Полупроводниковым
диодом называется прибор с одним
p-n-переходом
и двумя выводами, в котором используются
свойства ЭДП.
ВАХ
любого прибора представляет собой
зависимость между током, протекающим
через прибор и приложенным напряжением.
Если
сопротивление прибора постоянно, то
связь между током и напряжением выражается
по закону Ома:
.
(3.1)
График
зависимости i=f(u)
называется вольт-амперной характеристикой.
Для прибора, подчиняющегося закону Ома,
ВАХ линейна. Приборы, имеющие такую
зависимость – линейны.
Но существуют
нелинейные приборы.
ЭДП
представляет собой диод. Его нелинейные
свойства видны из его ВАХ (рис. 3.1).
Рис.
3.1. Вольт-амперная характеристика диода
Прямая
и обратная ветви строятся в различных
масштабах. Вследствие этого в кривой
обратной ветви ВАХ в начале координат
имеется излом. Характеристика для
прямого тока вначале имеет значительную
нелинейность, так как при увеличении
uпр
сопротивление запирающего слоя
уменьшается, поэтому кривая идет с все
большей крутизной. Но при uпр
в несколько десятых долей вольта (при
достижении U0)
запирающий слой практически исчезает
и остается только сопротивление
p-n-областей,
которое приблизительно можно считать
постоянным. Поэтому далее характеристика
становится почти линейной. Небольшая
нелинейность объясняется тем, что при
увеличении тока p-
и n-области
нагреваются и от этого их сопротивление
уменьшается.
Обратный
ток при увеличении обратного напряжения
резко возрастает. Это вызвано резким
уменьшением тока диффузии iдиф
вследствие повышения потенциального
барьера.
Так
как iобр
= iдр
– iдиф,
то его значение увеличивается.
Далее
рост тока происходит незначительно за
счет нагрева перехода током, за счет
утечки по поверхности, а также за счет
лавинного размножения зарядов, то есть
увеличения числа носителей заряда
вследствие ударной ионизации.
Это
явление состоит в том, что при более
высоком обратном напряжении электроны
приобретают большую скорость и, ударяя
в атомы кристаллической решетки, выбивают
из них новые электроны и т.д. Такой
процесс усиливается при увеличении
обратного напряжения.
ВАХ
диода может быть использована для
определения его основных параметров.
По прямой ветви можно определить Uпр
при номинальном токе, по обратной ветви
– Uмакс
доп и
обратный ток Iобр
при этом напряжении.
Параметры полупроводниковых диодов
Параметры
силовых полупроводниковых приборов
(СПП) подразделяются на две группы:
– предельно
допустимые значения;
– характеризующие
параметры.
Предельно
допустимое значение – это значение,
которое определяет либо предельную
способность, либо предельное условие,
при превышении которых прибор может
быть поврежден.
Характеризующий
параметр – значение электрической,
механической или тепловой величины,
которое характеризует свойство прибора.
Все
параметры приборов обозначаются буквами
латинского алфавита: основные буквы
прописные (для импульсных, средних,
постоянных и действующих значений)
и строчные (для мгновенных значений,
изменяющихся во времени), индексы в
основном прописными буквами (исключение
составляют обозначения предельных
значений max – максимальное, min –
минимальное, crit – критическое и некоторых
других).
Перечень
основных параметров диодов и их
обозначения приведены ниже.
По напряжению
URRM
– предельное повторяющееся импульсное
обратное напряжение;
URSM
– предельное неповторяющееся импульсное
обратное напряжение;
UFM
– импульсное прямое напряжение
(характеризующее значение);
U(T0)
– пороговое напряжение (характеризующее
значение).
По
току
IF(AV)max
– предельный максимально допустимый
средний прямой ток;
IFSM
– предельный ударный неповторяющийся
прямой ток;
IRRM
– повторяющийся импульсный обратный
ток (характеризующее значение).
По сопротивлению
гт
– дифференциальное сопротивление
(характеризующее значение).
По коммутационным
явлениям
Qrr
– заряд восстановления (характеризующее
значение);
trr
– время обратного восстановления
(характеризующее значение).
По тепловым явлениям
Тjm
– предельная максимально допустимая
температура р-n-перехода;
Rthjc
– тепловое сопротивление “переход-корпус”
(характеризующее значение).
По
механической нагрузке к основным
параметрам диодов относятся предельные
крутящий момент и осевое усилие сжатия
(для таблеточных), по надежности –
вероятность безотказной работы в
течение 25 000 ч.
Рассмотрим
некоторые из них подробнее.
3.2.1.
Предельный ток IF(AV)max
(Iпр.ср.макс)
– это ток, который может быть длительно
пропущен через полупроводниковый диод.
Его значение определяется значением
максимально допустимой температурой
Тjm
структуры диода (для кремниевых вентилей
Тjm
140 С)
и условиями охлаждения.
При
включении диода в прямом направлении
потери мощности (мощность рассеяния)
P
определяется
P
= UF
IF(AV)
= Uпр
Iпр.ср.,
(3.2)
где
UF(Uпр)
– падение напряжения в структуре
вентиля;
IF(AV)(Iпр.ср.)
– прямой ток.
Мощность
рассеяния выделяется в виде тепла,
которое необходимо отводить от диода.
Чем
больше значение Iпр.ср.,
тем сильнее греется диод. Если ∆P
мала, то выделяющееся тепло равномерно
рассеивается по всей массе диода и
температура p-n-перехода
возрастает незначительно. Если ∆P
велика, то возникает недопустимый нагрев
структуры и диод выходит из строя. Для
каждого полупроводникового диода
существует Iпр.ср.
продолжительного режима.
Значение
тока IF(AV)max
(Iпр.ср.макс)
представляет собой максимально допустимое
среднее за период значение прямого тока
в однофазной однополупериодной схеме
выпрямления при частоте f
= 50 Гц и работе на активную нагрузку R,
который может продолжительно протекать
через диод VD,
не вызывая его недопустимого нагрева
и необратимого изменения характеристик.
а
б
Рис.
3.2. Схема включения диода (а) и диаграммы
электромагнитных процессов при работе
однополупериодного выпрямителя
на
активную нагрузку (б)
При
нагрузке диода током IF(AV)max
(Iпр.ср.макс)
перегрузки
недопустимы.
Промышленность
выпускает диоды на токи от нескольких
миллиампер до нескольких тысяч ампер.
На силовые кремниевые полупроводниковые
диоды установлена следующая шкала
предельных токов: 10; 12,5; 16; 20; 25; 40; 50; 63;
80; 100; 125; 160; 200; 250; 320; 400; 500; 630; 800; 1000; 1250;
1600; 2000; 2500 А.
Предельный
ток записывается в маркировке диода.
