Падение напряжения на кремниевом диоде: Кремниевый диод падение напряжения

Содержание

Новое поступление силовых диодов

Диод – это полупроводниковый прибор, имеющий два вывода (анод и катод), и предназначенный для выпрямления, детектирования, стабилизации, модуляции, ограничения и преобразования электрических сигналов. Основа диода – p-n переход, пропускающий ток только в одну сторону. Это основное свойство диода – диод в одну сторону пропускает ток, а в другую нет.

Диод может находиться в одном из двух состояний:

1. Открытое – когда он хорошо проводит ток.

Если к выводам 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.

2. Закрытое – когда он плохо проводит ток.

Если к выводам диода подключить источник постоянного напряжения в обратном порядке: на вывод анода “минус”, а на вывод катода “плюс”, то диод окажется в закрытом состоянии.

Зависимость тока, проходящего через диод, от величины и полярности приложенного к нему напряжения изображают в виде кривой, называемой вольтамперной характеристикой (ВАХ) диода. На графике ниже изображена ВАХ диода. 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).

ВАХ состоит из двух ветвей: прямая ветвь, в правой верхней части, соответствует прямому току через диод (диод открыт), и обратная ветвь, в левой нижней части, соответствующая обратному току через диод (диод закрыт).

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 ВАХ 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 кремниевый диод открывается и начинает проводить ток при прямом напряжении 0,5 – 0,6В.

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

В продажу поступили силовые выпрямительные диоды серий Д161 и Д171, предназначенные для работы в цепях постоянного и переменного тока частотой до 500 Гц силовых электротехнических установок, в том числе полупроводниковых преобразователях электроэнергии. Конструкция диодов штыревая, в металлокерамическом корпусе с гибким выводом и прижимными контактами.

Медное основание диодов выполнено в виде болта, в головке которого находится кристалл р-n перехода; с помощью шайб и гайки диод крепится к охладителю. Основание служит одним из выводов, другой вывод оформлен в виде медной “косички” с контактом под болтовой зажим.

На открытом силовом выпрямительном кремниевом диоде падение напряжения составляет от 0,7 до 1,5 В (на красной линии показана ВАХ диода при предельной температуре (горячего), синей – холодного).

Соответственно при токах величиной сотни ампер на диоде выделяется тепловая мощность в сотни ватт, что делает невозможной эксплуатацию силовых диодов без эффективного теплоотвода. С целью улучшения условий теплоотвода силовые диоды одного и того же типа изготавливают “прямыми” и “обратными”. У “прямых” диодов анодом является основание, катодом – гибкий вывод; у “обратных” наоборот. Обратные диоды в маркировке содержат символ “х”. Наличие двух конструктивных исполнений диодов одного и того же типа позволяет при сборке схем выплямления крепить диоды разных плеч выпрямителя к одному радиатору без использования изолирующих прокладок, что упрощает конструкцию крепления и улучшает условия теплоотвода.

Диоды допускают воздействие вибрационных нагрузок в диапазоне частот 1-100 Гц и многократные удары длительностью 2-15 мс с ускорением до 147 м/с2, что позволяет применять их в подвижных электроустановках, например, на транспорте.

Новое поступление диодов на склад “Промэлектроники”:

Электронные (полупроводниковые) приборы

В железнодорожной автоматике и телемеханике все более широкое распространение получают устройства, выполненные на бесконтактных элементах: диодах, тиристорах, транзисторах, магнитных элементах и др.

Рассмотрим принцип действия наиболее часто применяемых полупроводниковых элементов.

Их действие основано на свойстве кристаллов некоторых химических элементов резко изменять сопротивление (проводимость) в зависимости от действия внешних факторов:

Наибольшее распространение в качестве исходных материалов для полупроводниковых приборов получили германий и кремний, в меньшей степени селен.

Кремниевые приборы обладают более широким, чем германиевые, диапазоном:

температурным и
рабочих напряжений.

Полупроводниковый диод германиевый или кремниевый представляет собой элемент, сопротивление которого резко изменяется в зависимости от полярности приложенного к нему напряжения:

Если напряжение приложено в проводящем направлении — от анода (+) к катоду (-), то сопротивление диода мало, и через него будет протекать ток, определяемый сопротивлением нагрузки.
П ри обратной полярности приложенного напряжения сопротивление диода резко возрастает и составляет несколько сотен килоОм. Падение напряжения на диоде в прямом направлении составляет 0,1—0,2 В для германиевых и 0,4—0,5 В для кремниевых диодов; обратный ток диодов, как правило, не превышает 1 мА.
Рис. 7.1. Условное обозначение и вольт-амперная характеристика полупроводникового диода

В полупроводниковой технике применяются большое число диодов различных типов, рассчитанных на прямой ток от нескольких миллиампер до нескольких десятков ампер и на обратное напряжение от нескольких десятков до сотен вольт.

