверить этот полупроводниковый элемент мультиметром, необходимо проделать следующие манипуляции:

• необходимо удостовериться, что на вашем мультиметре имеется функция проверки диодов;
• при наличии такой функции подключаем щупы прибора к той стороне полупроводника, с которой будет осуществляться «прозвон». Если данная функция отсутствует, тогда переводим прибор с помощью переключателя на значение 1кОМ. Также следует выбрать режим для измерения сопротивления;
• красный провод измерительного устройства необходимо подключить к анодному концу, а черный – к катодному;
• после этого нужно наблюдать за изменениями прямого сопротивления полупроводника;
• делаем выводы о имеющемся или отсутствующем напряжении

После этого прибор можно переключить, чтобы проверить на предмет утечки или высокого замыкания. Для этого необходимо поменять места вывода диода. В таком состоянии также необходимо провести оценку полученных значений прибора.

Проверка диодного моста

Иногда имеется ситуация, когда нужно проверить на работоспособность диодный мост. Он имеет вид сборки, состоящей из четырех полупроводников. Они соединяются таким образом, чтобы переменное напряжение, подаваемое к двум из четырех спаянных элементов, переходило в постоянное. Последнее снимается с двух других выводов. В результате происходит выпрямление переменного напряжения и перевод его в постоянное.

По сути, принцип проверки в этой ситуации остается таким же, как было описано выше. Единственной особенностью тут является определение, к какому выводу будет подключен измерительный прибор. Здесь имеется четыре варианта подключения, которые следует «прозвонить»:

• выводы 1 – 2;
• выводы 2 – 3;
• выводы 1 – 4;
• выводы 4 – 3;

Проверив каждый выход, вы получите четыре результата. Полученные показатели следует оценивать по тому же принципу, что и для отдельного полупроводника.

Анализируем результаты

При проверке диодов (обычного и Шоттки) с помощью мультиметра, вы получите определенный результат. Теперь нужно понять, что он может означать. К признакам, которые свидетельствуют в пользу исправности полупроводника, относятся следующие моменты:

• при подключении детали электросхемы к прибору последний будет выдавать величину имеющегося прямого напряжения в этом элементе;

Обратите внимание! Разные типы диодов обладают различным уровнем напряжения, по которому они и отличаются. Например, для германиевых изделий этот параметр составит 0,3-0,7 вольт

• при подключении обратным способом (щуп прибора к аноду изделия) будет регистрироваться ноль.

Если эти два показателя соблюдаются, то полупроводник работает адекватно и причина поломки не в нем. А вот если хотя бы одни из параметров не соответствует, то элемент признается негодным и подлежит замене.
Кроме этого следует учитывать, что возможна не поломка, а «утечка». Этот неприятный дефект может проявиться при длительной эксплуатации прибора или некачественной сборке.
При наличии короткого замыкания или утечки, полученное сопротивление будет довольно низким. Причем вывод необходимо делать, основываясь на виде полупроводника. Для германиевых элементов этот показатель в данной ситуации будет иметь диапазон от 100 килоом до 1 мегаом, для кремниевых — тысячи мегаом. Для выпрямительных полупроводников данный показатель будет в разы больше.
Как видим, своими силами не так уж и сложно провести оценку работоспособности полупроводников в любом электроприборе. Вышеописанный принцип подходит для проверки диодных элементов различных типов и видов. Главное в этой ситуации правильно подключить измерительный прибор к полупроводнику и проанализировать полученные результаты.

И для любителей, и для профессионалов электроники очень важным умением является способность определить полярность (где катод, а где анод) и работоспособность диода. Так как мы знаем, что диод, по сути, является не более, чем односторонним клапаном для электричества, то вероятно, мы можем проверить его однонаправленный характер с помощью омметра, измеряющего сопротивление по постоянному току (питающегося от батареи), как показано на рисунке ниже. При подключении диода одним способом мультиметр должен показать очень низкое сопротивление на рисунке (a). При подключении диода другим способом мультиметр должен показать очень большое сопротивление на рисунке (b) (некоторые модели цифровых мультиметров в этом случае показывают “OL”).

Определение полярности диода: (a) Низкое сопротивление указывает на прямое смещение, черный щуп подключен к катоду, а красный – к аноду. (b) Перемена щупов местами показывает высокое сопротивление, указывающее на обратное смещение.

Конечно, чтобы определить, какое вывод диода является катодом, а какой – анодом, вы должны точно знать, какой вывод мультиметра является положительным (+), а какой – отрицательным (-), когда на нем выбран режим «сопротивление» или «Ω». В большинстве цифровых мультиметров, которые я видел, красный вывод используется, как положительный, а черный, как отрицательный, в соответствии с соглашением о цветовой маркировке электроники.

Одна из проблем использования омметра для проверки диода заключается в том, что мы имеем только качественное значение, а не количественное. Другими словами, омметр говорит вам, только в каком направлении диод проводит ток; полученное при измерении низкое значение сопротивления бесполезно. Если омметр показывает значение «1,73 ома» при прямом смещении диода, то число 1,7 Ом не представляет для нас, как для техников или разработчиков схем, никакой реально полезной количественной оценки. Оно не представляет собой ни прямое падение напряжения, ни величину сопротивления материала полупроводника самого диода; это число скорее зависит от обеих величин и будет изменяться в зависимости от конкретного омметра, используемого для измерения.

По этой причини, некоторые производители цифровых мультиметров оснащают свои измерительные приборы специальной функцией «проверка диода», которая показывает реальное прямое падение напряжения на диоде в вольтах, а не значение «сопротивления» в омах. Эти измерительные приборы работают, пропуская через диод небольшой ток и измеряя падение напряжения между двумя измерительными щупами (рисунок ниже).

Мультиметр с функцией «Проверка диода», вместо низкого сопротивления, показывает прямое падение напряжения 0,548 вольт.

Показание прямого напряжения, полученное таким образом с помощью мультиметра обычно меньше, чем «нормальное» падение в 0,7 вольта для кремниевых диодов и 0,3 вольта для германиевых диодов, так как ток, обеспечиваемый измерительным прибором, довольно мал. Если у вас нет мультиметра с функцией проверки диодов, или вы хотели бы измерить прямое падение напряжения на диоде при другом токе, то можно собрать схему из батареи, резистора и вольтметра.

Измерение прямого напряжения диода с помощью мультиметра без функции «проверка диода»: (a) Принципиальная схема. (b) Схема соединений

Подключение диода в этой тестовой схеме в обратном направлении просто приведет к тому, что вольтметр покажет полное напряжение батареи.

Если эта схема была разработана для обеспечения протекания через диод тока постоянной (или почти) величины, несмотря на изменения прямого падения напряжения, то она может быть использована в качестве основы для инструмента, измеряющего температуру: измеренное на диоде напряжение будет обратно пропорционально температуре перехода диода. Конечно, ток через диод должен быть минимален, чтобы самонагревания (значительного количества рассеиваемой диодом мощности), которое могло бы помешать измерению температуры.

Помните, что некоторые цифровые мультиметры, оснащенные функцией «проверка диода», при работе в обычном режиме «сопротивление» (Ω) могут выдавать очень низкое тестовое напряжение (менее 0,3 вольт), слишком низкое для полного схлопывания (сжатия) обедненной области PN перехода. Суть в том, что тестирования полупроводниковых приборов здесь должна использоваться функция «проверка диода», а функция «сопротивления» – для всего остального. Использование очень низкого тестового напряжения для измерения сопротивления облегчает процесс измерения сопротивления неполупроводниковых компонентов, подключенных к полупроводниковым компонентам, так как переходы полупроводникового компонента не будут смещены такими низкими напряжениями в прямом направлении.

Рассмотрим пример резистора и диода, соединенных параллельно и припаянных к печатной плате. Как правило, перед измерением сопротивления резистора необходимо было бы выпаять его из схемы (отсоединить резистор от остальных компонентов), в противном случае любые параллельно подключенные компоненты будут влиять на полученные показания. При использовании мультиметра, который выдает на щупы очень низкое тестовое напряжение в режиме «сопротивление», на PN переход диода не будет подано напряжение, достаточное для того, чтобы он был смещен в прямом направлении, и, следовательно, диод будет пропускать незначительный ток. Следовательно, измерительный прибор «видит» диод, как разрыв, и показывает сопротивление только резистора (рисунок ниже).

Омметр, оснащенный очень низким тестовым напряжением (

Если использовать такой омметр для проверки диода, он покажет очень высокое сопротивление (много мегаом), даже если подключить диод в «правильном» (для прямого смещения) направлении (рисунок ниже).

Омметр, оснащенный очень низким тестовым напряжением, слишком низким для прямого смещения диодов, не видит диодов.

Величина обратного напряжения диода измеряется не так легко, так как превышение обратного напряжения на обычном диоде приводит к его разрушению. Хотя существуют специальные типы диодов, разработанные для «пробоя» в режиме обратного смещения без повреждения диода (так называемые стабилитроны), которые тестируются в той же схеме источник/резистор/вольтметр при условии, что источник напряжения обеспечивает величину напряжения, достаточную для перехода диода в область пробоя. Более подробную информацию об этом читайте в одной из следующих статей этой главы.

Что такое диод и как его проверить

Приветствую друзья!

Мы настолько привыкли к компьютерам, что не представляем своей жизни без них. Эти жужжащие ящики на наших столах собраны из множества различных «железок». Интересно отметить, что ни один из этих составных «кирпичиков» сам по себе не может похвастаться теми свойствами, которыми обладает компьютер.

А собранные вместе, они являют собой нечто совершенно уникальное!

Какой кирпич не возьми – это только кусок обожженной глины; не сразу и понятно, к какому делу его – самого по себе — можно приспособить.

Это как дом, построенный из кирпичей.

Но несколько тысяч собранных определенным образом таких кусков глины — это жилище, которое защищает от непогоды и предоставляет крышу над головой.

Разумеется, можно пользоваться компьютером (и жить в доме) и не представлять себе, как эти штуки устроены.

Но если вы хотите научиться «лечить» ваши компьютеры, то придется разбираться, как устроены их составные части.

Поэтому сегодня мы поговорим об одном из компьютерных «кирпичиков» чуть более подробно. Мы попытаемся кратко познакомиться с тем, что такое полупроводниковые диоды и зачем они нужны.

Что такое диод?

Диоды применяются в компьютерных блоках питания для выпрямления переменного тока.

Выпрямительный диод – это деталь, имеющая в своем составе соединенные вместе полупроводники двух типов – p-типа (positive – положительный) и n–типа (negative – отрицательный).

При их соединении (сплавлении) образуется так называемый p-n переход. Этот переход обладает разным сопротивлением при различной полярности приложенного напряжения.

Если напряжение приложено в прямом направлении (положительная клемма источника напряжения подключена к p-полупроводнику — аноду, а отрицательная – к n-полупроводнику — катоду), то сопротивление диода невелико.

В этом случае говорят, что диод открыт. Если полярность подключения изменить на противоположную, то сопротивление диода будет очень большим. В таком случае говорят, что диод закрыт (заперт).

Когда диод открыт, то на нем падает какое-то напряжение.

Это падение напряжения создается протекающим через диод так называемым прямым током и зависит от величины этого тока.

Причем зависимость эта нелинейная.

Конкретное значение падения напряжения в зависимости от протекающего тока можно определить по вольт-амперной характеристике.

Эта характеристика обязательно приводится в полном техническом описании (data sheets, справочных листах).

Например, на распространенном диоде 1N5408, применяемом в компьютерном блоке питания, при изменении тока от 0,2 до 3 А падение напряжения изменяется от 0,6 до 0,9 В. Чем больше протекающий через диод ток, тем больше падение напряжения на нем и, соответственно, рассеиваемая на нем мощность (P = U * I). Чем большая мощность рассеивается на диоде, тем сильнее он греется.

Мостовая схема выпрямления

В компьютерном блоке питания при выпрямлении сетевого напряжения применяется обычно мостовая схема выпрямления – 4 диода, включенные определенным образом.

Если клемма 1 имеет положительный относительно клеммы 2 потенциал, то ток пойдет через диод VD1, нагрузку и диод VD3.

Если клемма 1 имеет отрицательный клеммы 2 потенциал, то ток потечет через диод VD2, нагрузку и диод VD4. Таким образом, ток через нагрузку хоть и меняется по величине (при переменном напряжении), но протекает всегда в одном направлении – от клеммы 3 к клемме 4.