Например: диод ДЛ133-500, В 200, В 320, ВЛ 200,
ВК2-200 и т.д.
Ток,
который можно безопасно пропустить
через диод всегда меньше предельного.
Чтобы его повысить, нужно увеличить
интенсивность охлаждения. Для этого
диоды снабжают охладителями, способствующими
отводу тепла в окружающую среду, обдувают
их потоком воздуха. Ранее применялось
охлаждение водой или маслом (вентильные
конструкции типа ВКМБ). Например, на
тяговых подстанциях электрических
железных дорог постоянного тока
применялись и применяются вентильные
конструкции с различным видом охлаждения.
Так, у вентильных конструкций УВКЭ-1(1М)
и ПВЭ-3(3М) – принудительное воздушное
охлаждение, у конструкций ПВКЕ-2 и ПВЭ-5
– естественное воздушное охлаждение,
у конструкций В-ТПЕД и силовых блоков
БСЕ (БДС) – естественное воздушное
охлаждение с применением тепловых
трубок (испарительно-конденсатная
система).
3.2.2.
Перегрузочная способность. Нагрев
структуры диода при прохождении тока
определяется потерями мощности, временем
прохождения тока и начальной температурой
структуры, предшествующей перегрузке.
При
кратковременных перегрузках выделяющаяся
в структуре энергия ∆P
быстро распространяется по структуре,
и температура не успевает значительно
возрасти. При длительных перегрузках
энергия быстро рассеяться не может и
температура сильно повышается. Поэтому,
чем больше значение тока перегрузки,
тем меньшее время он должен протекать.
Например, для диодов В1200
и В 320 можно допустить перегрузку на 25
% в течение 30 с, двойную – в течение 1 с.
Перегрузочную способность диодов часто
определяют по амперсекундной характеристике
(АСХ), то есть зависимости степени
перегрузки вентиля Iмакс
/ Iном
от времени протекания t
максимального тока, в течение которого
температура структуры Тj
достигает максимально допустимого
значения (рис. 3.3).
Перегрузочная
способность диодов в аварийном режиме
характеризуется одиночным допустимым
значением импульса ударного тока
синусоидальной формы IFSM
(Iпр.уд)
продолжительностью 10 мс при заданной
начальной температуре структуры,
соответствующей предельному току.
Обычно IFSM
(Iпр.уд)
= (15-20)
IF(AV)max.
Для диода В 320 IFSM
= 6000 А при Тjm
= 140 С.
Рис.
3.3. Амперсекундная характеристика
Значение
IFSM
(Iпр.уд)
используется для проверки допустимости
применения данного вентиля путем
сравнения значения тока IFSM
с расчетными значениями максимальных
аварийных токов, возникновение которых
возможно в процессе эксплуатации.
Поскольку
количество тепла, выделяемого при
прохождении импульса аварийного тока,
согласно закону Джоуля-Ленца,
пропорционально квадрату этого тока и
времени его прохождения, то в технических
данных силовых диодов обычно приводится
значение Джоулева интеграла, численно
равного площади S
равнобедренного треугольника (рис.
3.4):
.
(3.3)
Рис. 3.4. Значение
джоулевого интеграла
Эта
величина характеризует максимальное
количество тепла, которое может быть
воспринято вентилем без повреждения
структуры в условиях нормального
охлаждения. Например, для вентиля В 200
S
= 80000 А2с,
для вентиля В 320 S
= 255000 А2с
при Тj
= 25 С.
3.2.3.
Номинальное напряжение. Напряжение,
подаваемое на диод, не должно превышать
некоторого максимального значения UBR
(Uобр
макс), при
котором происходит пробой p-n-перехода.
Напряжение UBR
прикладывают к диодам только при
испытаниях.
В
реальных сетях питающее напряжение
несинусоидально. Несинусоидальное
напряжение характеризуется повторяющимися
и не повторяющимися напряжениями.
К ним относятся
(см. рис. 3.5 и 3.6):
URWM(Uр)
– импульсное рабочее (рекомендуемое)
обратное напряжение. Это наибольшее
мгновенное значение обратного напряжения,
исключая все повторяющиеся напряжения:
URWM(Uр)
= (0,6-0,8) URRM;
URRM(Uп)
– повторяющееся импульсное обратное
напряжение. Это наибольшее мгновенное
значение обратного напряжения, включая
все повторяющиеся, но исключая все
неповторяющиеся напряжения:
URRM(Uп)
= (0,75-0,85) UBR.
Иногда
напряжение URRM(Uп)
называют напряжением класса, так как
число сотен вольт повторяющегося
обратного напряжения определяет класс
диода
.
Значение
URRM
определяется коммутационными процессами
в самом преобразователе;
URSM(Uн,п)
– неповторяющееся импульсное обратное
напряжение. Это наибольшее мгновенное
значение любого неповторяющегося
обратного напряжения, прикладываемого
к диоду:
URSM(Uн,п)
= (1,16-1,25) URRM.
Значение
URSM
определяется
разовыми перенапряжениями, которые
могут возникнуть при грозовом разряде
или в момент отключения индуктивных
цепей автоматическим выключателем.
Рис.
3.5. Обратная ветвь вольт-амперной
характеристики
Рис.
3.6. Возможные виды перенапряжений
Диод
выбирают так, чтобы амплитуда питающего
синусоидального напряжения не превышала
значения URWM
( Uпит
≤ URWM).
3.2.4.
Повторяющийся импульсный обратный ток
(IRRM).
Амплитудным значением тока IRRM
называют ток, протекающий через диод в
обратном (запирающем) направлении при
приложении к нему повторяющегося
импульсного обратного напряжения URRM
(рис. 3.7).
В
соответствии с ГОСТ 24461-90 (СТ СЭВ 1656-79) и
Инструкцией по техническому обслуживанию
и ремонту тяговых подстанций (ЦЭ-936)
одним из параметров-критериев годности
диодов является импульсный обратный
ток IRRM,
т. е. значение обратного тока в момент
времени, который соответствует амплитуде
максимально допустимого повторяющегося
импульсного обратного напряжения URRM.
При этом форма напряжения должна быть
однополупериодная синусоидальная с
длительностью импульса не более 10 мс
(рис. 3.7). Диод считается выдержавшим
испытание, если значение повторяющегося
импульсного обратного тока не превышает
нормы.
Рис.
3.7. Кривые обратного напряжения и
повторяющегося импульсного
обратного
тока
Условия
измерения импульсного обратного тока:
максимально допустимая температура
перехода Tjm
или Tj
= (25
10) °C;
максимально допустимое повторяющееся
импульсное обратное напряжение URRM
.
Германиевые
диоды при прочих равных условиях имеют
большие значения
тока IRRM.