Например:

Для кремниевых диодов Д226А, Д226Б, Д226В, Д226Г, Д226Д прямой ток составляет 50—400 мА, а обратное напряжение 50— 400 В;
диоды Д242 рассчитаны на прямой ток до 10 А.

В случае превышения допустимых (паспортных) значений тока или напряжения диод может выйти из строя. При превышении прямого тока диод выходит из строя в основном вследствие перегрева, а при превышении обратного напряжения наступает пробой полупроводникового слоя.

Основными параметрами диодов являются:

максимальный выпрямленный ток,
максимально допустимое напряжение,
прямое падение напряжения,
обратный ток и предельная температура.

Электрические параметры зависят от температуры, что присуще полупроводниковым материалам. В справочной литературе обычно приводятся параметры для температуры +25 °С.

Диоды применяются как выпрямительные и стабилизирующие элементы, в ряде устройств автоматики.

Стабилитрон, называемый также опорным диодом, предназначен для работы в области пробоя. Он используется обычно в электрических схемах стабилизации напряжения (рис. 7.2). Нормальным (рабочим) напряжением для стабилитрона является обратное напряжение.

Рис. 7.2. Схема включения стабилитрона

При превышении напряжения питания по сравнению с напряжением пробоя стабилитрон VD пробивается, после чего напряжение на нем практически не изменяется (стабилизируется). В случае увеличения напряжения питающей батареи избыток напряжения гасится на балластном резисторе

Rб, а напряжение на нагрузке Rн, включенной параллельно стабилитрону, остается практически неизменным. При включении стабилитрона в прямом направлении он работает как обычный диод.

Промышленность выпускает кремниевые стабилитроны на рабочие токи стабилизации от нескольких миллиампер до нескольких ампер и на напряжение от 3,3 до 180 В.

Стабисторы используют в устройствах автоматики в качестве элементов, обладающих малыми и стабильными напряжениями стабилизации. В отличие от стабилитронов они работают при прямом включении.

Тиристор (рис. 7.3), называемый также управляемым диодом, представляет собой четырехслойный монокристалл; кроме анода и катода, он имеет управляющий электрод. Нормально тиристор закрыт, т. е. не пропускает ток от анода к катоду при подключении к нему положительного напряжения. Открывается тиристор при пропускании по управляющей цепи (между управляющим электродом и катодом) небольшого тока управления.

Р ис. 7.3. Условное обозначение тиристора

После этого тиристор работает как обычный кремниевый диод, т. е. ток в цепи анода практически определяется только нагрузкой, причем он остается открытым и после размыкания управляющей цепи, если между анодом и катодом сохраняется прямое напряжение.

Падение напряжения на открытом тиристоре составляет примерно 1 В.

Открытый тиристор не может быть закрыт изменением управляющего тока;

для его закрытия необходимо:

прекратить ток в цепи анод — катод или
сделать анод отрицательным по отношению к катоду или
кратковременно замкнуть тиристор.

Чем выше напряжение на аноде, тем меньший ток управления требуется для открытия тиристора.

При достаточно высоком напряжении на аноде тиристор может открыться самопроизвольно, без пропускания тока через управляющий электрод, т. е. теряется управляемость тиристора.

Промышленность выпускает тиристоры на различные рабочие токи и напряжения.

Динистор является переключающим диодом. Его вольт-амперная характеристика похожа на характеристику тиристора, но в отличие от последнего он не имеет управляющего электрода, поскольку, как и обычный диод имеет только два вывода. Внешне он выглядит как обычный кремниевый диод. Так же, как и тиристор, включенный динистор можно выключить, сняв с него прямое напряжение или кратковременно изменив его на обратное.

Светодиод обладает способностью излучать свет при работе на прямой ветви вольт-амперной характеристики.

Основными параметрами этого диода являются:

сила света или мощность излучения,
длина волны (или цвет) и
диаграмма направленности излучения, т. е. распределением мощности излучения по углу отклонения от оси.