В этом и заключается эффект выпрямления. Если бы не было диодного моста – ток по нагрузке протекал бы в разных направлениях. С мостом же он протекает в одном. Такой ток называется пульсирующим.

В курсе высшей математики доказывается, что пульсирующее напряжение содержит в себе постоянную составляющую и сумму гармоник (частот, кратных основной частоте переменного напряжения 50 Герц). Постоянная составляющая выделяется фильтром (конденсатором большой емкости), который не пропускает гармоники.

Схема выпрямления из двух диодов

Выпрямительные диоды присутствуют и в низковольтной части блока питания. Только схема включения состоит там не из 4-х диодов, а из двух.

Внимательный читатель может спросить: «А почему это используются разные схемы включения? Нельзя ли применить диодный мост и в низковольтной части?»

Можно, но это будет не лучшее решение. В случае диодного моста ток проходит через нагрузку и два последовательно включенных диода.

В случае использования диодов 1N5408 общее падение напряжения на них может составить величину 1,8 В. Это очень немного по сравнению с сетевым напряжением 220 В.

А вот если такая схема будет применена в низковольтной части, то это падение будет весьма заметным по сравнению с напряжениями +3,3, +5 и +12 В. Применение схемы из двух диодов уменьшает потери вдвое, так как последовательно с нагрузкой включен один диод, а не два.

К тому же, ток во вторичных цепях блока питания гораздо больше (в разы), чем в первичной.

Следует отметить, для этой схемы трансформатор должен иметь две одинаковые обмотки, а не одну. Схема выпрямления из двух диодов использует оба полупериода переменного напряжения, также как и мостовая.

Если потенциал верхнего конца вторичной обмотки трансформатора (см схему) положителен по отношению к нижнему, то ток протекает через клемму 1, диод VD1, клемму 3, нагрузку, клемму 4 и среднюю точку обмотки. Диод VD2 в это время заперт.

Если потенциал нижнего конца вторичной обмотки положителен по отношению к верхнему, то ток протекает через клемму 2, диод VD2, клемму 3, нагрузку, клемму 4 и среднюю точку обмотки. Диод VD1 в это время заперт. Получается тот же пульсирующий ток, что и при мостовой схеме.

Теперь давайте покончим со скучной теорией и перейдем к самому интересному – к практике.

Проверка диодов

Для начала скажем, что перед началом проверки диодов, хорошо бы ознакомиться с тем, как работать с цифровым тестером.

Об этом рассказывается в соответствующих статьях здесь, здесь и здесь.

Диод на электрических схемах изображается символически в виде треугольника (стрелочки) и палочки.

Палочка – это катод, стрелочка (она указывает направление тока, т.е. движения положительных зарядов) – анод.

Проверить диодный мост можно цифровым тестером, установив переключатель работы в положении проверки диодов (указатель переключателя диапазонов тестера должен стоять напротив символического изображения диода).

Если присоединить красный щуп тестера к аноду, а черный — к катоду отдельного диода, то диод будет открыт напряжением с тестера.

Дисплей покажет величину 0,5 – 0,6 В.

Если изменить полярность щупов, диод будет заперт.

Дисплей при этом покажет единицу в крайнем левом разряде.

Диодный мост часто имеет символическое обозначение вида напряжения на корпусе (~ переменное напряжение, +, — постоянное напряжение).

Диодный мост можно проверить, установив один щуп на одну из клемм «~», а второй – поочередно на выводы «+» и «-».

При этом один диод будет открыт, а другой закрыт.

Если поменять полярность щупов – то тот диод, который был закрыт, теперь откроется, а другой закроется.

Следует обратить внимание на то, что катод – это плюсовой вывод моста.

Если какой-то из диодов закорочен, тестер покажет нулевое (или очень небольшое напряжение).

Такой мост, естественно, непригоден для работы.

В закоротке диода можно убедиться, если тестировать диоды в режиме измерения сопротивления.

При закороченном диоде тестер покажет небольшое сопротивление в обоих направлениях.

Как уже говорилось, во вторичных цепях используется схема выпрямления из двух диодов.

Но даже на одном диоде падает достаточно большое напряжение по сравнению с выходными напряжениями +12 В, +5 В, +3,3 В.

Токи потребления могут достигать 20 А и более, и на диодах будет рассеиваться большая мощность.

Вследствие этого они будут сильно греться.

Мощность рассеяния уменьшится, если будет меньшим прямое напряжение на диоде.

Поэтому в таких случаях применяют так называемые диоды Шоттки, у которых прямое падение напряжения меньше.

Диоды Шоттки

Диод Шоттки состоит не из двух различных полупроводников, а из металла и полупроводника.

Получающийся при этом так называемый потенциальный барьер будет меньше.

В компьютерных блоках питания применяют сдвоенные диоды Шоттки в трехвыводном корпусе.

Типичным представителем такой сборки является SBL2040. Падение напряжения на каждом из ее диодов при максимальном токе не превысит (по даташиту) 0,55 В. Если проверить ее тестером (в режиме проверки диодов), то он покажет величину около 0,17 В.

Меньшая величина напряжения обусловлена тем, что через диод протекает очень небольшой ток, далекий от максимального.

В заключение скажем, что у диода есть такой параметр, как предельно допустимое обратное напряжение. Если диод заперт – к нему приложено обратное напряжение. При замене диодов надо учитывать эту величину.

Если в реальной схеме обратное напряжение превысит предельно допустимое – диод выйдет из строя!

Диод – важная «железка» в электронике. Чем бы еще мы выпрямляли напряжение?

До встречи на блоге!

Принцип работы диода. Вольт-амперная характеристика. Пробои p-n перехода

Здравствуйте уважаемые читатели сайта sesaga.ru. В первой части статьи мы с Вами разобрались, что такое полупроводник и как возникает в нем ток. Сегодня мы продолжим начатую тему и поговорим о принципе работы полупроводниковых диодов.

Диод – это полупроводниковый прибор с одним p-n переходом, имеющий два вывода (анод и катод), и предназначенный для выпрямления, детектирования, стабилизации, модуляции, ограничения и преобразования электрических сигналов.

По своему функциональному назначению диоды подразделяются на выпрямительные, универсальные, импульсные, СВЧ-диоды, стабилитроны, варикапы, переключающие, туннельные диоды и т.д.

Теоретически мы знаем, что диод в одну сторону пропускает ток, а в другую нет. Но как, и каким образом он это делает, знают и понимают не многие.

Схематично диод можно представить в виде кристалла состоящего из двух полупроводников (областей). Одна область кристалла обладает проводимостью p-типа, а другая — проводимостью n-типа.

На рисунке дырки, преобладающие в области p-типа, условно изображены красными кружками, а электроны, преобладающие в области n-типа — синими. Эти две области являются электродами диода анодом и катодом:

Анод – положительный электрод диода, в котором основными носителями заряда являются дырки.

Катод – отрицательный электрод диода, в котором основными носителями заряда являются электроны.

На внешние поверхности областей нанесены контактные металлические слои, к которым припаяны проволочные выводы электродов диода. Такой прибор может находиться только в одном из двух состояний:

1. Открытое – когда он хорошо проводит ток;
2. Закрытое – когда он плохо проводит ток.

Прямое включение диода. Прямой ток.

Если к электродам диода подключить источник постоянного напряжения: на вывод анода «плюс» а на вывод катода «минус», то диод окажется в открытом состоянии и через него потечет ток, величина которого будет зависеть от приложенного напряжения и свойств диода.

При такой полярности подключения электроны из области n-типа устремятся навстречу дыркам в область p-типа, а дырки из области p-типа двинутся навстречу электронам в область n-типа. На границе раздела областей, называемой электронно-дырочным или p-n переходом, они встретятся, где происходит их взаимное поглощение или рекомбинация.

Например. Oсновные носители заряда в области n-типа электроны, преодолевая p-n переход попадают в дырочную область p-типа, в которой они становятся неосновными. Ставшие неосновными, электроны будут поглощаться основными носителями в дырочной области – дырками. Таким же образом дырки, попадая в электронную область n-типа становятся неосновными носителями заряда в этой области, и будут также поглощаться основными носителями – электронами.

Контакт диода, соединенный с отрицательным полюсом источника постоянного напряжения будет отдавать области n-типа практически неограниченное количество электронов, пополняя убывание электронов в этой области. А контакт, соединенный с положительным полюсом источника напряжения, способен принять из области p-типа такое же количество электронов, благодаря чему восстанавливается концентрация дырок в области p-типа. Таким образом, проводимость p-n перехода станет большой и сопротивление току будет мало, а значит, через диод будет течь ток, называемый прямым током диода Iпр.

Обратное включение диода. Обратный ток.

Поменяем полярность источника постоянного напряжения – диод окажется в закрытом состоянии.

В этом случае электроны в области n-типа станут перемещаться к положительному полюсу источника питания, отдаляясь от p-n перехода, и дырки, в области p-типа, также будут отдаляться от p-n перехода, перемещаясь к отрицательному полюсу источника питания. В результате граница областей как бы расширится, отчего образуется зона обедненная дырками и электронами, которая будет оказывать току большое сопротивление.

Но, так как в каждой из областей диода присутствуют неосновные носители заряда, то небольшой обмен электронами и дырками между областями происходить все же будет. Поэтому через диод будет протекать ток во много раз меньший, чем прямой, и такой ток называют обратным током диода (Iобр). Как правило, на практике, обратным током p-n перехода пренебрегают, и отсюда получается вывод, что p-n переход обладает только односторонней проводимостью.

Прямое и обратное напряжение диода.

Напряжение, при котором диод открывается и через него идет прямой ток называют прямым (Uпр), а напряжение обратной полярности, при котором диод закрывается и через него идет обратный ток называют обратным (Uобр).

При прямом напряжении (Uпр) сопротивление диода не превышает и нескольких десятков Ом, зато при обратном напряжении (Uобр) сопротивление возрастает до нескольких десятков, сотен и даже тысяч килоом. В этом не трудно убедиться, если измерить обратное сопротивление диода омметром.

Сопротивление p-n перехода диода величина не постоянная и зависит от прямого напряжения (Uпр), которое подается на диод. Чем больше это напряжение, тем меньшее сопротивление оказывает p-n переход, тем больший прямой ток Iпр течет через диод. В закрытом состоянии на диоде падает практически все напряжение, следовательно, обратный ток, проходящий через него мал, а сопротивление p-n перехода велико.

Например. Если включить диод в цепь переменного тока, то он будет открываться при положительных полупериодах на аноде, свободно пропуская прямой ток (Iпр), и закрываться при отрицательных полупериодах на аноде, почти не пропуская ток противоположного направления – обратный ток (Iобр). Эти свойства диодов используют для преобразования переменного тока в постоянный, и такие диоды называют выпрямительными.

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода.

Зависимость тока, проходящего через p-n переход, от величины и полярности приложенного к нему напряжения изображают в виде кривой, называемой вольт-амперной характеристикой диода.

На графике ниже изображена такая кривая. По вертикальной оси в верхней части обозначены значения прямого тока (Iпр), а в нижней части — обратного тока (Iобр).
По горизонтальной оси в правой части обозначены значения прямого напряжения Uпр, а в левой части – обратного напряжения (Uобр).

Вольт-амперная характеристика состоит как бы из двух ветвей: прямая ветвь, в правой верхней части, соответствует прямому (пропускному) току через диод, и обратная ветвь, в левой нижней части, соответствующая обратному (закрытому) току через диод.

Прямая ветвь идет круто вверх, прижимаясь к вертикальной оси, и характеризует быстрый рост прямого тока через диод с увеличением прямого напряжения.
Обратная ветвь идет почти параллельно горизонтальной оси и характеризует медленный рост обратного тока. Чем круче к вертикальной оси прямая ветвь и чем ближе к горизонтальной обратная ветвь, тем лучше выпрямительные свойства диода. Наличие небольшого обратного тока является недостатком диодов. Из кривой вольт-амперной характеристики видно, что прямой ток диода (Iпр) в сотни раз больше обратного тока (Iобр).

При увеличении прямого напряжения через p-n переход ток вначале возрастает медленно, а затем начинается участок быстрого нарастания тока. Это объясняется тем, что германиевый диод открывается и начинает проводить ток при прямом напряжении 0,1 – 0,2В, а кремниевый при 0,5 – 0,6В.

Например. При прямом напряжении Uпр = 0,5В прямой ток Iпр равен 50mA (точка «а» на графике), а уже при напряжении Uпр = 1В ток возрастает до 150mA (точка «б» на графике).