Меньшие значения тока IRRM
в кремниевых диодах объясняются тем,
что из-за большей энергии, требуемой
для образования пары “электрон –
дырка”, число основных носителей в
кремнии (при одинаковой температуре)
меньше, чем в германии. Следовательно,
меньше будет и концентрация неосновных
носителей, определяющая обратный ток.
Поэтому кремниевые диоды имеют лучшие
вентильные свойства, чем германиевые.
3.2.5.
Прямое падение напряжения (прямое
импульсное напряжение) UFM1(Uпр).
За номинальное значение UFM1(Uпр)
принимают падение напряжения на диоде
при прохождении импульса тока, равного
3,14 ()
значения предельного тока IF(AV)max
при температуре Tj
= 25 C
(рис. 3.8). Для силовых кремниевых диодов
это значение в среднем составляет UFM
(Uпр)
= (1,07-1,8) В (в зависимости от типа диода).
Рис.
3.8. Определение прямого падения напряжения
по прямой ветви
вольтамперной
характеристики
3.2.6.
Статическое и динамическое сопротивления.
Полупроводниковый диод представляет
собой нелинейное сопротивление, которое
зависит от напряжения и тока.
Статическое
сопротивление характеризует сопротивление
диода постоянному току (рис. 3.9).
Рис.
3.9. Определение статического сопротивления
по прямой ветви вольт-амперной
характеристики диода
Статическое
сопротивление определяется по прямой
ветви вольт-амперной характеристики
диода (рис. 3.9) по выражениям:
(3.4)
или
,
(3.5)
где
k
– коэффициент, учитывающий единицы
величин, входящих в формулу.
Динамическое
сопротивление характеризует свойства
диода по отношению к малым приращениям
или переменным составляющим, наложенным
на относительно большие постоянные
токи или напряжения (рис. 3.10).
Рис.
3.10. Определение динамического сопротивления
по прямой ветви вольт-амперной
характеристики диода
Динамическое
сопротивление определяется по прямой
ветви вольт-амперной характеристики
диода (рис. 3.10) по выражениям:
,
(3.6)
(3.7)
3.2.7.
Температурный режим. Свойства
p-n-перехода
существенно зависят от температуры.
Проводимость его в прямом направлении
высока даже при низких температурах
(– 60С),
так как для отрыва валентных электронов
требуется небольшая энергия.
При
повышенной температуре сильнее
проявляется собственная проводимость
полупроводника и тем меньше сказывается
примесная проводимость. В результате
концентрация электронов и дырок по обе
стороны от места контакта двух
полупроводников p-
и n-типа
выравнивается, электрическое поле в
этом месте исчезает и p-n-переход
при высоких температурах теряет свои
вентильные свойства.
Для
германиевых диодов Tjm
(70-90) C,
для кремниевых диодов Tjm1
(125-140) C,
так как для отрыва валентного электрона
от атома требуется большая энергия.
Наглядно это показывают ВАХ, полученные
при различных значениях температуры
p-n-перехода
(рис. 3.11).
Рис. 3.11. Влияние
температуры на вольт-амперную
характеристику
диода
Увеличение
обратного тока при возрастании температуры
объясняется усилением генерации пар
носителей. Для германиевых диодов
обратный ток возрастает примерно в два
раза при повышении температуры на каждые
101С.
Это можно выразить
следующей формулой:
iR(t)
= iR(20
С)
2(t-20)/10
. (3.8)
К
примеру, если температура повысилась
с 20 до 70 С,
то значение обратного тока увеличилось
в 25,
то есть в 32 раза. Кроме того, с увеличением
температуры у германиевых диодов
снижается напряжение электрического
пробоя.
У
кремниевых диодов, при нагреве на 101С,
обратный ток возрастает примерно в 2,5
раза, а напряжение пробоя при повышении
температуры сначала несколько возрастает,
а затем уменьшается.
Прямой
ток при нагреве диода растет не так
сильно, как обратный. Это объясняется
тем, что прямой ток возникает главным
образом за счет примесной проводимости,
а концентрация примесей не зависит от
температуры.
3.2.8.
Емкость ЭДП и частотные характеристики.
ЭДП можно рассматривать как эквивалентный
конденсатор, состоящий из обкладок,
разделенных областью, обедненной
носителями зарядов и обладающей
повышенным сопротивлением. Емкость
этого конденсатора определяется как
отношение приращения заряда на переходе
к приращению падения напряжения на
нем, то есть:
(3.9)
Емкость
перехода зависит от значения и полярности
внешнего приложенного напряжения. При
обратном напряжении на переходе эта
емкость называется барьерной.
(3.10)
где
к
– контактная разность потенциалов;
U
– обратное напряжение на переходе;
Сбар(0)
– значение барьерной емкости при U
= 0, которое зависит от площади p-n-перехода
и свойств полупроводникового кристалла.
Теоретически
барьерная емкость существует и при
прямом напряжении на p-n-переходе,
однако она шунтируется низким
дифференциальным (динамическим)
сопротивлением rт.
Зависимость барьерной емкости от
приложенного напряжения приведена на
рис. 3.12.
При
прямом смещении p-n-перехода
значительно большее влияние оказывает
диффузионная емкость, которая зависит
от значения прямого тока
и времени жизни неосновных носителей
р.
Эта емкость не связана с током смещения,
но дает такой же сдвиг фазы между
напряжением и током, что и обычная
емкость. Значение диффузионной емкости
определяется по выражению:
.
(3.11)
Полная
емкость ЭДП при прямом смещении
определяется суммой барьерной и
диффузионной емкостей:
Спр
= Сдиф
+ Сбар,
(3.12)
при
обратном смещении ЭДП диффузионная
емкость отсутствует и Собр1=1Сбар.
Рис.
3.12. Зависимость барьерной емкости от
приложенного напряжения
Барьерная
емкость вредно влияет на выпрямление
переменного тока, так как шунтирует
диод, и через нее на более высоких
частотах протекает переменный ток. Это
происходит вследствие уменьшения
емкостного сопротивления на высоких
частотах и возможности протекания
обратного тока через емкость ЭДП. Это
нарушает нормальную работу прибора,
так как ЭДП теряет свои вентильные
свойства. Поэтому для работы на высоких
частотах используют так называемые
точечные полупроводниковые приборы, у
которых площадь ЭДП незначительна и
собственная емкость мала. В паспортных
данных обычно указывают наивысшую
рабочую частоту диода. Силовые диоды,
применяемые на электроподвижном составе
и тяговых подстанциях, рассчитаны на
работу в цепях с частотой до 500 Гц.
Свойства
барьерной емкости используют при
создании специальных типов диодов
(варикапов и варакторов), которые
применяют в качестве конденсаторов
переменной емкости для настройки
колебательных контуров (электронная
настройка).