Этот диод характеризуется также и обычными параметрами диодов:

В качестве исходных материалов для изготовления светодиодов используют арсенид таллия и фосфид кремния. Размеры светодиодов не превышают 2—3 мм (в бескорпусном оформлении). При работе на прямой ветви такой диод напоминает светящуюся точку. На основе такой структуры изготовляют карбидо-кремниевые цифровые индикаторы. Индикатор имеет семь элементов, позволяющих при подаче прямого напряжения высвечивать 10 цифр — от 0 до 9. Включение той или иной цифры обеспечивается внешней коммутацией девяти выводов индикатора.

Светодиоды обладают высоким быстродействием и экономичностью. В устройствах железнодорожной автоматики их применение перспективно, так как при прочих преимуществах они позволяют наглядно контролировать работу отдельных элементов схем.

Светодиод, соединенный с фототранзистором, образует так называемую оптронную пару (оптрон). Сигнал в оптроне передается с помощью изменения интенсивности излучения свето-диода с последующим восприятием этого излучения фототранзистором, коллекторный ток которого зависит от освещения базы. К преимуществу такого устройства можно отнести гальваническую развязку между входным и выходным сигналами, что является существенным для многих схем железнодорожной автоматики и телемеханики.

Транзистор, или полупроводниковый триод, представляет собой трехслойный монокристалл, имеющий три вывода (электрода), которые называют эмиттером, коллектором и базой.

Рис. 7.4. Схемы включения транзисторов

Переходы эмиттер — база и коллектор — база проводят электрический ток в одном направлении — в сторону базового вывода, а в обратном направлении они представляют большое сопротивление, т. е. эти переходы аналогичны диодам. Переход эмиттер — коллектор нормально закрыт (не пропускает ток). Если же через цепь базы проходит ток, то переход эмиттер — коллектор открывается и при наличии напряжения между коллектором и эмиттером в этой цепи начинает протекать ток. Причем ток коллектора в В раз больше тока базы (В —коэффициент усиления транзистора). При изменении тока базы (вход) изменяется и ток коллектора (выход). Причем относительно небольшие изменения значения тока базы вызывают во много раз превышающие их значения тока коллектора (в десятки раз). На этом эффекте основано действие схем усилителей на транзисторах.

В зависимости от способа включения сигнала (вход) и нагрузки (выход) различают схемы включения транзистора с общим эмиттером (рис. 7.4, а), общей базой (рис. 7.4, б) и общим коллектором (рис. 7.4, в).

Наиболее часто применяют схему с общим эмиттером (ОЭ), так как она дает наибольшее усиление мощности сигнала. При таком включении транзистора усиливается как ток, так и напряжение сигнала. В схемах с общей базой (ОБ) усиливается только напряжение сигнала, усиление тока здесь отсутствует, так как практически ток сигнала и ток нагрузки в этом случае один и тот же. В схеме с общим коллектором (ОК) имеет место усиление тока, а усиление напряжения здесь отсутствует, так как напряжение на входе и выходе практически одно и то же (напряжение на выходе ниже напряжения на входе на значение падения напряжения на переходе эмиттер — база).

В устройствах автоматики и телемеханики наиболее часто транзисторы работают в режиме переключения, т. е. в процессе работы они находятся в двух состояниях:

Выше были рассмотрены схемы включения транзистора типа р-п-р. Широко применяют также транзисторы (типа п-р-п), полярность включения которых является обратной (рис. 7.4, г). Это обусловлено другим чередованием типов проводимости в структуре монокристалла. В остальном принцип их действия аналогичен транзисторам типа р-п-р. Для полного открытия (насыщения) транзистора типа р-п-р к базе необходимо приложить отрицательное (по отношению к эмиттеру) напряжение, а для насыщения транзистора типа п-р-п к базе необходимо приложить положительное (относительно эмиттера) напряжение 0,3—0,8 В.

Широко применяются интегральные микросхемы (ИМС), которые представляют собой целые функциональные схемы, сосредоточенные в одном монокристалле. Интегральная микросхема состоит из множества компонентов (резисторов, конденсаторов, диодов, транзисторов и т. п.), изготовленных в едином технологическом цикле.

Применение ИМС позволяет значительно уменьшить размеры и массу электронных устройств, упростить проектирование и монтаж, повысить надежность действия системы автоматики и телемеханики, снизить их стоимость и потребление электроэнергии.

Полупроводниковая ИМС обычно представляет собой кристалл кремния, в поверхностном слое которого по специальной технологии сформированы области, эквивалентные элементам электрической схемы (резисторам, конденсаторам, диодам, транзисторам) и соединения между ними.

Применение интегральных схем позволяет в тысячи раз повысить плотность размещения элементов схемы, в одном корпусе размещается целая функциональная схема. Использование стандартных схем в стандартных корпусах уменьшает стоимость системы автоматики из-за упрощения построения схем, выполнения межэлементных соединений и снижения затрат ручного труда.