Но такое увеличение тока приводит к нагреванию молекулы полупроводника. И если количество выделяемого тепла будет больше отводимого от кристалла естественным путем, либо с помощью специальных устройств охлаждения (радиаторы), то в молекуле проводника могут произойти необратимые изменения вплоть до разрушения кристаллической решетки. Поэтому прямой ток p-n перехода ограничивают на уровне, исключающем перегрев полупроводниковой структуры. Для этого используют ограничительный резистор, включенный последовательно с диодом.

У полупроводниковых диодов величина прямого напряжения Uпр при всех значениях рабочих токов не превышает:
для германиевых — 1В;
для кремниевых — 1,5В.

При увеличении обратного напряжения (Uобр), приложенного к p-n переходу, ток увеличивается незначительно, о чем говорит обратная ветвь вольтамперной характеристики.
Например. Возьмем диод с параметрами: Uобр max = 100В, Iобр max = 0,5 mA, где:

Uобр max – максимальное постоянное обратное напряжение, В;
Iобр max – максимальный обратный ток, мкА.

При постепенном увеличении обратного напряжения до значения 100В видно, как незначительно растет обратный ток (точка «в» на графике). Но при дальнейшем увеличении напряжения, свыше максимального, на которое рассчитан p-n переход диода, происходит резкое увеличение обратного тока (пунктирная линия), нагрев кристалла полупроводника и, как следствие, наступает пробой p-n перехода.

Пробои p-n перехода.

Пробоем p-n перехода называется явление резкого увеличения обратного тока при достижении обратным напряжением определенного критического значения. Различают электрический и тепловой пробои p-n перехода. В свою очередь, электрический пробой разделяется на туннельный и лавинный пробои.

Электрический пробой.

Электрический пробой возникает в результате воздействия сильного электрического поля в p-n переходе. Такой пробой является обратимый, то есть он не приводит к повреждению перехода, и при снижении обратного напряжения свойства диода сохраняются. Например. В таком режиме работают стабилитроны – диоды, предназначенные для стабилизации напряжения.

Туннельный пробой.

Туннельный пробой происходит в результате явления туннельного эффекта, который проявляется в том, что при сильной напряженности электрического поля, действующего в p-n переходе малой толщины, некоторые электроны проникают (просачиваются) через переход из области p-типа в область n-типа без изменения своей энергии. Тонкие p-n переходы возможны только при высокой концентрации примесей в молекуле полупроводника.

В зависимости от мощности и назначения диода толщина электронно-дырочного перехода может находиться в пределах от 100 нм (нанометров) до 1 мкм (микрометр).

Для туннельного пробоя характерен резкий рост обратного тока при незначительном обратном напряжении – обычно несколько вольт. На основе этого эффекта работают туннельные диоды.

Благодаря своим свойствам туннельные диоды используются в усилителях, генераторах синусоидальных релаксационных колебаний и переключающих устройствах на частотах до сотен и тысяч мегагерц.

Лавинный пробой.

Лавинный пробой заключается в том, что под действием сильного электрического поля неосновные носители зарядов под действием тепла в p-n переходе ускоряются на столько, что способны выбить из атома один из его валентных электронов и перебросить его в зону проводимости, образовав при этом пару электрон — дырка. Образовавшиеся носители зарядов тоже начнут разгоняться и сталкиваться с другими атомами, образуя следующие пары электрон – дырка. Процесс приобретает лавинообразный характер, что приводит к резкому увеличению обратного тока при практически неизменном напряжении.

Диоды, в которых используется эффект лавинного пробоя используются в мощных выпрямительных агрегатах, применяемых в металлургической и химической промышленности, железнодорожном транспорте и в других электротехнических изделиях, в которых может возникнуть обратное напряжение выше допустимого.

Тепловой пробой.

Тепловой пробой возникает в результате перегрева p-n перехода в момент протекания через него тока большого значения и при недостаточном теплоотводе, не обеспечивающем устойчивость теплового режима перехода.

При увеличении приложенного к p-n переходу обратного напряжения (Uобр) рассеиваемая мощность на переходе растет. Это приводит к увеличению температуры перехода и соседних с ним областей полупроводника, усиливаются колебания атомов кристалла, и ослабевает связь валентных электронов с ними. Возникает вероятность перехода электронов в зону проводимости и образования дополнительных пар электрон — дырка. При плохих условиях теплоотдачи от p-n перехода происходит лавинообразное нарастание температуры, что приводит к разрушению перехода.

На этом давайте закончим, а в следующей части рассмотрим устройство и работу выпрямительных диодов, диодного моста.
Удачи!

Источник:

1. Борисов В.Г — Юный радиолюбитель. 1985г.
2. Горюнов Н.Н. Носов Ю.Р — Полупроводниковые диоды. Параметры, методы измерений. 1968г.

Диоды сверхвысокочастотные: Переключательные диоды – Club155.ru

 

Переключательные диоды предназначены для применения в устройствах коммутации СВЧ сигналов (в защитных устройствах, в устройствах переключения типа “прием/передача”, в сканируемых антенных решетках и т.п.). Работа таких диодов основана на изменении их полного сопротивления на частоте сигнала в зависимости от величины и полярности напряжения смещения. Переключательные диоды бывают двух типов — резонансные и структуры \(p\)‑\(i\)‑\(n\) (см. диоды структуры p-i-n).

В резонансных диодах используется возможность получения последовательного или параллельного резонанса контура, составленного из реактивностей диода. Параметры схемы подбирают таким образом, чтобы при прямом смещении возникал резонанс параллельного контура, характеризующийся большим сопротивлением. При обратном смещении наступает резонанс последовательного контура и сопротивление диода резко падает. Такие диоды позволяют коммутировать СВЧ сигнал мощностью до 1 кВт в импульсном режиме и до 10 Вт в непрерывном режиме с временем переключения не более 20 нс.

Для повышения уровня коммутируемой мощности требуется увеличивать площадь перехода, что приводит к росту его емкости. Увеличение площади перехода при незначительной емкости достигается в \(p\)-\(i\)-\(n\)-диодах. Основой любого \(p\)-\(i\)-\(n\)-диода является многослойная полупроводниковая структура, наиболее простой вид которой показан на рис. 2.8-4.

 

Рис. 2.8-4. Структура p-i-n-диода

 

Высокоомная внутренняя \(i\)-область имеет обычно толщину от единиц до сотен микрон, концентрация носителей заряда в ней составляет примерно 10¹³ см^‑3. Если источник внешнего постоянного напряжения подключен положительным полюсом к слою \(p\), а отрицательным — к \(n\), то в \(i\)-слое увеличивается концентрация электронов и дырок из-за инжекции дырок из \(p\)‑области и аккумуляции электронов из \(n\)-области. При этом концентрация инжектированных носителей составляет 10¹⁶…10¹⁷ см^-3. Через структуру протекает постоянный ток прямого направления. Обычно плотность тока составляет около 10 А/см². При обратном смещении количество носителей в \(i\)-слое падает относительно начального значения (10¹³ см^-3) еще примерно на порядок. Таким образом, количество носителей в \(i\)-слое при переходе от режима прямого тока к режиму обратного смещения меняется на четыре порядка. Примерно также меняется проводимость \(i\)‑слоя.

Вольт-амперная характеристика \(p\)-\(i\)-\(n\)-диода, снятая на постоянном токе, качественно не отличается от вольт-амперной характеристики \(p\)-\(n\)-диода (рис. 2.8‑5). Главной отличительной особенностью \(p\)-\(i\)-\(n\)-диода является то, что он представляет собой инерционную нелинейность. Механизм воздействия на диод напряжения СВЧ радикально отличается от воздействия постоянного напряжения или напряжения сравнительно низких частот.

 

Рис. 2.8-5. Статическая вольт-амперная характеристика p-i-n-диода и воздействие на него СВЧ сигнала

 

При воздействии на диод прямого постоянного тока в \(i\)-слое появляется накопленный заряд. При параллельном включении диода в передающую линию в нем протекает ток СВЧ. Влияние этого тока на накопленный заряд, т.е. на проводимость диода, много слабее, чем постоянного тока. Это объясняется тем, что изменение заряда, происходящее в положительный полупериод тока СВЧ, много меньше накопленного заряда. При отрицательных полупериодах СВЧ колебаний, когда ток через диод должен был бы отсутствовать (рис. 2.8‑5), изменение накопленного заряда и соответственно проводимости диода также оказывается незначительным.

Разница в воздействии на проводимость диода постоянного и СВЧ токов возрастает с увеличением времени жизни носителей заряда и повышением частоты колебаний СВЧ. При нулевом или отрицательном смещении низкая проводимость диода, ввиду его инерционности, сохраняется при сравнительно больших напряжениях СВЧ. Короткие положительные импульсы напряжения продолжительностью менее половины периода СВЧ колебаний (рис. 2.8‑5) недостаточны для изменения проводимости диода. Таким образом, для СВЧ колебаний, как в режиме прямого тока, так и в режиме обратного смещения, \(p\)‑\(i\)‑\(n\)‑диод может в первом приближении рассматриваться как стационарный линейный двухполюсник.

Мощность коммутируемого \(p\)‑\(i\)‑\(n\)‑диодами сигнала может достигать сотен киловатт в импульсе. Однако время переключения у этих диодов больше, чем у резонансных переключательных диодов, поскольку в основу их работы положены инерционные процессы инжекции и рассасывания носителей зарядов. При значительном увеличении СВЧ тока или снижении частоты колебаний в \(p\)-\(i\)-\(n\)-диодах может наблюдаться изменение проводимости диода под влиянием СВЧ сигналов, а также эффекты детектирования. Эти явления, с одной стороны, снижают значение коммутируемой мощности, а с другой стороны — полезны при построении полупроводниковых ограничителей СВЧ.

К основным параметрам переключательных диодов относятся: потери запирания (\(L_з\)) и потери пропускания (\(L_{пр}\)), связанные с ними параметр качества (\(K\)) и критическая частота диода (\(f_{кр}\)), время прямого и обратного восстановления, накопленный заряд и др.

 

Потери запирания (\(L_з\)) и потери пропускания (\(L_{пр}\)). Для любого переключательного диода характерны два основных режима работы. Первый режим — это такое состояние диода, когда коммутируемый им сигнал соответствующей мощности и частоты свободно проходит через коммутируемую цепь (режим пропускания). Второй режим заключается в блокировании диодом коммутируемой цепи на частоте коммутируемого сигнала (режим запирания). Коммутация осуществляется путем изменения сопротивления диода на рабочей частоте. Режиму запирания соответствует малое сопротивление, а режиму пропускания — высокое сопротивление. Для описания основных свойств диодного коммутатора в обоих режимах используется величина, равная отношению мощности СВЧ сигнала, подводимого к коммутационному устройству, к мощности проходящей через это устройство. Такое отношение, выражаемое обычно в децибелах, для режима запирания называется потерями запирания (\(L_з\)), а для режима пропускания — потерями пропускания (\(L_{пр}\)). Зная потери можно легко определить мощность, рассеиваемую на диоде в том или ином режиме работы:

\(P_{рас} = \cfrac{2 P_{пад}}{L} \left( \sqrt{L} -1 \right)\) .

Очевидно, что в режиме запирания рассеиваемая мощность выше и не должна превышать значения максимально допустимого для конкретного используемого в схеме диода.

Качество диода (\(K\)). Для обобщенной характеристики параметров потерь переключательного диода введен специальный коэффициент, который называется качеством переключательного диода. Этот коэффициент вычисляется по формуле:

\( K = \cfrac{\sqrt{L_з} – 1}{\sqrt{L_п} – 1}\) .

Таким образом, качество диода не зависит от схемы его включения в линию, волнового сопротивления линии и т.д., а целиком определяется характеристиками внутренней \(p\)‑\(i\)‑\(n\)‑структуры и параметрами сигнала.

Критическая частота (\(f_{кр}\)). Эффективность диодов при их применении в коммутационных устройствах СВЧ может быть оценена также с помощью такого параметра как критическая частота (\(f_{кр}\)). Критической частотой называется такая частота входного сигнала, при которой (при постепенном увеличении частоты) емкостное сопротивление структуры диода становится равным среднему геометрическому значению его активного сопротивления при прямом токе и обратном смещении.2\) .

Обычно в системе параметров переключательного диода содержатся: критическая частота, емкость и СВЧ сопротивление при определенном значении прямого тока. Активное сопротивление диода при отрицательном смещении может быть найдено исходя из приведенных выше формул.