Что такое вольт-амперная характеристика (ВАХ)
ВАХ — это вольт-амперная характеристика, а если точнее, зависимость тока от напряжения в каком-либо радиоэлементе. Это может быть резистор, диод, транзистор и другие радиоэлементы. Так как транзистор имеет более двух выводов, то он имеет множество ВАХ.
Думаю, не все, кто читает эту статью, хорошо учились в школе. Поэтому, давайте разберемся, что представляет из себя зависимость одной величины от другой. Как вы помните из школы, мы строили графики зависимости игрек (У) от икс (Х). Та переменная, которая зависит от другой переменной, мы откладывали по вертикали, а та, которая независима — по горизонтали. В результате у нас получалась система отображения зависимости «У» от «Х»:
Так вот, мои дорогие читатели, в электронике, чтобы описать зависимость тока от напряжения, вместо «У» у нас будет сила тока, а вместо Х — напряжение. И система отображения у нас примет вот такой вид:
Именно в такой системе координат мы будет чертить вольт-амперную характеристику. И начнем с самого распространенного радиоэлемента — резистора.
ВАХ резистора
Для того, чтобы начертить этот график, нам потребуется пропускать через резистор напряжение и смотреть соответствующее значение силы тока тока. С помощью крутилки я добавляю напряжение и записываю значения силы тока для каждого значения напряжения. Для этого берем блок питания, резистор и начинаем делать замеры:
Вот у нас появилась первая точка на графике. U=0,I=0.
Вторая точка: U=2.6, I=0.01
Третья точка: U=4.4, I=0.02
Четвертая точка: U=6.2, I=0.03
Пятая точка: U=7.9, I=0.04
Шестая точка: U=9.6, I=0.05
Седьмая точка: U=11.3, I=0.06
Восьмая точка: U=13, I=0.07
Девятая точка: U=14.7, I=0.08
Давайте построим график по этим точкам:
Да у нас получилась почти прямая линия! То, что она чуть кривая, связана с погрешностью измерений и погрешностью самого прибора. Следовательно, так как у нас получилась прямая линия, то значит такие элементы, как резисторы называются элементами с линейной ВАХ.
ВАХ диода
Как вы знаете, диод пропускает электрический ток только в одном направлении. Это свойство диода мы используем в диодных мостах, а также для проверки диода мультиметром. Давайте построим ВАХ для диода. Берем блок питания, цепляем его к диоду (плюс на анод, минус на катод) и начинаем точно также делать замеры.
Первая точка: U=0,I=0.
Вторая точка: U=0.4, I=0.
Третья точка: U=0.6, I=0.01
Четвертая точка: U=0.7, I=0.03
Пятая точка: U=0.8,I=0.06
Шестая точка: U=0.9, I=0.13
Седьмая точка: U=1, I=0.37
Строим график по полученным значениям:
Ничего себе загибулина :-). Вот это и есть вольт-амперная характеристика диода. На графике мы не видим прямую линию, поэтому такая вольт-амперная характеристика называется НЕлинейной. Для кремниевых диодов она начинается со значения 0,5-0,7 Вольт. Для германиевых диодов ВАХ начинается со значения 0,3-0,4 Вольт.
ВАХ стабилитрона
Стабилитроны работают в режиме лавинного пробоя. Выглядят они также, как и диоды.
Мы подключаем стабилитрон как диод в обратном направлении: на анод минус, а на катод — плюс. В результате, напряжение на стабилитроне остается почти таким же, а сила тока может меняться в зависимости от подключаемой нагрузки на стабилитроне. Как говорят электронщики, мы используем в стабилитроне обратную ветвь ВАХ.
Рекомендуем посмотреть видео материал на эту тему:
Некоторые популярные диоды
Определение и типы диодов
Упрощенно диод можно понимать как активный электрический элемент проводящий ток только в одном направлении.
Как клапан в гидравлике. Существует несколько типов диодов отличающихся как по физическому принципу работы,
так и по базовому материалу. В очень общих чертах они делятся на полупроводниковые и вакуумные. Итак, диоды
бывают:
– вакуумные (они же кенотроны);
– на основе p-n перехода между полупроводниками различных типов проводимости: кремниевые (Si) и
карбидокремниевые (SiC) диоды;
– на основе контакта Шоттки между металлом и полупроводником.
Вакуумные диоды используются крайне редко, только в спецприложениях, например высоковольтной и
высокочастотной технике. Наиболее популярными диодами являются кремниевые диоды и диоды Шоттки.
Кроме физической природы диоды классифицируются по функциональному назначению:
– выпрямительные диоды, используемые, как правило, для
выпрямления сетевого напряжения низкой частоты (50 Гц). Как правило, это кремниевые, дешевые диоды. Они
ставятся как непосредственно на входе безтрансформаторных импульсных источников питания, так и после
трансформатора в трансформаторных источниках.
– быстродействующие кремниевые диоды – используются в составе
импульсных источников питания при высоких значениях обратного напряжения (100-1000 вольт). Отличаются малым
временем восстановления обратной проводимости, составляющим величину менее 200 нс. Внутри класса имеют
условную подклассификацию Fast (500-150 нс), UltraFast (70-50 нс), HiperFast (35-20 нс).
– кремниевые импульсные диоды – используются в составе
функциональных (не силовых) цепей. Типичный пример – диод 1N4148; Отличаются малыми рабочими токами
(миллиамперы) и большим быстродействием (время обратного восстановления 1N4148 – 4 нс).
– высоковольтные диоды – представляют собой последовательное
соединение нескольких (5-20 штук) кристаллов кремниевых диодов в одном корпусе. При этом максимальное
обратное напряжение составляет единицы-десятки киловольт, а ток как правило – небольшой и не превышает 1
ампера. Используются в ряде специальных приложений. Быстродействие этих диодов, как правило, невысокое.
Отдельно следует выделить диоды Шоттки – которые используются
и как функциональные (сигнальные) диоды и как силовые. Их отличительными чертами являются высокое
быстродействие, малое падение напряжения (0,3-0,5 В) по сравнению с кремниевыми диодами (1-1,2 В). К
недостаткам относят сравнительно малое обратное напряжение (20-100 В) чувствительность к перенапряжению,
значительный обратный ток. Диоды Шоттки часто используются в качестве выпрямительных диодов высокочастотных
преобразователей с малым выходным напряжением.
Здесь не рассматриваются диоды чисто радиочастотных применений СВЧ, варикапы, смесительные и т.д. поскольку
это вы ходит за рамки данного повествования.
Условное обозначение диода представлено на рисунке VD.1
Рисунок VD.1 – Условное обозначение диода на основе p-n перехода и диода Шоттки
Электрод, в который втекает ток, называется анодом, а электрод из которого ток вытекает – катодом.
Исторические названия эти связаны с вакуумными диодами, в которых электроны эмитировались накальным катодом
и принимались анодом. Символически диод обозначает собой направление протекания тока.
