Меню

При постоянном напряжении ток через диод с ростом температуры уменьшается

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.

Читайте также:  Связь напряжения с напряженностью презентация

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.

Читайте также:  При напряжении зрение ухудшается

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.

Читайте также:  Сенсор напряжения физиология это

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

Источник



Основные параметры полупроводниковых диодов и их зависимость от температуры

На практике обычно нет необходимости получать всю вольт-ампер­ную характеристику, достаточно знать несколько её точек, называемых электрическими параметрами полупроводниковых диодов.

Выпрямленный ток — среднее значение тока, который может дли­тельно протекать через диод, не вызывая недопустимого перегрева и необ­ратимого изменения его характеристик.

Прямой ток — ток, протекающий через выпрямитель в пропускном направлении при приложенном к нему определенном постоянном напря­жении.

Наибольшая амплитуда обратного напряжения — амплитуда напря­жения, которое может быть приложено к выпрямителю в пропускном (обратном) направлении в течение длительного времени без опасности на­рушения нормальной работы диода.

Внутреннее дифференциальное сопротивление — отношение прира­щения напряжения к соответствующему приращению тока:

а) в прямом направлении: ;

б) в обратном направлении: RОБР = ΔUОБРIОБР.

Коэффициент выпрямления — отношение токов в прямом и обратном направлениях

K = IПР/IОБР, при |UПР| = |UОБР| = const и T = const.

Коэффициент полезного действия — отношение мощностей на вы­ходе и входе диода

Температурная зависимость вольт — амперных характеристик и пара­метров полупроводниковых диодов

Вольт — амперная характеристика диода существенно зависит от его температуры. На рис. 4 показано её изменение при нагреве прибора. Наи­более сильно с изменением температуры меняются ток насыщения и соот­ветственно обратное статическое сопротивление диода. Входящие в вы­ражение для тока насыщения величины np и рр изменяются с температу­рой по экспоненциальному закону , где ΔEg — ширина запрещен­ной зоны полупроводника. Соответственно по этому же закону будет уменьшаться обратное статическое сопротивление диода. Линейный уча­сток обратной ветви вольт — амперной характеристики не параллелен оси напряжений. Возрастание тока насыщения с увеличением напряжения ха­рактеризуется динамическим сопротивлением. При сравнении вольт — ам­перных характеристик одного диода при различных температурных усло­виях видно, что линейные участки обратных ветвей почти параллельны друг другу, т. е. динамическое сопротивление Rдин = слабо изменяется с температурой, в то время как изменения статистического сопротивления Rст = значительны. Рост тока насыщения с повышением температуры практически является основным фактором , определяющим температур­ный предел работы диода. При повышении температуры уменьшается и прямое сопротивление диода, увеличивается прямой ток, но в меньшей степени, чем обратный ток. Это объясняет уменьшение коэффициента вы­прямления с повышением рабочей температуры полупроводникового диода.

Рис. 4. Вольт — амперная характеристика диода при различных темпера­турах T1

Источник