 

 

< Предыдущая		Следующая >

ДИОДЫ

   Диод является двух электродным полупроводниковым прибором. Это соответственно Анод (+) или положительный электрод и Катод (-) или отрицательный электрод. Принято говорить, что диод имеет (p) и (n) области, они соединены с выводами диода. Вместе они образуют p-n переход. Разберем подробнее, что же такое этот p-n переход. Полупроводниковый диод представляет собой очищенный кристалл кремния или германия, в котором в область (p) введена акцепторная примесь, а в область (n) введена донорная примесь. В качестве донорной примеси могут выступать ионы Мышьяка, а в качестве акцепторной примеси ионы Индия. Основное свойство диода, это возможность пропускать ток только в одну сторону. Рассмотрим приведенный ниже рисунок:

Пример односторонней проводимости диода

   На этом рисунке видно, что если диод включить Анодом к плюсу питания и Катодом к минусу питания, то диод находится в открытом состоянии и проводит ток, так как его сопротивление незначительно. Если диод включен Анодом к минусу, а Катодом к плюсу, то сопротивление диода будет очень большим, и тока в цепи практически не будет, вернее он будет, но настолько маленьким, что им можно пренебречь. 

Иллюстрация прямой обратный ток диода

   Подробнее можно узнать, посмотрев следующий график, Вольт-Амперную характеристику диода:

Вольт-амперная характеристика диода

   В прямом включении, как мы видим из этого графика диод имеет небольшое сопротивление, и соответственно хорошо пропускает ток, а в обратном включении до определенной величины напряжения диод закрыт, имеет большое сопротивление и практически не проводит ток. В этом легко убедиться, если есть под рукой диод и мультиметр, нужно поставить прибор в положение звуковой прозвонки, либо установив переключатель мультиметра напротив значка диода, в крайнем случае, можно попробовать прозвонить диод, установив переключатель на положение 2 КОм измерения сопротивления. Изображается на принципиальных схемах диод так, как на рисунке ниже, запомнить, где какой вывод легко: ток у нас, как известно, всегда течет от плюса к минусу, так вот треугольник в изображении диода как бы показывает своей вершиной направление тока, то есть от плюса к минусу.

Диод полупроводниковый

   Соединив красный щуп мультиметра с Анодом, мы можем убедиться в том, что диод пропускает ток в прямом направлении, на экране прибора будут цифры равные ~ 800-900 или близкие к этому. Подключив щупы наоборот, черный щуп к аноду, красный к катоду мы увидим на экране единицу, что подтверждает, в обратном включении диод не пропускает ток. Рассмотренные выше диоды бывают плоскостные и точечные. Плоскостные диоды рассчитаны на среднюю и большую мощность и используют их в основном в выпрямителях. Точечные диоды рассчитаны на незначительную мощность и применяются в детекторах радиоприемников, могут работать на высоких частотах.  

 

Плоскостной и точечный диод

Какие бывают типы диодов ?

Схематическое изображение диодов

Фото выпрямительного диода

   А) На фото изображен рассмотренный нами выше диод.

Стабилитрон изображение на схеме

   Б) На этом рисунке изображён стабилитрон, (иностранное название диод Зенера), он используется при обратном включении диода. Основная цель: поддержание напряжения стабильным.

Двуханодный стабилитрон – изображение на схеме

   В) Двухсторонний (или двуханодный) стабилитрон. Плюс этого стабилитрона в том, что его можно включать вне зависимости от полярности.

Туннельный диод

   Г) Туннельный диод, может использоваться в качестве усилительного элемента.

Обращенный диод

   Д) Обращенный диод, применяется в высокочастотных схемах для детектирования.

Варикап

   Е) Варикап, применяется как конденсатор переменной ёмкости.

Фотодиод

   Ж) Фотодиод, при освещении прибора в цепи, подключенной к нему, возникает ток из-за возникновения пар электронов и дырок. 

 

Светодиоды

   З) Светодиоды, всем известные, и наверное наиболее широко применяемые приборы, после обычных выпрямительных диодов. Применяются во многих электронных устройствах для индикации и не только. 

   Выпрямительные диоды выпускаются также в виде диодных мостов, разберем, что это такое – это соединенные для получения постоянного (выпрямленного) тока четыре диода в одном корпусе. Подключены они по Мостовой схеме, стандартной для выпрямителей:

Схема диодного моста

   Имеют четыре промаркированных вывода: два для подключения переменного тока, и плюс с минусом. На фото изображен диодный мост КЦ405:

Фото диодный мост

   А теперь давайте рассмотрим подробнее область применения светодиодов. Светодиоды (вернее светодиодная лампа) выпускаются промышленностью и для освещения помещений, как экономичный и долговечный источник света, с цоколем позволяющим вкрутить их в обычный патрон для ламп накаливания.

Светодиодная лампа фото

   Светодиоды существуют в разных корпусах, в том числе и SMD.

smd светодиод фото

   Выпускаются и так называемые RGB светодиоды, внутри них находятся три кристалла светодиодов с разным свечением Red-Green-Blue соответственно Красный – Зеленый – Голубой, эти светодиоды имеют четыре вывода и позволяют путем смешения цветов получить видимым любой цвет.

Подключение RGB ленты

   Эти светодиоды в SMD исполнении часто выпускаются в виде лент с уже установленными резисторами и позволяют подключать их напрямую к источнику питания 12 вольт. Можно для создания световых эффектов использовать специальный контроллер:

Контроллер rgb

   Светодиоды при использовании не любят, когда на них подается напряжение питания выше того, на которое они рассчитаны и могут перегореть сразу или спустя какое-то время, поэтому напряжение источника питания должно быть рассчитано по формулам. Для советских светодиодов типа АЛ-307 напряжение питания должно подаваться примерно 2 вольта, на импортные 2-2,5 вольта, естественно с ограничением тока. Для питания светодиодных лент, если не используется специальный контроллер, необходимо стабилизированное питание. Материал подготовил – AKV.

   Форум по радиодеталям

Действительно ли диод следует закону Ома?

Это действительно не черно-белый вопрос, и многие люди будут утверждать, что он не следует «закону Ома», и в зависимости от того, как вы его аргументируете, они могут быть правы.

Однако правда заключается в том, что сопротивление диода изменяется в зависимости от приложенного тока или напряжения. Таким образом, вы не можете просто посмотреть сопротивление диода и использовать «закон Ома», чтобы определить соотношение между напряжением и током по старой доброй формуле V = IR, как вы можете это сделать с резистором. Исходя из этого аргумента, ни один диод, или, точнее, полупроводник, похоже, не следует закону Ома.

Однако, если у вас есть цепь с диодом в ней, смещенная при напряжении V или с током смещения I, сопротивление диода в этих условиях остается постоянным. То есть формула Ома все еще применяется, когда диод находится в устойчивом состоянии. Если вы пытаетесь рассчитать выходной импеданс вашей схемы в этом состоянии, это важно знать, хотя подтверждение того, что импеданс будет другим, когда цепь находится в другом состоянии.

На самом деле, я бы сказал, что диод всегда следует формуле Ома. Да, V = IR. Тем не менее, в случае диода R следует довольно сложное уравнение, которое включает V или I в качестве переменных.

Это для диода

, где R D = F ( I , V ) V = I . F ( I , V )V=I.RDV=I.RD
RD=F(I,V)RD=F(I,V)
V=I.F(I,V)V=I.F(I,V)

Так что да, математически, это действительно следует формуле Ома, но не в форме, которая будет вам полезна, за исключением очень специфических статических условий.

Для тех, кто утверждает, что «закон Ома неприменим, если сопротивление не является постоянным», я боюсь, что это недоразумение Максвелла. Намерение Ом заключалось в том, что сопротивление должно быть постоянным во времени при стабильных условиях возбуждения. Таким образом, сопротивление не может изменяться самопроизвольно без изменения приложенного напряжения и тока. Правда в том, что ничто не имеет постоянного сопротивления. Даже ваш скромный четверть ваттный резистор изменит сопротивление при нагревании и старении.

Если вы думаете, что это просто мнение одного человека, вы были бы правы, его зовут
Георг Саймон Ом

Скорее всего, вы никогда не читали его работы , или, если вы читаете по-немецки, оригинальную версию . Если вы когда-нибудь это сделаете, и, на 281 странице или устаревшей английской терминологии и терминологии, я предупреждаю вас, это очень трудно читать, вы обнаружите, что он действительно охватывал нелинейные устройства и, как таковые, они должны быть включены в законе Ома. На самом деле есть целое Приложение, около 35 страниц, полностью посвященное этой теме. Он даже признает, что там еще могут быть обнаружены вещи, и оставляет это открытым для дальнейшего расследования.

Закон Омса гласит .. согласно Максвеллу ..

«Электродвижущая сила, действующая между конечностями любой части цепи, является произведением силы тока и сопротивления этой части цепи».

Это, однако, является лишь частью тезиса Ома, и в словах Ома он описывается утверждением «гальваническая цепь … которая приобрела свое постоянное состояние», которое определено в статье, и я перефразирую, как любой элемент, сопротивление которого зависит на приложенное напряжение или ток или что-либо еще должно быть позволено прийти в сбалансированное состояние. Кроме того, после любого изменения в возбуждении цепи в целом, перебалансировка должна произойти до того, как формула вступит в силу. Максвелл, с другой стороны, квалифицировал это как, R не должен меняться с V или I.

Возможно, это не то, чему вас учили в школе, или даже то, что вы слышали, цитировали или читали из многих авторитетных источников, но это от самого Ома. Реальная проблема заключается в том, что многие люди воспринимают или понимают только очень упрощенную интерпретацию тезиса Ома, написанного Максвеллом, который, возможно, ошибочно распространялся в течение десятилетий, так как великий человек фактически выполнял свою работу как «Закон Ома».

Что, конечно, оставляет вас с парадоксом.

На самом деле это просто говорит о том, что после установления стабильного состояния напряжение на цепи становится суммой тока, умноженного на сопротивления частей.

^{смоделировать эту схему – схема, созданная с использованием CircuitLab}

Е= Я, R 1 + I, R 2 + I, R 3Езнак равноя,р1+я,р2+я,р3

Где R3 – это любое сопротивление, в которое попадает диод. Таким образом, не имеет значения, является ли R3 диодом или нет. Что, конечно, правильно. Максвелл, с другой стороны, подразумевает, что, поскольку схема содержит нелинейный элемент, формула не применяется, что, конечно, неверно.

Итак, верим ли мы, что написанное Максвеллом было ошибкой в ​​упрощении, и идем вразрез с тем, что на самом деле сказал Ом, или же мы отбрасываем то, что на самом деле сказал Ом, и идем с упрощением Максвелла, которое оставляет в холоде нелинейные части?

Если вы считаете, что диод не соответствует вашей ментальной модели закона Ома, то ваша модель закона Ома на самом деле является законом Максвелла. Что-то, что должно быть квалифицировано как подмножество тезисов Ома. Если вы считаете, что диод соответствует модели, то вы действительно цитируете тезис Ома.

Как я уже сказал, это не черно-белое. В конце концов, это не имеет значения, поскольку ничего не меняет.

Сопротивление диода – прямое и обратное сопротивление

На практике ни один диод не является идеальным диодом, это означает, что он не действует как идеальный проводник при прямом смещении и не действует как изолятор при обратном смещении. Другими словами, реальный диод предлагает очень маленькое сопротивление (не нулевое) при прямом смещении и называется прямым сопротивлением .

Принимая во внимание, что он предлагает очень высокое сопротивление (не бесконечное) при обратном смещении и называется обратным сопротивлением .

Различные сопротивления диода следующие:

Прямое сопротивление

При прямом смещении сопротивление, создаваемое диодом прямому току, называется прямым сопротивлением. Прямой ток, протекающий через диод, может быть постоянным, то есть постоянным током, или изменяющимся, то есть переменным током. Прямое сопротивление классифицируется как Статическое прямое сопротивление и Динамическое прямое сопротивление.

Статическое или прямое сопротивление постоянному току

Сопротивление диода прямому смещению при протекании постоянного тока известно как его Прямое сопротивление постоянному току или статическое сопротивление.Он измеряется отношением постоянного напряжения на диоде к постоянному току, протекающему через диод.

Прямая характеристика диода показана ниже:

Из графика видно, что для рабочей точки P прямое напряжение равно OA, а соответствующий прямой ток равен OB. Следовательно, статическое прямое сопротивление диода равно:

.