Функциональные применения диода
– выпрямление переменного тока в составе тех или иных выпрямителей (включая умножители напряжения);
– защита от превышения напряжения в схемах ограничения уровня и снабберах;
– в пиковых детекторах на операционных усилителях;
– в низковольтных стабилизаторах напряжения (используется прямое падение напряжения);
– в схемах на переключаемых конденсаторах, включая схемы бустрепного питания;
– схемах реализации логических операций ИЛИ (рисунок VD.3 ).
Ниже представлено несколько примеров использования диодов.
Рисунок VD.2 – Схема двухполупериодного выпрямителя
Рисунок VD.3 – Схема реализации логических операций ИЛИ
– схемах ограничения амплитуды сигнала (рисунок VD.4).
Рисунок VD.4 – Схема ограничения амплитуды сигнала
Характеристики диодов
Основной характеристикой диода является его ВАХ – вольтамперная характеристика – зависимость тока
пропускаемого диодом от напряжения на нем. Она не линейна и имеет фактически экспоненциальный характер.
Форма кривой ВАХ диода (рисунок VD.5) зависит от температуры: при нагреве уменьшается прямое падение
напряжения и возрастает обратный ток, снижается напряжение пробоя.
Рисунок VD.5. Форма вольтамперной характеристики диода
Из вольтамперной характеристики следуют её производные:
– прямое падение напряжение на диоде VF (при заданных токе и температуре);
– обратный ток утечки IRM (при заданном обратном напряжении и температуре);
– максимальное обратное напряжение VR (при заданной температуре).
Площадь p-n перехода, размер кристалла, конструкция теплоотвода определяют мощностные характеристики
диода:
– максимальный постоянный рабочий ток;
– максимальный импульсный ток (при заданной длительности импульса);
– максимальная отводимая (рассеиваемая мощность);
– тепловое сопротивление корпуса.
Динамическими характеристиками диода, определяющими его быстродействие, являются:
– время восстановления при резкой смене напряжения с прямого на обратное;
– емкость перехода.
На рисунках VD.6 – VD.8 представлены экспериментально измеренные ВАХ распространенных типов диодов (для
сравнения представлены ВАХ кремниевых диодов и диода Шоттки).
Рисунок VD.6 – Экспериментально измеренная вольтамперная характеристика кремниевого диода 1N4148
Рисунок VD.7 Экспериментально измеренная вольтамперная характеристика кремниевого диода FR157
Рисунок VD.8 Экспериментально измеренная вольтамперная характеристика диода Шоттки 1N5819
Основные параметры реальных диодов
1. Максимальное импульсное обратное напряжение (Peak Repetitive Reverse Voltage) VRRM–
максимальная величина прикладываемого к диоду импульсного обратного напряжения.
2. Максимальное рабочее обратное напряжение (Working Peak Reverse Voltage)
VRWM
– максимальная величина прикладываемого к диоду обратного напряжения в рабочем режиме.
3. Максимальное блокирующее напряжение (DC Blocking Voltage) VR – максимальная величина
прикладываемого к диоду постоянного напряжения. Выше этого напряжения начинается пробой. Соответствует
началу пробоя на обратной ветви ВАХ.
NB: На практике все перечисленные типы напряжения равны между собой и при проектировании схем необходимо,
не допускать превышения напряжения на диоде данной величины.
4. Максимальное среднеквадратичное обратное напряжение (RMS Reverse Voltage)
VR(RMS) – максимальная величина действующего
(среднеквадратичного) напряжения в цепи переменного тока, превышение которой приводит к пробою диода.
Фактически подразумевается переменное напряжение синусоидальной формы.
5. Средний рабочий ток (Average Rectified Output Current) IO – максимальное среднеквадратичное
значение тока проходящего через диод в стационарном режиме.
6. Максимальный импульсный ток (Repetitive peak forward current) IFRM – максимальная амплитуда
импульсного периодического тока проходящего через кристалл диода. Как правило, указывается длительность
импульсов и частота повторения.
7. Максимальный импульсный непериодический ток (Non-Repetitive Peak Forward SurgeCurrent) IFSM
– максимальная амплитуда импульсного непериодического тока проходящего через кристалл диода. Как
правило, указывается длительность импульса.
8. Прямое падение напряжения на диоде (Forward Voltage) VFM – падение напряжения на диоде при
прямом смещении (в открытом состоянии). Как правило, указывается при конкретной величине прямого тока.
9. Максимальный обратный ток (Peak Reverse Current) IRM – максимальный обратный ток через
диод. Указывается при максимальном обратном напряжении на диоде и при конкретном значении температуры.
10. Ёмкость p-n перехода (Typical Junction Capacitance) Cj – паразитная емкость p-nперехода
диода. Сильно зависит от приложенного обратного напряжения, поэтому в datasheetкроме усредненной
величины, как правило, приводят зависимость емкости от обратного напряжения.
11. Тепловое сопротивление кристалл – воздух (Typical Thermal Resistance Junction toAmbient)
RθJA – тепловое сопротивление между кристаллом (p-n переходом) диода и окружающим
воздухом. Зависит от типа корпуса.
12. Максимальная рабочая температура (Maximum DC Blocking Voltage Temperature) TA –
максимальная рабочая температура при которой сохраняется указанное значение максимального обратного
напряжения.
13. Максимальная рассеиваемая мощность (Total power dissipation) Ptot – максимальная мощность
рассеиваемая корпусом диода.
14. Параметр максимальной энергии поглощаемой кристаллом без разрушения (Rating for fusing) I2t
– произведение квадрата максимального импульсного тока через диод на его длительность. Это соотношение,
измеряемое в А2с (ампер в квадрате на секунду) используется при выборе защитных цепей от
перегрузки (предохранителей).
15. Время восстановления обратной проводимости (Reverse recovery time) trr – время за которое
диод после приложения обратного напряжения переходит в закрытое состояние (обратная проводимость).
Максимальные ток и мощность диода
Режим постоянного тока
Полупроводниковый диод – нелинейный элемент мощность, рассеиваемая на диоде равна произведению напряжения на
диоде VVD и тока через него IVD:
Для практических расчетов в качестве VVD можно брать падение напряжения при номинальном токе,
указываемое в справочных листках. Поскольку напряжение на диоде составляет величину порядка 1,0-1,5 В (для
кремниевого диода, для Шоттки меньше) и слабо изменяется с ростом тока, то в первом приближении можно
считать, что рассеиваемая на диоде мощность прямо пропорциональна току через него:
Это существенно отличает нелинейный диод от линейного резистора, мощность которого пропорциональна квадрату
тока. В справочных листках указывается максимальное значение постоянного тока через диод. Этот ток задает
максимальное значение отводимой от кристалла диода тепловой мощности.