Эти преимущества ИМС наиболее эффективно реализуются в системах, в которых применяется большое число стандартных схем, например в вычислительных машинах. Промышленность выпускает стандартные ИМС, предназначенные для выполнения разнообразных функций. Это аналоговые (выполняющие непрерывное преобразование сигнала) и цифровые (логические) схемы. К ним относятся усилители, генераторы, стабилизаторы, преобразователи, детекторы, триггеры, дешифраторы и т. д.

Вопросы для самоконтроля по пункту:

фотодиод – прямое падение диода и прямое падение светодиода

Основы

Все материалы в химической таблице и молекулы в различных комбинациях обладают уникальными электрическими свойствами. Но основных электрических категорий всего 3; проводник , изолятор (= диэлектрик) и полупроводник . Радиус орбиты электрона является мерой его энергии, но каждая из многих электронных орбит, образующихся в полосах, может быть:

далеко друг от друга = изоляторы
внахлест или без зазора = проводники
малый зазор = Полупроводники .

Определяется как Энергия запрещенной зоны в электрон-вольт или эВ .

Законы физики

Уровень эВ различных комбинаций материалов напрямую влияет на длину волны света и прямое падение напряжения. Таким образом, длина волны света напрямую связана с этим зазором и энергией черного тела, определяемой законом Планка 9.0011

Таким образом, проводники с более низким уровнем эВ имеют низкоэнергетический свет с более длинной длиной волны (например, тепло = инфракрасное излучение) и низкое прямое напряжение «порог» или напряжение колена, Vt, например; *1

 Германий Ge = 0,67 эВ, Vt = 0,15 В при 1 мА λp=tbd
Кремний Si = 1,14 эВ, Vt = 0,63 В при 1 мА λp = 1200 нм (SIR)
Фосфид галлия GaP = 2,26 эВ, Vt = 1,8 В при 1 мА λp = 555 нм (Grn)

Различные сплавы из легирующих примесей имеют разную ширину запрещенной зоны и длину волны и Vf.

Старая светодиодная технология

 SiC 2,64 эВ Синий
GaP 2,19 эВ Зеленый
GaP.85As.15 2,11 эВ Желтый
GaP.65As.35 2,03 эВ Оранжевый
GaP.4As.6 1,91 эВ Красный

Здесь представлен диапазон от Ge до Sch и Si для слаботочных диодов с их кривой VI, где линейный наклон обусловлен Rs = ΔVf/ΔIf.

Созданные новые сплавы могут иметь одинаковые цвета на разных радиусах, но аналогичные цвета имеют одинаковую ширину запрещенной зоны, но могут иметь большую Vf, но все же пропорциональную энергии эВ, которая обратно пропорциональна длине волны. Они выбраны из-за улучшенных уровней мощности и более низкого сопротивления последовательного проводника, Rs, которое всегда находится в обратной зависимости \$R_s = \dfrac{k}{P_{max}}\$.

Таким образом, 5-мм светодиод мощностью 65 мВт с чипом 0,2 мм² и k = 1 имеет Rs = 1/65 мВт = 16 Ом с допуском ~ +25%/-10%, но более старые или отбракованные были +50% и лучшие с немного большими чипами ~ 10 Ом, но все же ограничены теплоизоляцией 5-миллиметрового эпоксидного корпуса для повышения нагрева.
, затем светодиод SMD мощностью 1 Вт с k = от 0,25 до 1 может иметь Rs = от 0,25 до 1 Ом с массивами, масштабирующими сопротивление последовательно/параллельно, деленное на S/P x Ω, и напряжение по номеру в серии.

k — это константа качества моего поставщика, относящаяся к теплопроводности термического сопротивления и эффективности чипа, а также к тепловому сопротивлению платы конструктора.

Еще k тип. изменяется только от 1,5 (плохо) до 0,22 (лучше) для всех диодов. Чем меньше, тем лучше, можно найти в новых SMD-светодиодах, которые могут рассеивать тепло в плате, и в старых силовых диодах Si, установленных в корпусе, а также в новых силовых диодах SiC. Таким образом, SiC имеет более высокое эВ, следовательно, более высокое Vt при низком токе, но гораздо более высокое обратное напряжение пробоя, чем Si, что полезно для высоковольтных переключателей большой мощности.

Заключение

Vf любого диода является результатом Энергии запрещенной зоны для порогового напряжения, Vt на изломе кривой (пересечение оси X) и потерь проводимости , Rs таких, что \$V_f=V_t+ I_f*R_s\$ является хорошим приближением линейной кривой при Tjcn=25’C.