Динамическое сопротивление или прямое сопротивление переменному току

Противодействие, предлагаемое диодом изменяющемуся потоку тока I, в состоянии прямого смещения известно как его Сопротивление в прямом направлении переменного тока .Он измеряется отношением изменения напряжения на диоде к результирующему изменению тока через него.

Из рисунка A выше ясно, что для рабочей точки P прямое сопротивление переменному току определяется путем равномерного изменения прямого напряжения (CE) на обеих сторонах рабочей точки и измерения соответствующего прямого тока (DF).

Динамическое сопротивление или сопротивление переменному току в прямом направлении представлено, как показано ниже:

Значение прямого сопротивления кристаллического диода очень мало, от 1 до 25 Ом .

Обратное сопротивление (R

_R )

В условиях обратного смещения сопротивление, предлагаемое диодом обратному току, известно как обратное сопротивление . В идеале обратное сопротивление диода считается бесконечным. Однако на практике обратное сопротивление не бесконечно, потому что диод проводит небольшой ток утечки (из-за неосновных носителей) при обратном смещении.

Значение обратного сопротивления очень велико по сравнению с прямым сопротивлением.Отношение обратного сопротивления к прямому составляет 1 00 000: 1 для кремниевых диодов, тогда как для германиевых диодов оно составляет 40 000: 1.

Сопротивление диода – статическое, динамическое и обратное сопротивление

А п-п переходной диод пропускает электрический ток в одном направление и блокирует электрический ток в другом направлении. Он пропускает электрический ток, когда он смещен в прямом направлении и блокирует электрический ток при обратном смещении.Тем не мение, ни один диод не пропускает электрический ток полностью даже в прямом предвзятое состояние.

истощение область, присутствующая в диоде, действует как барьер для электрический ток. Следовательно, он предлагает сопротивление электрический ток. Кроме того, атомы, присутствующие в диоде обеспечивают некоторое сопротивление электрическому току.

Когда носители заряда (свободные электроны и дырки) протекая через диод, сталкивается с атомами, они теряют энергию в виде тепла. Таким образом, область обеднения и атомы оказывать сопротивление электрическому току.

Когда прямое смещенное напряжение применяется к диоду с p-n переходом, ширина обеднения регион уменьшается.Однако область истощения не может полностью исчезнуть. Существует тонкая область истощения или истощение слоя в носовой части смещенный диод. Следовательно, тонкая обедненная область и атомы в диоде оказывают некоторое сопротивление электрическому Текущий. Это сопротивление называется прямым сопротивлением.

Когда диод смещен в обратном направлении, ширина обедненной области увеличивается.В результате большое количество носителей заряда (свободные электроны и дырки), протекающие через диод, будут заблокирован областью истощения.

В обратный смещенный диод, только небольшое количество электрического тока потоки. Неосновные носители, присутствующие в диоде, несут это электрический ток. Таким образом, диод с обратным смещением обеспечивает большую сопротивление электрическому току.Это сопротивление называется обратным сопротивлением.

в p-n переходе имеет место два типа сопротивления диоды бывают:

• Нападающий сопротивление
• Реверс сопротивление

Нападающий сопротивление

Нападающий сопротивление сопротивление, обеспечиваемое диодом p-n-перехода, когда он смещен в прямом направлении.

В диод с прямым смещением p-n перехода, два типа сопротивления происходит в зависимости от приложенного напряжения.

в диоде с прямым смещением имеют место два типа сопротивления

• Статический сопротивление или сопротивление постоянному току
• Динамический сопротивление или сопротивление переменному току

Статический сопротивление или сопротивление постоянному току

Когда прямое смещенное напряжение подается на диод, который подключен к цепи постоянного тока, течет постоянный или постоянный ток через диод.Постоянный ток или электрический ток ничего, кроме потока носителей заряда (свободных электронов или отверстия) через проводник. В цепи постоянного тока носители заряда непрерывно движутся в одиночном потоке. направление или прямое направление.

сопротивление, обеспечиваемое диодом с p-n переходом, когда он подключение к цепи постоянного тока называется статическим сопротивлением.

Статический сопротивление также определяется как отношение напряжения постоянного тока, приложенного к диод к постоянному току или постоянному току, протекающему через диод.

сопротивление обеспечивается диодом p-n-перехода при прямом смещении Состояние обозначается как R _f .

Динамический сопротивление или сопротивление переменному току

динамическое сопротивление – это сопротивление, обеспечиваемое p-n переходной диод при подаче переменного напряжения.

Когда прямое смещенное напряжение подается на диод, который подключен к цепи переменного тока, течет переменный или переменный ток хоть диод.

В Цепь переменного тока, носители заряда или электрический ток не поток в одном направлении. Он течет как вперед, так и обратное направление.

динамический сопротивление также определяется как отношение изменения напряжения к изменение тока.Обозначается как r _f .

Реверс сопротивление

Реверс сопротивление сопротивление, обеспечиваемое диодом p-n-перехода, когда он имеет обратное смещение.

Когда обратное смещенное напряжение подается на диод p-n перехода, ширина обедненной области увеличивается. Это истощение область действует как барьер для электрического тока.Следовательно, a большое количество электрического тока блокируется истощением область, край. Таким образом, диод с обратным смещением обеспечивает большое сопротивление электрический ток.

сопротивление предлагаемый обратносмещенным диодом p-n перехода очень большой по сравнению с диодом с прямым смещением. Обратное сопротивление находится в диапазоне мегаом (МОм).

Сопротивление диода – статическое, динамическое и обратное сопротивление

Свойство материала, которое противодействует потоку электронов или электрическому току, известно как сопротивление. Диод с p-n переходом пропускает ток, когда он смещен в прямом направлении, и блокирует ток, когда он смещен в обратном направлении. Однако диод не пропускает ток полностью под прямым смещением и не блокирует ток при обратном смещении. В идеале диод должен иметь нулевое сопротивление при прямом смещении и бесконечное сопротивление при обратном смещении.

Слой обеднения в диоде с p-n переходом обеспечивает сопротивление потоку электронов. Сопротивление диода при прямом смещении зависит от ширины обедненного слоя. Когда применяется прямое смещение, ширина обедненного слоя уменьшается. Однако полностью искоренить слой истощения невозможно. Тонкий слой истощающего слоя существует всегда. Сопротивление, создаваемое этим тонким слоем обедненной области в прямом смещенном состоянии, называется прямым сопротивлением диода.

Когда диод p-n-перехода смещен в обратном направлении, ширина обедненной области увеличивается, и носители заряда блокируются обедненным слоем. Сопротивление обедненного слоя велико из-за большей ширины обедненного слоя. При обратном смещении диод оказывает очень большое сопротивление электрическому току. Это сопротивление называется обратным сопротивлением.

При обратном смещении через диод протекает лишь небольшое количество электрического тока из-за неосновных носителей.Таким образом, сопротивление диода должно быть бесконечным при обратном смещении, но практически он не имеет бесконечного сопротивления из-за тока, протекающего через обедненный слой из-за неосновных носителей заряда.

Есть два типа сопротивления диода с p-n переходом.

1. Прямое сопротивление

2. Обратное сопротивление

Прямое сопротивление

Сопротивление диода с прямым смещением называется прямым сопротивлением.Прямое сопротивление можно разделить на две категории.

1. Статическое сопротивление или сопротивление постоянному току

2. Динамическое сопротивление или сопротивление переменному току

Статическое сопротивление или прямое сопротивление постоянному току

Когда на диод подается постоянный ток, ток течет в одном направлении. Сопротивление диода называется сопротивлением постоянному току.

Вольт-амперные характеристики диода с прямым смещением приведены ниже.

Пример

Рассчитайте сопротивление постоянному току диода следующей кривой V-I.

а) ID = 2 мА
б) ID = 20 мА
в) VD = -10 В

Прямое сопротивление диода уменьшается с увеличением напряжения прямого смещения.

Динамическое сопротивление или сопротивление переменному току в прямом направлении

Сопротивление, создаваемое диодом при подаче переменного тока на диод, называется сопротивлением переменного тока или динамическим сопротивлением.При приложении переменного напряжения ток течет в обоих направлениях.

Кривая V-I диода с p-n переходом, как показано ниже.

Отношение изменения напряжения к изменению тока представляет динамическое сопротивление диода. Обозначается он r _ac .

Обратное сопротивление

Когда обратное смещение применяется к диоду с p-n переходом, ширина обедненного слоя увеличивается, и он обеспечивает более высокое сопротивление потоку носителей заряда.

Обратное сопротивление p-n диода измеряется в мегаомах. Обратное сопротивление очень велико по сравнению с прямым сопротивлением диода.

Статическое обратное сопротивление диода можно рассчитать с помощью следующего математического выражения.

Динамическое обратное сопротивление диода выглядит следующим образом.

диодов

диодов

Диод образован PN-переходом со стороной p, называемой анодом , и Русская сторона называется катодом .В связи с тем, что существует несколько свободно перемещаемых носителями заряда в обедненной области вокруг PN-перехода, проводимость очень плохо. Однако, когда внешнее напряжение подается на два конца материала, проводимость может меняться в зависимости от полярности нанесенного Напряжение.

• Прямое смещение (положительный на P-тип, отрицательный на N-тип)

  Положительное напряжение, приложенное к P-типу, будет тянуть электроны в N-типе. и отталкивать дыры в P-типе так, чтобы оба носителя двигались к PN-переход.По мере того, как обедненная область становится тоньше, проводимость увеличивается из-за дрейфа тока через PN-переход от сторона P к стороне N, образованная основными носителями заряда (оба электроны и дырки), управляемые приложенным напряжением. Проводимость увеличивается с увеличением приложенного напряжения.

• Обратное смещение (отрицательное для P-типа, положительное для N-типа)

  Отрицательное напряжение, приложенное к P-типу, отталкивает электроны в N-типе. и притягивать дыры в P-типе так, чтобы оба носителя уходили от PN-переход.Поскольку область истощения становится толще, чем раньше, нет тока через PN-переход со стороны P на сторону N. Однако существует очень слабый ток, называемый обратный ток насыщения , за счет миноритарных перевозчиков. Скорость носителя увеличивается с увеличением приложенного напряжения. Однако при дальнейшем увеличении напряжения скорость достигнет максимальный уровень называется скорость насыщения .

Нелинейная зависимость напряжения от тока PN-перехода описывается формулой

или

(2)

где

• – это обратный ток насыщения , , крошечный ток, который течет в обратном направлении, когда из-за меньшинства перевозчики.Поскольку этот ток ограничен доступными неосновными носителями, когда все они вносят свой вклад в этот ток, более высокое напряжение не приводит к большему току, т. е. ток насыщается. около A для Si и A для Ge.
• – тепловое напряжение, где Джоуль / Кельвин – это Постоянная Больцмана, кулон – заряд электрона, а – температура в градусах К. При комнатной температуре ( ), .
• – коэффициент идеальности, который варьируется от 1 до 2, в зависимости от о процессе изготовления и полупроводниковом материале.Во многих случаях можно считать примерно равным 1.

В частности,

Напряжение на диоде зависит от тока через диод. В диапазоне от 5 мА до 20 мА составляет около 0,7 В:

(3)

Сопротивление электрического устройства определяется как . Для диода, поскольку это не линейная функция, сопротивление можно найти как

(4)

Приближение связано с тем, что , я.е., . Мы предполагаем , , сопротивление диода не постоянная, а функция тока, т. е. диод не является линейным элементом:

(5)

Моделей диодов:

В общем, когда прямое напряжение, приложенное к диоду, превышает 0,6 до 0,7 В для кремниевого (или от 0,1 до 0,2 В для германиевого) материала, диод предполагается проводящим с низким сопротивлением.

Пример: В схеме однополупериодного выпрямителя, показанной ниже, “ – кремниевый диод.Найдите текущий через и напряжение поперек.

Диоды обычно используются в качестве выпрямителей, которые преобразуют переменное напряжение / ток. в DC, как показано в следующем примере.

Пример 2: Разработка преобразователя (адаптера), преобразующего мощность переменного тока. подача 115 В и 60 Гц к источнику постоянного напряжения 14 В. При нагрузке , изменение (пульсация) выходного постоянного напряжения должно быть 5% или меньше.