Представленная формула описывает потери на кристалле диода при прямом смещении, то есть при протекании
прямого тока через диод. Потери при обратном смещении, то есть при реверсном токе обычно пренебрежимо малы,
однако в ряде случаев их необходимо учитывать (об этом ниже).
Режим импульсного тока
Импульсный ток через диод может в разы превышать максимальное значение для постоянного тока. В режиме
импульсных токов на первое место выходит максимальная энергия рассеивания кристалла диода, определяющая
предельные режимы импульсных нагрузок при которых еще не происходит термическое разрушение кристалла. В
справочных листках обычно приводят номограммы произведения длительности токового импульса на его
величину.
Динамические характеристики диода. Восстановление обратной проводимости. Барьерная емкость
диода
Быстродействие диода, то есть свойство быстро восстанавливать обратную проводимость, является важной
характеристикой для диодов, работающих в условиях быстрой смены полярностей напряжения прикладываемого к
диоду – в высокочастотных выпрямителях, схемах бустрепного питания, детекторных схемах и ряде других.
На рисунке VD.9 представлен один из типовых фрагментов электрических схем с диодами и полупроводниковыми
ключами. Эта схема описывает жесткий режим восстановления обратной проводимости диода. На примере этой схемы
поясним процесс восстановленияобратной проводимости диода [EE33D – Power Electronic Circuits ссылка], [2 Reasons Why
Soft-Recovery Trr is Important in High Voltage Diodes ссылка],
[Understanding Diode Reverse Recovery and its Effect on Switching Losses. Peter Haaf, Jon Harper. Fairchild
Power Seminar 2007]. Временные диаграммы токов и напряжений, описывающих процессы в представленной схеме
представлены на рисунке VD.10.
Рисунок VD.9. Электрическая схема включения диода для пояснения эффекта обратного восстановления
Рисунок VD.10. Временные диаграммы напряжений и токов схемы поясняющие процесс восстановления обратной
проводимости диода
Для упрощенного понимания процессов выключения диода примем индуктивность L в схеме достаточно большой, чтобы
она фактически играла роль источника тока. В начальный момент времени полупроводниковый ключ закрыт, и ток
индуктивности полностью замыкается через диод. После подачи управляющего импульса на затвор транзистора и
превышения им некоторого порогового напряжения происходит постепенный рост тока через ключ ISW,
начиная с момента времени tswitch. При этом ток, протекающий через диод IDпостепенно
уменьшается, поскольку ток индуктивности начинает частично «сливаться» через открывающийся ключ. В некоторый
момент времени (начало интервала tA) когда ток индуктивности полностью замкнется через ключ
(IL = ISW) ток через диод изменит свое направление. В первой половине импульса
реверсного тока (период tA) происходит разряд емкости p-n перехода при этом напряжение на диоде
некоторое время остается положительным а обратный ток достигает максимума. Далее обратный ток через диод
начинает снижаться (период tB), а обратное напряжение возрастает до напряжения источника
VDC.
Практически важной характеристикой является форма кривой обратного тока в момент восстановления обратной
проводимости (рисунок VD.10). По кривой определяется время восстановления и «мягкость восстановления».
Кривая реверсного тока имеет два характерных периода:
– период tA – время от начала импульса реверсного тока (пересечение током нулевой линии) до
максимального значения обратного тока IRRM . Соответствует разряду зарядов накопленных в так
называемой обеднённой области p-n перехода.
– период tB – время между моментом соответствующим максимуму обратного тока IRRM и
моментом когда ток уменьшится на 25% от максимального достигнутого значения.
Время восстановления обратной проводимости (reverse recovery
time) tRR определяется по осциллограмме обратного тока (рисунок VD.10) как время между
пересечением тока нулевой отметки (начало реверсного тока) и моментом когда величина реверсного тока спадает
на 25% от своего максимально достигнутого значения. Время восстановления – интуитивно понятный параметр,
характеризующий время, за которое диод восстанавливает свои непроводящие свойства. Время восстановления
обратной проводимости tRR равно сумме времен периодов tA и tB:
Максимальное значение реверсного тока IR связано с длительностью периода tA и скоростью
спада тока:
Критерий «мягкости восстановления» (softness factor) SF –
критерий определяющий скорость обрыва обратного тока. Если обрыв тока происходит слишком резко, то это может
стать причиной нежелательных перенапряжений обусловленных паразитными индуктивностями контуров. Иногда этот
эффект используют в генераторах импульсов на основе специализированных SOS-диодов. В качестве критерия
«мягкости» использую так называемы «фактор мягкости» SF определяемый как отношение длительностей периодов
tB к tA :
Для обычных диодов tA много больше tB , для импульсных «мягких» диодов наоборот
tBмного больше tA. «Фактор мягкости» SF можно определить из datasheet диодов исходя из
представленных временных осциллограмм восстановления обратной проводимости. Обычно для импульсных силовых
диодов класса «ultrafast» характерное значение SF равно 1, для обычных диодов величина SF может составлять
0,2-0,6.
Заряд обратного восстановления (Reverse Recovery Charge)
QRR – это реверсный заряд, который должен пройти через переход диода для перевода его из
состояния проводимости в закрытое состояние. Заряд обратного восстановления является базовым параметром
диода, определяющим его динамические характеристики. Исходя из формы импульса реверсного тока этот заряд
равен:
Откуда максимальный ток определяется из соотношения:
Приравнивая выражения для IR получаем:
Преобразуя это выражение получаем:
Учитывая, что tA и tB связаны через «фактор мягкости» SF:
Получаем:
Откуда выразим tA:
Тогда:
Откуда получаем практически важные соотношения:
– для расчета времени восстановления обратной проводимости tRR :
– и для расчета максимальной величины обратного тока IRRM :
Используя представленные выражения, рассчитываются динамические характеристики диода.
Барьерная емкость диода – собственное
значение емкости p-n перехода находящегося в обратном смещении (закрытом состоянии). В дополнение к выше
описанному инерционному процессу «переключения» диода в непроводящее состояние диод, когда к нему приложено
обратное напряжение он (диод) обладает собственным значением барьерной емкости, которая зависит от
напряжения, что важно также учитывать при расчете динамических режимов. Емкость пропорциональна площади p-n
перехода, на практике это означает, что более мощные диоды с большим номинальным током будут иметь и большее
значение емкости. Реально величина емкости не является постоянной и существенно зависит от приложенного
напряжения.
Расчет тепловых потерь в диоде на переключение
В момент восстановления проводимости к диоду приложено обратное напряжение и через него протекает некоторый
импульс тока длительностью trev. Таким образом, в кристалле диода выделяется некоторая энергия:
Общая выделяемая тепловая мощность пропорциональна частоте импульсов f.