Если мы включим номинальную мощность пакета с некоторым повышением температуры до Tj=85’C, мы также можем оценить \$V_f=V_t+\dfrac{kI_f}{P_{max}}\$ Однако вы никогда не найдете k опубликованным в каких-либо таблицах данных , как и многие другие, это критерии выбора разработчика (или переменная контроля качества заказчика) или показатель качества (FOM), например gm * nF * Ω=T[ns] для полевых МОП-транзисторов RdsOn.

Ref

https://en.wikipedia.org/wiki/Band_gap#List_of_band_gaps
график http://www.oldradioworld.de/gollum/fig04.jpg
старые светодиоды http://matse1.matse.illinois.edu/sc/f.html
основные принципы http://matse1.matse.illinois.edu/sc/prin.html
https://en.wikipedia.org/wiki/Planck’s_law
: мои выводы за 45 лет исследований светодиодов

Я изменил Vf на Vt, так как Vf в таблицах данных является рекомендуемым номинальным током, который включает ширину запрещенной зоны и потери проводимости, но Vt не включает номинальные потери проводимости Rs @ If.
Так же, как и для полевых МОП-транзисторов Vgs(th)=Vt= пороговое напряжение при Id= x00uA, которое все еще очень велико, Rds еще не начинает проводить ток, и обычно требуется Vgs= 2–2,5 x Vt, чтобы получить RdsOn.

исключения

Силовой диод MFG: карбид кремния Cree (SiC) 1700 В PIV, при 10 А 2 В при 25°C 3,4 при 175°C при 0,5 А 1 В при 25°C Pd max = 50 Вт при Tc=110°C и Tj=175 ‘C

Таким образом, Vt=1 В, Rs ¼ Ом, Vr=1700 В, k= ¼ Ом * 50 Вт = 12,5 является высоким из-за номинала PIV 1,7 кВ.

Здесь Vf имеет положительное значение tempco , PTC в отличие от большинства диодов из-за того, что Rs доминирует над чувствительным к запрещенной зоне Vt, который по-прежнему является NTC. Это упрощает параллельную укладку без теплового разгона.

Прямое падение напряжения на кремниевом диоде составляет около _________

Если вы видите это сообщение, это означает, что JavaScript отключен в вашем браузере , включите JS , чтобы это приложение заработало.

Получение изображения. рассчитан на максимальный ток 10 мА. Рассчитайте минимальное значение резистора `R`. Предположим, что прямое падение напряжения на диоде равно «0,7 В».0011
Другие связанные вопросы и ответы
3,0 тыс. НРАВИТСЯ
3,0 тыс. ПРОСМОТРОВ
1,5 тыс. ПОДЕЛИТЬСЯ
3,0 тыс. НРАВИТСЯ
3,0 тыс.
3,0 тыс. НРАВИТСЯ
3,0 тыс. ПРОСМОТРОВ
1,5 k ПОДЕЛИТЬСЯ
3,0 тыс. НРАВИТСЯ
3,0 тыс. ПРОСМОТРОВ
1,5 тыс. ПОДЕЛИТЬСЯ
3,0 тыс. ПОДЕЛИТЬСЯ
3,0 тыс. ПРОСМОТРОВ
1,5 тыс.
3,0 тыс. ПРОСМОТРОВ
1,5 тыс. ПОДЕЛИТЬСЯ
3,0 k НРАВИТСЯ
3,0 тыс. ПРОСМОТРОВ
1,5 тыс. ПОДЕЛИТЬСЯ
3,0 тыс. НРАВИТСЯ
3,0 тыс. ПРОСМОТРОВ
1,5 тыс. ПОДЕЛИТЬСЯ
3,0 тыс. 1
1,5 тыс. ПОДЕЛИТЬСЯ
3,0 тыс. НРАВИТСЯ
3,0 тыс. ПРОСМОТРОВ
1,5 тыс. ПОДЕЛИТЬСЯ
3,0 тыс. НРАВИТСЯ
3,0 тыс. ПРОСМОТРОВ
1,5 тыс. ПОДЕЛИТЬСЯ
3,0 тыс. НРАВИТСЯ
3,0 тыс. SHARES 1 ПРОСМОТРОВ
1 11
3,0 тыс. лайков
3,0 тыс. просмотров
1,5 тыс. ПОДЕЛИТЬСЯ
3.0k НРАВИТСЯ
3,0 тыс. ПРОСМОТРОВ
1,5 тыс.