Это приближение, основанное на предположении, что ток нагрузки равен постоянная, так как падение напряжения невелико.В противном случае экспоненциальное убывание должно использоваться напряжение на конденсаторе, а ток равен:

(7)

Дополнительные схемы диодного выпрямления показаны ниже:

Видео с вопросом: Определение сопротивления по графику 𝐼-диода

Стенограмма видео

График показывает 𝐼-характеристики диода.В какой из точек, отмеченных на графике, сопротивление диода наибольшее? В какой из точек, отмеченных на графике, сопротивление диода наименьшее?

Итак, в этом вопросе мы можем увидеть, что нам дали график, который показывает характеристики 𝐼-𝐼, или текущее напряжение, диода. Итак, на этом графике мы можем видеть разность потенциалов или напряжение на диоде по горизонтальной оси и ток через диод по вертикальной оси. Мы также можем видеть, что на этой кривой отмечены четыре разные точки: точка 𝑃, точка 𝑄, точка 𝑆 и точка.

Теперь, основываясь на двух вопросах, которые нам задали здесь, нам нужно выбрать из точек 𝑃, 𝑄, 𝑆 и 𝑇, точки, в которых сопротивление диода является самым высоким, и точку, в которой сопротивление диода самый низкий.

Теперь, чтобы рассчитать сопротивление компонента в электрической цепи, нам нужно вспомнить, что сопротивление определяется как разность потенциалов на этом компоненте, деленная на ток, проходящий через этот компонент. Теперь, когда мы увидим это уравнение, мы сразу же подумаем, что это просто измененная версия закона Ома, в котором 𝑉 равно 𝐼𝑅.Другими словами, разность потенциалов на компоненте равна току, протекающему через этот компонент, умноженному на сопротивление этого компонента.

Однако это небольшое заблуждение. Потому что на самом деле закон Ома говорит нам, что разность потенциалов на компоненте омического проводника прямо пропорциональна току, протекающему через проводник. Фактически, коэффициент пропорциональности – это сопротивление этого проводника. Следовательно, верно, что для омического проводника равно 𝐼𝑅.Однако важно помнить, что это 𝑅 постоянно для омического проводника.

В данном случае мы имеем диод, который является неомическим проводником. Следовательно, это значение, которое мы пытаемся вычислить, сопротивление диода в точках 𝑃, 𝑄, 𝑆 и, не является постоянным значением. Фактически это функция разности потенциалов или, что то же самое, функция тока через диод. И, следовательно, это уравнение на самом деле не является законом Ома, потому что значение сопротивления в этом уравнении не является постоянным.Итак, это одно заблуждение прояснилось.

Другое заблуждение состоит в том, что значение сопротивления диода в данном случае напрямую связано с наклоном этой кривой. Например, предположим, что мы хотели вычислить сопротивление диода в этой точке. И для этого мы рассчитали наклон кривой характеристики – в этой точке. Другими словами, мы нарисовали касательную к кривой в этой точке, а затем выяснили, каким было изменение вертикальной оси этого значения для этой касательной, а также изменение значения горизонтальной оси.По сути, наклон кривой равен изменению тока на этой касательной, деленному на изменение разности потенциалов. Итак, мы можем подумать, что это немного похоже на это уравнение здесь. И мы могли бы взять обратную величину для обеих частей этого уравнения.

Другими словами, мы могли бы сказать, что деление единицы на наклон кривой равно делению Δ𝑉 на Δ𝐼. Мы только что перевернули эту дробь. И тогда мы могли бы подумать, что Δ𝑉, деленное на Δ something, выглядит как 𝑉, деленное на.Итак, единица, деленная на крутизну, должна быть сопротивлением диода в этой точке. Однако это не так. Фактически, Δ𝑉, деленное на Δ𝐼, в общем случае не равно 𝑉, деленному на. Единственный раз, когда крутизна 𝐼-характеристики равна сопротивлению, – это когда у нас есть омический проводник.

Другими словами, деление Δ𝑉 на Δ𝐼 равно над 𝐼 только тогда, когда 𝑅, сопротивление проводника, является постоянным. И, как мы уже убедились, это не так.

Итак, если мы хотим вычислить фактическое сопротивление диода в точках 𝑃, 𝑄, 𝑆 и 𝑇, нам нужно будет взять значение 𝑉 в этой конкретной точке и разделить его на значение 𝐼 в этой конкретной точке.Другими словами, у нас нет причин находить наклон кривой.

Итак, теперь, когда мы обсудили эти два заблуждения, давайте перейдем к вычислению значения сопротивления в точках 𝑃, 𝑄, 𝑆 и 𝑇. Но как мы собираемся вернуться к этому, когда наши топоры не помечены. Мы не знаем, что представляет собой каждая из этих больших сеток с точки зрения разности потенциалов. И точно так же мы не знаем, что представляет собой каждая из этих больших сетей с точки зрения тока.

Однако на самом деле это не имеет значения.Что мы можем сделать, так это сначала обозначить начало кривой, которая находится в этой точке здесь, а затем мы можем сказать, что каждый большой прямоугольник на горизонтальной оси представляет собой разность потенциалов в вольт. Итак, если первая большая ячейка представляет вольт. Тогда второй большой квадрат будет представлять два вольта. Третий – три 𝐴 вольта. И четвертый будет четыре 𝐴 вольта, и так далее, и так далее.

И мы можем сделать то же самое для вертикальной оси. Можно сказать, что каждая большая коробка представляет собой ток в ампер.Итак, первый – 𝐵 ампер. Второй – на два мкА. Третий – три мкА. Четвертый – четыре мкА и так далее.

Используя эту информацию, мы сможем вычислить сопротивление диода в каждой из точек 𝑃, 𝑄, 𝑆 и 𝑇, исходя из этих произвольных значений разности потенциалов 𝐴 и тока. Итак, начнем с вычисления сопротивления диода в точке 𝑃.

Допустим, это сопротивление, которое мы назовем 𝑅 нижним индексом 𝑃, равно разности потенциалов в точке 𝑃, деленной на ток в точке.Теперь, чтобы найти разность потенциалов в точке 𝑃, мы должны провести линию вниз к горизонтальной оси. Итак, мы начинаем с точки 𝑃, а затем проводим пунктирную линию вниз до горизонтальной оси. И мы видим, что здесь он пересекает горизонтальную ось в этой точке. Другими словами, разность потенциалов в точке 𝑃 находится где-то между двумя 𝐴 и тремя.

В частности, мы можем видеть, что есть четыре меньших серых деления между двумя большими. Итак, расстояние между этой точкой здесь и этой точкой здесь было разделено на пять.Таким образом, каждое маленькое серое деление представляет 0,2 лота 𝐴. Другими словами, если эта точка представляет собой разность потенциалов, равную двум 𝐴, то эта точка равна 2,2𝐴. Это 2,4𝐴. Это 2,6𝐴. А это 2,8𝐴. Итак, можно сказать, что разность потенциалов в точке составляет 2,8.

И затем нам нужно разделить это на ток в точке 𝑃. Для этого на этот раз мы просто проводим пунктирную линию поперек вертикальной оси. И мы можем видеть, что эта пунктирная линия пересекает вертикальную ось в точке, представляющей ток в пять мкА.Поэтому берем наши 2,8 our и делим на пять it. Итак, когда мы упростим эту дробь, мы можем записать ее в виде 𝐴, деленного на 𝐵, где, кстати, стоит отметить, что 𝐴 – это произвольное значение разности потенциалов здесь, а не в единицах ампер.

Итак, чтобы записать эту дробь в виде 𝐴, деленного на 𝐵, нам просто нужно выяснить, что такое 2,8, разделенное на пять. 2,8 делить на пять и получается 0,56. Итак, мы можем видеть, что сопротивление диода в точке 𝑃 составляет 0,56 лота 𝐴, деленное на 𝐵, независимо от того, есть ли 𝐴 и каковы бы ни были.Итак, давайте скопируем это значение сопротивления сюда. А теперь перейдем к нахождению сопротивления диода в точке 𝑄.

Итак, в точке 𝑄 мы можем сказать, что сопротивление, которое мы назовем 𝑅 нижним индексом 𝑄, снова равно разности потенциалов, на этот раз в точке 𝑄, деленной на ток в точке. Мы можем видеть, что вертикальная пунктирная линия, которую мы проводим вниз к оси разности потенциалов, пересекает где-то между 2,2𝐴 и 2,4. Итак, предположим, что разность потенциалов в точке равна 2.3𝐴. И, опять же, это не усилители. Здесь просто произвольное значение разности потенциалов.

А затем нам нужно разделить это значение на текущее значение в точке 𝑄. Итак, горизонтальная пунктирная линия, которую мы рисуем, пересекает вертикальную ось при значениях 1,2𝐵, 1,4𝐵, 1,6𝐵, 1,8𝐵. Следовательно, мы можем сказать, что сопротивление диода в точке 𝑄 равно 2,3 Ом, разделенному на 1,8 Ом. И снова у нас будет это сопротивление в единицах, разделенных на. Фактически, до трех значащих цифр получается 1.28𝐴 разделить на 𝐵.

Итак, когда мы записываем это значение здесь, мы видим, что теперь у нас есть сопротивление диода в точке 𝑃, выраженное как 𝐴, деленное на. И у нас есть сопротивление в точке, выраженное как 𝐴, деленное на. А затем мы видим, что сопротивление в точке 𝑃 составляет всего 0,56 лота от 𝐴, деленных на 𝐵, независимо от того, как 𝐴 делится на. В то время как сопротивление в точке составляет 1,28 лота из 𝐴, разделенных на 𝐵. Следовательно, даже если мы не знаем значений 𝐴 и 𝐵, мы знаем, что сопротивление в точке 𝑃 меньше сопротивления в точке.Вот почему нам не нужно было знать значения of и 𝐵 по отдельности.

Итак, используя этот метод, еще раз вычислим сопротивление диода в точке 𝑆. Мы видим, что в точке разность потенциалов составляет около 1,2𝐴. А сила тока около 0,2𝐵. Следовательно, сопротивление диода в точке 𝑆 становится 1,2 Ом, деленное на 0,2 Ом, что, другими словами, составляет шесть единиц lots, разделенных на. Итак, мы можем записать это здесь. В этот момент мы можем определить сопротивление в точке.Итак, вот этот вопрос.

Теперь мы видим, что значение разности потенциалов на самом деле отрицательное три 𝐴 в точке. Таким образом, мы можем сказать, что сопротивление в точке 𝑇 равно отрицательным трем 𝐴, разделенным на текущее значение. Но на самом деле это значение тока составляет ноль ампер. Итак, у нас в знаменателе ноль лотов 𝐵. Но тогда ноль лотов – это просто ноль. Итак, в знаменателе фактически стоит ноль.

Итак, если значение в знаменателе действительно мало, оно близко к нулю, тогда значение дроби чрезвычайно велико.И если значение в знаменателе на самом деле равно нулю, то мы говорим, что дробь приближается к бесконечности. Другими словами, тогда мы можем видеть, что сопротивление диода в точке стремится к бесконечности. Оно настолько велико, насколько возможно.

И на этом этапе нас даже не волнует отрицательный знак. Потому что можно сказать, что сопротивление в точке приближается к отрицательной бесконечности. Это просто означает отрицательное сопротивление в противоположном направлении с точки зрения протекания тока.Но дело в том, что сопротивление в точке чрезвычайно велико. Он настолько велик, насколько может быть. Итак, на данный момент у нас достаточно информации, чтобы найти ответы на эти вопросы.

Итак, первый вопрос говорит о том, в какой из точек, отмеченных на графике, сопротивление диода самое высокое? Мы только что видели, что в точке 𝑇 сопротивление диода максимально велико. Итак, мы говорим, что точка на графике, в которой сопротивление диода наибольшее, – это точка.Точно так же нам нужно найти, в какой из точек, отмеченных на графике, сопротивление диода наименьшее.

Что ж, сравнивая другие значения сопротивления, сопротивление в точке 𝑃 составляет 0,56 лота 𝐴, разделенных на 𝐵. В то время как сопротивление в точке больше, на 1,28 лота 𝐴, разделенных на. А сопротивление в точке 𝑆 еще больше – шесть лотов 𝐴, разделенных на. Итак, наименьшее сопротивление, которое мы получили, находится в точке 𝑃. И теперь у нас есть ответ на оба наших вопроса.

Сопротивление диодов

– Электронные устройства и схемы Вопросы и ответы

Этот набор вопросов и ответов с множественным выбором (MCQ) электронных устройств и схем посвящен «сопротивлению диодов».