Основное выделение энергии происходит в периода tB когда напряжение на диоде имеет величину
существенно большую по сравнению с прямым падением напряжения (как в период tA). Полагая линейную
форму спада тока и роста обратного напряжения получим:
Выражение для напряжения на диоде будет иметь вид:
Выражение для тока через диод будет иметь вид:
Выражение для выделяющейся мощности на диоде будет иметь вид:
Перемножая VVD(t) и IVD(t), получаем:
Упрощая которое получаем выражение для мощности динамических потерь
PVD_trans«на переключение»:
где:
VDC – обратное напряжение, (напряжения источника питания);
f – рабочая частота;
IRRM – максимальная величина обратного тока, вычисляемая по формуле:
здесь: QRR заряд обратного восстановления (Reverse Recovery Charge) – представлен в datasheet-ах,
скорость спада тока di/dt определяется характеристиками схемы, а «фактор мягкости» SF можно определить из
datasheet диодов исходя из представленных временных осциллограмм восстановления обратной проводимости.
Обычно для импульсных диодов характерное значение SF равно 1.
tB – время между моментом соответствующим максимуму обратного тока IRRM и моментом
когда ток уменьшится на 25% от максимального достигнутого значения. Учитывая связь tA и
tB через «фактор мягкости» SF получаем:
Отсюда tB может быть вычислено по соотношению:
Учитывая, что в большинстве случаев SF≈1, то в первом приближении tB может быть определено как:
Объединим в итоговое выражение для мощности динамических потерь диода
PVD_trans «на переключение»:
Упростим данное соотношение:
Результирующее выражение для мощности динамических потерь PVD_trans «на
переключение» имеет вид:
где:
QRR – заряд обратного восстановления;
VDC – обратное напряжение, (напряжения источника питания);
f – рабочая частота;
SF – «фактор мягкости» диода (в первом приближении может быть принят равным 1).
В ряде случаев в datasheet не приводится значение заряда обратного восстановления QRR, а
приводятся:
– зависимости тока восстановления обратной проводимости от IRRM от скорости спада тока di/dt;
– зависимости времени восстановления обратной проводимости tRR от скорости спада тока di/dt.
В этом случае мощности динамических потерь PVD_trans вычисляется по
соотношению:
где:
VDC – обратное напряжение, (напряжения источника питания);
IRRM(di/dt) – ток восстановления обратной проводимости от IRRM при заданной скорости
спада тока di/dt;
tRR(di/dt) – зависимости времени восстановления обратной проводимости tRR при заданной
скорости спада тока di/dt.
SF – SF – «фактор мягкости» диода (в первом приближении может быть принят равным 1);
f – рабочая частота.
Обратная ветвь ВАХ – напряжение пробоя, обратный ток
По мере увеличения прикладываемого к диоду обратного напряжения монотонно возрастает и обратный ток. При этом
для каждого диода существует обратное напряжение, при достижении которого резко возрастает обратный ток и
напряжение на диоде быстро падает. При этом пороговом напряжении происходит пробой диода – в большинстве
случаем необратимое изменение внутренней структуры диода, сопровождаемое нарушением целостности p-n
перехода. Следствием пробоя является выход диода из строя. Исключением являются лавинные диоды, пробой
которых носит обратимый характер.
Обратный ток возрастает с увеличением температуры, также с увеличением температуры снижается напряжение
пробоя.
Для кремниевых диодов, эксплуатируемых при нормальной температуре тепловой мощностью, выделяемой при
приложенном обратном напряжении можно пренебречь. Однако при более жестком температурном режиме и больших
значениях обратного напряжения эта мощность может иметь значительную величину, сопоставимую с мощностью
потерь в проводящем состоянии.
Для диодов Шоттки обратный ток существенно больше, чем для кремниевых диодов и его необходимо учитывать в
расчетах в любом случае.
Мощность, рассеиваемая на диоде при обратном смещении равна произведению напряжения приложенного к диоду
VVD_rev и протекающего под действием этого напряжения обратного тока через
него IVD_rev:
Пример:
– для диода MUR1100E при температуре 100 °С обратный ток составляет величину порядка 600 мкА, если к диоду
приложено обратное напряжение 800 В то выделяющаяся тепловая мощность равна 0,48 Вт!
– для диода серии US1 максимальный обратный ток составляет 150 мкА (при температуре 100 °С) и при обратном
напряжении 1000 В выделяющаяся тепловая мощность составляет 0,15 Вт.
Важно то, что здесь работает принцип положительной обратной связи: с ростом температуры выделяемая мощность
увеличивается, что в свою очередь приводит к росту температуры.
Итак, тепловой режим диода работающего в условиях тока переменной полярности складывается из мощности,
выделяемой при прохождении прямого тока, мощности выделяемой в диоде при смене направления тока и мощности
выделяемой при обратном смещении:
где:
PVD_total – общая мощность, рассеиваемая на диоде;
PVD_stat+ – мощность, выделяемая при прохождении прямого тока;
PVD_stat- – мощность, выделяемая при прохождении обратного тока;
PVD_trans – мощность, выделяющаяся на диоде в результате переходных
процессов.
Последовательное и параллельное включение диодов
s
Последовательное включение
Последовательное включение диодов используют для увеличения максимального обратного напряжения VR
(рисунок VD.11). При этом необходимо помнить, что увеличивается прямое падение напряжения на диодной сборке.
Рисунок VD.11 – Последовательное включение диодов для увеличения максимального обратного напряжения
При приложении обратного напряжения к сборке падения напряжения на диодах распределяются в соответчики с
обратной ВАХ каждого из диодов. Из за разброса ВАХ может возникнуть ситуация в которой к некоторым диодам
сборки будет приложено напряжение превышающее максимальное и возникнет пробой одного диода сборки. После
этого общее приложенное напряжение перераспределится между оставшимися диодами и при этом напряжение на
каждом из них возрастет. Это с высокой долей вероятности может привести к постепенному выгоранию всех диодов
сборки. Для повышения надежности применяют выравнивающие резисторы, сопротивление которых выбирается таким
образом, чтобы ток через резистор был в 2-5 раз больше максимального тока утечки диода:
где:
VR – максимальная величина прикладываемого к диоду постоянного напряжения.
IRM – максимальный обратный ток через диод. В расчетах необходимо учитывать ток при температуре
соответствующей рабочей температуре эксплуатации.