1. Статическое сопротивление диода R определяется как __________
a) V / I
b) V * I
c) V + I
d) VI
Посмотреть ответ

Ответ: a
Пояснение: Согласно Ом По закону электрический ток в цепи прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению, поэтому R = V / I.

2. В вольт-амперной характеристике диода наклон линии, соединяющей рабочую точку с началом координат в любой точке, равен _________
a) сопротивление
b) проводимость
c) напряжение
d) ток
Посмотреть ответ

Ответ: a
Объяснение: В вольт-амперных характеристиках диода линия, соединяющая рабочую точку и начало координат, в любой точке линии равна проводимости, поэтому она обратна сопротивлению.

3. При комнатной температуре (V _T = 26) какое будет приблизительное значение r, когда n = 1 и I = 100 мА?
a) 26 Ом
b) 2,6 Ом
c) 260 Ом
d) 2600 Ом
Посмотреть ответ

Ответ: c
Пояснение: мы знаем, что R = (n * V _T ) / I, заменяя значение n, В _Т , получаем R = 260 Ом, (1 * 26) / 100 * 10 ^-3 = 260 Ом.

4. Каким будет сопротивление в вольт-амперных характеристиках диода, если будет проведена крутизна между напряжениями от 50 до 100 и соответствующим током от 5 до 10?
a) 5 Ом
b) 10 Ом
c) 50 Ом
d) 100 Ом
Посмотреть ответ

Ответ: b
Объяснение: Мы знаем, что в вольт-амперной характеристике сопротивление равно обратной величине соединительной линии. исходная и рабочая точка, R = dV / dI, подставляя значения dV и dI, мы получаем R = 10 Ом.

5. В кусочно-линейных характеристиках какое будет значение R _F , если наклон равен 0,5?
a) 25 м Ом
b) 50 м Ом
c) 2 Ом
d) 10 Ом
Посмотреть ответ

Ответ: c
Пояснение: В кусочно-линейных характеристиках прямое сопротивление будет равно обратной величине крутизны наклона, поэтому R _F = 1 / наклон, R _F = 1 / 0,5, что равно 2 Ом.

6. Диод будет вести себя как разомкнутый контур, если напряжение в цепи меньше __________
a) напряжение отсечки
b) напряжение насыщения
c) напряжение утечки
d) пороговое напряжение
Посмотреть ответ

Ответ: d
Пояснение: Диод, состоящий из полупроводника, имеет определенное пороговое напряжение, только после которого он ведет себя как замкнутая цепь в том смысле, что он выполняет некоторую операцию, если пороговое напряжение больше, чем напряжение в цепи.

7. Какое будет примерное значение теплового напряжения диода?
a) 25 мВ при 300 K
b) 30 мВ при 180 K
c) 25 мВ при 180 K
d) 30 мВ при 300 K
Посмотреть ответ

Ответ: a
Объяснение: Мы знаем, что тепловое напряжение диода примерно равно комнатной температуре, которая составляет 300K, то для всех практических целей тепловое напряжение диода принимается равным 25 мВ, поэтому оно будет 25 мВ при 300K.

8. Каким будет тепловое напряжение диода при температуре 300К?
а) 25.8 мВ
b) 50 мВ
c) 50 В
d) 19,627 мВ
Просмотр ответа

Ответ: a
Пояснение: Тепловое напряжение диода определяется выражением, В _T = KT / q, путем подстановки значений из T, K, который является постоянной Больцмана, и q, который представляет собой заряд электрона, мы получаем V _T = (300 * 1,38 * 10 ^-23 ) / (1,602 * 10 ^-19 ), V _T = 25,8 мВ.

9. Какое будет сопротивление диода, если ток в цепи равен нулю?
а) 0 Ом
б) 0.7 Ом
c) 0,3 Ом
d) 1 Ом
Посмотреть ответ

Ответ: a
Объяснение: Когда ток в цепи равен нулю, не будет потока зарядов, которым нужно сопротивляться, следовательно, сопротивление диода будет нулевым.

10. Что из перечисленного не является характеристикой идеального диода?
a) Идеальный проводник при прямом смещении
b) Нулевое напряжение при прямом смещении
c) Идеальный изолятор при обратном смещении
d) Нулевой ток через него при прямом смещении
Посмотреть ответ

Ответ: d
Пояснение: Диод работает как идеальный диод, когда он является идеальным проводником и имеет нулевое напряжение на нем во время прямого смещения, идеальный изолятор и нулевой ток через него во время обратного смещения.

Sanfoundry Global Education & Learning Series – Электронные устройства и схемы.

Чтобы попрактиковаться во всех областях электронных устройств и схем, представляет собой полный набор из 1000+ вопросов и ответов с несколькими вариантами ответов .

Примите участие в конкурсе сертификации Sanfoundry, чтобы получить бесплатную Почетную грамоту. Присоединяйтесь к нашим социальным сетям ниже и будьте в курсе последних конкурсов, видео, стажировок и вакансий!

Твердотельные диоды и характеристики диодов [Analog Devices Wiki]

В электронике диод – это двухконтактный компонент с несимметричным током vs.характеристика напряжения, с низким (в идеале нулевым) сопротивлением току в одном направлении и высоким (идеально бесконечным) в другом. Кремниевый полупроводниковый диод, наиболее распространенный тип, представляет собой монокристаллический кусок полупроводникового материала с PN-переходом, подключенным к двум электрическим выводам.

5.1 PN-переход

PN-переход формируется путем соединения полупроводников p-типа и n-типа вместе в монокристаллической решетке. Термин «переход» относится к границе раздела, где встречаются две области полупроводника.Если переход был построен из двух отдельных частей, это привело бы к разрыву в кристаллической решетке, поэтому PN-переходы создаются в монокристалле полупроводника путем введения определенных примесей, называемых легирующими добавками, например, ионной имплантацией, диффузией или эпитаксией (выращиванием). слой кристалла, легированного примесями n-типа, поверх слоя кристалла, легированного примесями p-типа, например).

PN-переходы являются элементарными строительными блоками почти всех полупроводниковых электронных устройств, таких как диоды, транзисторы, солнечные элементы, светодиоды и интегральные схемы; они являются активными сайтами, где происходит электронное действие устройства.Например, общий тип транзистора, транзистор с биполярным соединением, состоит из двух последовательно соединенных PN-переходов в форме NPN или PNP.

5.1.1 Свойства PN-перехода

PN-переход демонстрирует некоторые интересные свойства, которые находят полезное применение в твердотельной электронике. Полупроводник, легированный p-примесью, относительно проводящий. То же самое верно и для полупроводника с примесью n-типа, но переход между областями p- и n-типа является непроводником. Этот непроводящий слой, называемый обедненным слоем, возникает из-за того, что электрически заряженные носители, электроны в кремнии n-типа и дырки в кремнии p-типа, диффундируют в материал другого типа ( i.е. электрон в p-типе и дырка в n-типе) и устраняют друг друга в процессе, называемом рекомбинацией. Эта диффузия заряда вызывает встроенную разность потенциалов в обедненной области. Путем манипулирования этим непроводящим слоем PN-переходы обычно используются как диоды: элементы схемы, которые пропускают электрический ток в одном направлении, но не в другом (противоположном) направлении. Это свойство объясняется в терминах прямого смещения и обратного смещения, где термин смещение относится к приложению электрического напряжения к PN-переходу.PN-переход будет проводить ток, когда приложенное внешнее напряжение превышает встроенный потенциал перехода.

5.1.2 Равновесие (нулевое смещение)

В PN-переходе без внешнего приложенного напряжения достигается состояние равновесия, при котором на переходе образуется разность потенциалов. Эта разность потенциалов называется встроенным потенциалом, В _BI .

На стыке полупроводников p-типа и n-типа более высокая концентрация электронов в области n-типа вблизи интерфейса PN имеет тенденцию диффундировать в область p-типа.По мере того, как электроны диффундируют, они оставляют положительно заряженные ионы (доноры) в n-области. Точно так же более высокая концентрация дырок на стороне p-типа вблизи интерфейса PN начинает диффундировать в область n-типа, оставляя фиксированные ионы (акцепторы) с отрицательным зарядом. Области, непосредственно прилегающие по обе стороны от интерфейса PN, теряют свою нейтральность и становятся заряженными, образуя область пространственного заряда или обедненный слой (см. Рисунок 5.1).

Рисунок 5.1 PN-переход в состоянии равновесия

Электрическое поле, создаваемое областью пространственного заряда, препятствует процессу диффузии как для электронов, так и для дырок.Есть два одновременных явления: процесс диффузии, который имеет тенденцию генерировать больший объемный заряд, и электрическое поле, создаваемое объемным зарядом, которое стремится противодействовать диффузии. В состоянии равновесия эти две силы уравновешивают друг друга. Профиль концентрации носителей в состоянии равновесия показан на рисунке 5.1 синими и красными линиями. Также показаны два уравновешивающих явления, которые устанавливают равновесие.

Область пространственного заряда – это зона с чистым зарядом, обеспечиваемым фиксированными ионами (донорами или акцепторами), которые остались открытыми в результате диффузии основных носителей заряда.Когда равновесие достигнуто, плотность заряда аппроксимируется ступенчатой ​​функцией, отображаемой на графике Q (x) на рисунке 5.2. Фактически, область полностью обеднена основными носителями (оставляя плотность заряда равной чистому уровню легирования), а граница между областью пространственного заряда и нейтральной областью довольно резкая. Область пространственного заряда имеет одинаковый заряд по обе стороны от интерфейса PN, поэтому она простирается дальше в менее легированную сторону (сторона n на рисунках 5.1 и 5.2).

5.1.3 Прямое смещение

При прямом смещении положительное напряжение прикладывается к стороне p-типа по отношению к стороне n-типа перехода. При подаче напряжения таким образом дырки в области p-типа и электроны в области n-типа выталкиваются в сторону перехода. Это уменьшает ширину истощающего слоя. Положительный заряд, приложенный к материалу p-типа, отталкивает дырки, в то время как отрицательный заряд, приложенный к материалу n-типа, отталкивает электроны.Расстояние между электронами и дырками уменьшается по мере того, как они движутся к стыку. Это снижает встроенный потенциальный барьер. С увеличением напряжения прямого смещения обедненный слой в конечном итоге становится достаточно тонким, чтобы встроенное электрическое поле больше не могло противодействовать движению носителей заряда через PN-переход, что, в свою очередь, снижает электрическое сопротивление. Электроны, которые пересекают PN-переход в материал p-типа (или дырки, которые проникают в материал n-типа), будут диффундировать в почти нейтральную область.Следовательно, степень диффузии неосновной части в зонах, близких к нейтральной, определяет величину тока, который может протекать через диод.

Только основные носители (электроны в материале n-типа или дырки в материале p-типа) могут протекать через полупроводник на макроскопическую длину. Имея это в виду, рассмотрим поток электронов через переход. Прямое смещение вызывает силу на электронах, толкающую их со стороны N к стороне P. При прямом смещении область обеднения достаточно узкая, чтобы электроны могли пересекать переход и инжектироваться в материал p-типа.Однако они не продолжают течь через материал p-типа бесконечно, потому что для них энергетически выгодно рекомбинировать с дырками. Средняя длина, которую электрон проходит через материал p-типа до рекомбинации, называется диффузионной длиной, и обычно она составляет порядка микрон.

Хотя электроны проникают в материал p-типа только на короткое расстояние до рекомбинации, электрический ток продолжается непрерывно, потому что дырки (основные носители) начинают течь в противоположном направлении, заменяя те, с которыми рекомбинируются электроны неосновных носителей.Полный ток (сумма токов электронов и дырок) постоянен в пространстве, потому что любое изменение вызовет накопление заряда с течением времени (это текущий закон Кирхгофа). Поток дырок из области p-типа в область n-типа в точности аналогичен потоку электронов от N к P (электроны и дырки меняются ролями, и знаки всех токов и напряжений меняются местами).

Следовательно, макроскопическая картина протекания тока через диод включает в себя электроны, протекающие через область n-типа к переходу, дырки, протекающие через область p-типа в противоположном направлении к переходу, и два типа носителей, постоянно рекомбинирующих в окрестность (определяемая диффузионной длиной) перехода.Электроны и дырки движутся в противоположных направлениях, но они также имеют противоположные заряды, поэтому общий ток идет в одном направлении с обеих сторон диода, если требуется.

5.1.4 Обратное смещение

Обратное смещение обычно относится к тому, как диод используется в цепи. Если диод смещен в обратном направлении, напряжение на катоде выше, чем на аноде. Следовательно, ток не будет течь, пока электрическое поле не станет настолько сильным, что диод не сломается.

Поскольку материал p-типа теперь подключен к отрицательной стороне приложенного напряжения, отверстия в материале p-типа отодвигаются от перехода, что приводит к увеличению толщины обедненного слоя.Точно так же, поскольку область n-типа подключена к положительной стороне, электроны также будут отводиться от перехода. Следовательно, обедненный слой расширяется и увеличивается с увеличением напряжения обратного смещения. Это увеличивает барьер напряжения, вызывая высокое сопротивление потоку носителей заряда, таким образом, позволяя только очень небольшому электрическому току протекать через PN-переход.

Напряженность электрического поля обедненного слоя увеличивается по мере увеличения напряжения обратного смещения.Когда напряженность электрического поля превышает критический уровень, слой истощения PN-перехода разрушается, и начинает течь ток, обычно в результате процессов стабилизации или лавинного пробоя. Оба эти процесса пробоя являются неразрушающими и обратимыми, пока величина протекающего тока не достигает уровней, которые вызывают перегрев полупроводникового материала и термическое повреждение.

Этот эффект используется в схемах стабилизаторов на стабилитронах.Стабилитроны имеют четко определенное низкое обратное напряжение пробоя по своей конструкции. Типичное значение напряжения пробоя составляет, например, 6,2 В. Это означает, что напряжение на катоде никогда не может быть более чем на 6,2 В выше, чем напряжение на аноде, потому что диод выйдет из строя и, следовательно, станет проводящим, если напряжение станет выше. Это эффективно ограничивает напряжение на диоде.

Другое применение, где используются диоды с обратным смещением, – это варакторные диоды (переменные конденсаторы).Слой обеднения действует как изолятор между двумя проводящими пластинами или выводами диода. Емкость зависит от ширины изоляционного слоя и его площади. Ширина зоны истощения любого диода изменяется в зависимости от приложенного напряжения. Это изменяет емкость диода. Варакторы специально спроектированы так, чтобы одна сторона PN-перехода была слегка легированной, поэтому на этой стороне диода будет большая область обеднения. Эта более толстая область также будет больше зависеть от приложенного напряжения смещения, и, таким образом, изменение емкости диода (ΔC / ΔV) будет сильно зависеть от приложенного напряжения смещения.

Сводка раздела

Свойства прямого смещения и обратного смещения PN-перехода предполагают, что он может использоваться в качестве диода. Диод с PN-переходом позволяет электрическим зарядам течь в одном направлении, но не в противоположном; отрицательные заряды (электроны) могут легко проходить через переход от N к P, но не от P к N, и обратное верно для дырок. Когда PN-переход смещен в прямом направлении, электрический заряд течет свободно из-за пониженного сопротивления PN-перехода.Однако, когда PN-переход имеет обратное смещение, барьер перехода (и, следовательно, сопротивление) становится больше, а поток заряда очень мал.

5.2 Фактические диоды

На рисунке 5.3 ниже схематично изображен диод (a) и показан типичный лабораторный диод (b). Диоды – довольно распространенные и полезные устройства. Можно представить себе диод как устройство, которое позволяет току течь только в одном направлении. Это чрезмерное упрощение, но хорошее приближение.

Рисунок 5.3: (a) Схематический символ диода (b) малосигнальный диод.

Как обсуждалось ранее, полупроводниковые диоды изготавливаются в виде двухслойной структуры, образующей PN переход. Полупроводники, такие как кремний или германий, можно легировать небольшими концентрациями определенных примесей, чтобы получить материал, который проводит электричество посредством переноса электронов (n-тип) или через дырки (p-тип). Когда слои из этих двух типов легированного полупроводника построены так, чтобы сформировать PN-переход, электроны мигрируют от стороны n-типа, а дырки мигрируют от стороны p-типа, как показано на рисунке.5.1. Это перераспределение заряда приводит к появлению потенциального промежутка V _BI поперек перехода, как показано на рисунке. Этот зазор равен VBI ~ 0 . 7 V для кремния и ~ 0 . 3 V для германия.

Рисунок 5.4 PN-переход, образующий на переходе промежуток напряжения.

Когда этот диод с PN-переходом теперь подключен к внешнему напряжению, это может эффективно увеличивать или уменьшать встроенный потенциальный зазор.Это приводит к очень разному поведению, в зависимости от полярности этого внешнего напряжения, как показано на типичном графике В – I на рисунке. 5.5. Когда диод смещен в обратном направлении, как показано на рисунке 5.6, зазор увеличивается, и через переход проходит очень небольшой ток (до тех пор, пока в конечном итоге в этом примере не произойдет пробой поля при ~ 6,2 В). Напротив, конфигурация с прямым смещением уменьшает зазор, приближаясь к нулю для внешнего напряжения, равного напряжению зазора, и ток может течь легко.

Выражение для напряжения на диоде (прямое смещение) В _D выглядит следующим образом:

(5.1)

Где:
В _D = приложенное напряжение на диоде
k = постоянная Больцмана (1,38E-23 Дж / Кельвин)
T = абсолютная температура в Кельвинах
q = заряд электрона (1,6E-19 Кулонов)
I _D = фактический ток через диод
I _S = ток диффузии (постоянная, зависящая от устройства)
(Так называемое тепловое напряжение, В _T , составляет кТ / q = 26 мВ при комнатной температуре.)

Приведенное выше уравнение можно изменить, чтобы получить I _D :

(5.2)

Таким образом, при обратном смещении диод ведет себя как разомкнутый переключатель; и при прямом смещении для токов примерно 10 мА или больше диод дает почти постоянное падение напряжения ~ 0,7 В . Диффузионный ток I _S, зависит от уровня легирования примесей n-типа и p-типа, площади диода и (в очень большой степени) от температуры.Разумной отправной точкой для диода интегральной схемы с малой геометрией является I _S = 1E ^-16 .

Рисунок 5.5: Зависимость напряжения В _D от тока, I _D , поведение диода

Противоположные заряды в полупроводниковом переходе не отличаются от зарядов на пластинах конденсатора. Итак, у каждого перехода есть емкость; но поскольку расстояние между электронами и дырками, обедненный слой, изменяется с приложенным напряжением, емкость зависит от приложенного напряжения.Чем ниже напряжение, тем выше емкость, и она будет увеличиваться прямо в области прямого смещения.

Рисунок 5.6 Характеристики напряжения в зависимости от тока стабилитрона на 6,2 В

Еще одна вещь, на которую следует обратить внимание в отношении реальных диодов, – это последовательное сопротивление в полупроводниковом материале, не принимаемое областью обеднения. Для обычной концентрации 5E ¹⁵ (атомов примеси на кубический сантиметр, что дает практическое напряжение пробоя в ИС около 25 В), объемное удельное сопротивление составляет около 1 Ом · см для кремния, легированного фосфором (n-типа), и 3 Ом-см для бора (р-тип).Для сравнения, такой металл, как алюминий, имеет удельное сопротивление 2,8 мкОм-см, медь – 1,7 мкОм-см. Объемное удельное сопротивление (ρ или rho) измеряется между противоположными поверхностями куба материала с длиной стороны (w, h, l) 1 см (10 мм).

5.3 Температурные характеристики диодов

Из уравнения для напряжения диода 5.1 мы можем видеть, что оно содержит член абсолютной температуры T. Кроме того, диффузионный ток I _S на самом деле не является постоянным, но сильно зависит от температуры.В нижнем наборе графиков на рисунке 5.7 смоделированное напряжение диода в зависимости от температуры показано для четырех различных токов диода (зеленый = 1 мА , синий = 2 мА , красный = 5 мА и голубой = 10 мА). Из графиков видно, что напряжение на диоде имеет довольно сильную отрицательную температурную зависимость.

На верхнем графике показана разница между кривыми 2 мА и 1 мА вместе с разницей между кривыми 5 мА и 10 мА. Эти два результата лежат точно друг на друге.Причина этого станет очевидной, если мы рассмотрим уравнение напряжения на диоде более внимательно.

Рисунок 5.7 Зависимость напряжения диода от температуры при 1 мА, 2 мА, 5 мА и 10 мА

(5,3)

Переставляя и предполагая I _S1 = I _S2 , получаем:

(5,4)

Теперь сильный температурный эффект I _S выпадает из уравнения, и нам остается только абсолютный температурный член, T, который делает ΔV _D пропорциональным абсолютной температуре (PTAT).Оба V _D2 – V _D1 и V _D4 – V _D3 имеют одинаковое соотношение 2: 1 для своих токов, и, таким образом, кривые ΔV _D будут точно лежать на друг на друга. При комнатной температуре тепловое напряжение В _T составляет около 26 мВ , что при умножении на ln (2) дает примерно 18 мВ, видимое на графике при 25 градусах.

5.4 Линейная модель

Линейная модель диода аппроксимирует экспоненциальные характеристики I – V прямой линией, касательной к реальной кривой в точке смещения постоянного тока.На рисунке 5.8 показана кривая с касательной в точке ( V _D , I _D ). Кривая пересекает горизонтальную ось при напряжении В _D0 . Для небольших изменений в V _D и I _D относительно точки касания касательная линия дает хорошее приближение к реальной кривой.

Рисунок 5.8 I – Характеристики V с касательной в точке ( V _D , I _D )

Наклон касательной определяется по формуле:

(5.5)

I _D часто намного больше, чем I _S , поэтому уравнение часто упрощается до:

(5,6)

Уравнение касательной:

(5,7)

5.5 Модель слабого сигнала

Поскольку уравнение диода для I _D как функции V _D является нелинейным, инструменты анализа линейных цепей не могут быть применены к цепям, содержащим диоды, так же, как и к цепям, содержащим только резисторы.Однако, если ток диода известен для конкретного напряжения, можно использовать линейный анализ цепи для прогнозирования изменения тока при заданном изменении напряжения, при условии, что это изменение будет постепенно небольшим. Такой подход называется анализом слабого сигнала. Несколько слов об обозначениях:

Где:
V _D и I _D – значения смещения постоянного тока, а v _d и i _d – малосигнальные изменения значений смещения.

Сопротивление слабого сигнала определяется как отношение v _d к i _d и определяется по формуле:

(5,8)

Это приводит к тому же r _d , что и в модели линейного касательного диода на рисунке 5.8. Таким образом, слабосигнальная модель диода при прямом смещении представляет собой резистор номиналом r _d . Значение r _d обратно пропорционально протекающему через него току. Каждый раз, когда ток удваивается, сопротивление уменьшается вдвое.Из модели линейного диода следует, что r _d можно графически интерпретировать как обратную величину наклона кривой i _D относительно v _D в точке ( V _D , I _D ) .

Сводка раздела

1. Полупроводники содержат два типа мобильных носителей заряда: положительно заряженные дырки и отрицательно заряженные электроны.
   

2. Полупроводник может быть легирован донорными примесями (легирование n-типа) так, чтобы он содержал подвижные заряды, являющиеся электронами.
   

3. Полупроводник может быть легирован акцепторными примесями (легирование p-типа), так что он содержит подвижные заряды, которые являются дырками.
   

4. Есть два важных механизма протекания тока в полупроводнике:
   

   1. диффузия носителей в результате градиента концентрации; и
      

   2. дрейф носителей в электрическом поле.
      

5. В состоянии равновесия через PN-переход создается встроенный потенциальный или потенциальный барьер В _BI вольт.
   
6. При приложении напряжения прямого смещения В _DF встроенный потенциал снижается до В _BI – В _D , и ток течет через диод, когда В _DF больше V _BI .
   
7. При приложении напряжения обратного смещения В _DR высота потенциального барьера увеличивается до В _BI + В _DR и может течь небольшой ток.
   
8. Когда В _BI + В _DR больше некоторого критического напряжения, когда электрическое поле выше диэлектрической прочности полупроводника, происходит обратный пробой перехода и течет ток.
   
9. Полный ток диода I _D связан с приложенным напряжением В _D соотношением

Лабораторная работа ADALM1000 2. Диод I vs.Кривые напряжения V
Лабораторная работа ADALM1000, емкость PN перехода, зависящая от напряжения

Лабораторное занятие ADALM2000 2. Кривые зависимости диода I от V
Лабораторное занятие ADALM2000, зависимая от напряжения емкость PN-перехода
Лабораторное занятие ADALM2000: датчик дифференциальной температуры

Вернуться к предыдущей главе

Перейти к следующей главе

Вернуться к содержанию

.