Рисунок VD.12 – Последовательное включение диодов с резисторами, выравнивающими падение обратного
напряжения
на диодах
Параллельное включение
Параллельное включение диодов можно использовать для диодов с положительным (например на основе карбида
кремния SiC) или небольшим отрицательным температурным коэффициентом более 2 мВ/К, но при условии их
термического соединения (размещение на одном радиаторе). Это необходимо для того чтобы токи, протекающие
через диоды выравнивались. На практике при параллельном соединении двух кремниевых диодов или диодов Шоттки
максимальные рабочий ток не удваивается, а увеличивается на 50-70 %. Это обусловлено разницей хода ВАХ
диодов, так что один диод будет нагружен по максимуму, а второй будет ему «помогать». Физика этого эффекта
объясняется наличием положительной обратной связи: если через какой-либо из диодов протекает несколько
больший, чем через другой, то он нагревается больше. При нагреве кремниевых диодов ВАХ изменяется таким
образом, что при постоянном приложенном напряжении ток возрастает. Это приводит еще большему увеличению доли
общего тока через этот диод. Уменьшить эту положительную обратную связь можно путем организации термической
связи между диодами, то есть разместить их на одном радиаторе охлаждения. В этом случае «лидирующий» по току
диод будет подогревать «отстающий» и увеличивать долю тока через него. В целом на практике целесообразно
параллельно соединять лишь диоды, расположенные на одном кристалле в одном корпусе.
Рисунок VD.13 – Параллельное включение диодов для увеличения максимального рабочего тока
Некоторые популярные диоды
1N4148
1N4007
HER108
US1M
1N5819
Собралась у меня кучка выпаянных светодиодов из различных плат,но как узнать их характеристики?Производитель из характеристик указывает прямой ток,падение напряжения,силу излучаемого света,мощность. Обычно ток указан 20мА,падение напряжения 2-3В,это хар-ки при которых производитель гарантирует долговечность и светоотдачу. Но самые важные, это ток и падение напряжения.Для того чтобы узнать эти хар-ки,надо проверить Вольт-Амперные характеристики(ВАХ) светодиода.ВАХ показывает зависимость тока проходящего через светодиод от напряжения,приложенного к нему.Эта зависимость имеет нелинейный характер.
Для измерения ВАХ светодиода, нужен переменный резистор с линейной зависимостью(буква “А” на отеч.резисторе),токоограничивающий резистор,миллиамперметр и вольтметр.
Вначале,при вращении ротора,можно наблюдать падение напряжения на светодиоде.В какой-то момент св.диод зажигается,допустим при 1.7В,по этому моменту и напряжению можно узнать материал полупроводника,из которого сделан св.диод.Как только падение напряжения будет доходить до 1.8В или 2.7В (для разных св.диодов),начнет увеличиваться плавно ток,а напряжение падения приостанавливается.Это и есть нелинейный характер характеристики.Ток потребления начнет плавно повышаться,как только дойдет до 20-25мА,этот ток начнет резко увеличиваться.Вот этот момент,до резкого увеличения и есть оптимальный режим работы.
Содержание
- Что это такое
- ВАХ для шотки
- Кремниевый диод и его ВАХ
- ВАХ и выпрямительный диод
- Заключение
Сегодня диоды можно встретить практически в любом бытовом приборе. Многие даже собирают некоторые устройства в своей домашней лаборатории. Но, чтобы правильно использовать эти элементы электросхемы, нужно знать, что собой представляет ВАХ диода. Именно этой характеристики и будет посвящена данная статья.
Что это такое
ВАХ расшифровывается как вольт-амперная характеристика диодного полупроводника. Она отражает зависимость тока, который проходит через p-n переход диода. ВАХ определяет зависимость тока от величины, а также полярности приложенного напряжения. Вольт-амперная характеристика имеет вид графика (схема). Данный график имеет следующий вид:
ВАХ для диода
Для каждого вида диода график ВАХ будет иметь свой конкретный вид. Как видим, график содержит кривую. По вертикали вверху здесь отмечены значения прямого тока (прямом включении), а внизу – в обратном. Но горизонтали схема и график отображают напряжение, аналогично в прямом и обратном направлении. Таким образом схема вольт-амперной характеристики будет состоять из двух частей:
- верхняя и правая часть – элемент функционирует в прямом направлении. Она отражает пропускной ток. Линия в этой части идет резко вверх. Она характеризует значительный рост прямого напряжения;
- нижняя левая часть – элемент действует в обратном направлении. Она соответствует закрытому (обратному) току через переход. Здесь линия идет практически параллельно горизонтальной оси. Она отражает медленное нарастание обратного тока.
Обратите внимание! Чем круче будет вертикальная верхняя часть графика, и ближе к горизонтальной оси нижняя линия, тем более лучше будут выпрямительные свойства полупроводника.
Стоит отметить, что ВАХ сильно зависит от температуры окружающей среды. К примеру, повышение температуры воздуха может привести резкому повышению обратного тока.
Построить своими руками ВАХ можно следующим образом:
- берем блок питания;
- подключаем его к любому диоду (минус на катод, а плюс на анод);
- с помощью мультиметром делаем замеры.
Из полученных данных и строится вольт-амперная характеристика для конкретного элемента. Ее схема или график могут иметь следующий вид.
Нелинейная ВАХ
На графике видна ВАХ, которая в таком исполнении называется нелинейной.
Рассмотрим на примерах различных типов полупроводников. Для каждого отдельного случая данная характеристика буде иметь свой график, хотя они все будут носить единый характер лишь с небольшими изменениями.
ВАХ для шотки
Одним из наиболее распространенных диодов на сегодняшний день является шоттки. Этот полупроводник был назван в честь физика из Германии Вальтера Шоттки. Для шоттки вольт-амперная характеристика будет иметь следующий вид.
ВАХ для шоттки
Как видим, для шоттки характерно малое падение напряжения в ситуации прямого подключения. Сам график носит явный ассиметричный характер. В зоне прямых смещений наблюдается экспоненциальное увеличение тока и напряжения. При обратном и прямом смещении для данного элемента ток в барьере обусловлен электронами. В результате этого такие элементы характеризуется быстрым действием, поскольку у нет диффузных и рекомбинационных процессов. При этом несимметричность ВАХ будет типичной для структур барьерного типа. Здесь зависимость тока от напряжения определена изменением количества носителей, которые берут участие в зарядопереносных процессах.
Кремниевый диод и его ВАХ
Кроме шоттки, большой популярностью на данный момент пользуются кремниевые полупроводники. Для кремниевого типа диода вольт-амперная характеристика выгляди следующим образом.
ВАХ кремниевого и германиевого диода
Для таких полупроводников данная характеристика начинается примерно со значения 0,5-0,7 Вольт. Очень часто кремниевые полупроводники сравнивают с германиевыми. Если температуры окружающей среды равны, то оба устройства будут демонстрировать ширину запрещённой зоны. При этом кремниевый элемент будут иметь меньший прямой ток, чем из германия. Это же правило касается и обратного тока. Поэтому у германиевых полупроводников обычно сразу наступает тепловой пробой, если имеются обратное большое напряжение.
В итоге, при наличии одинаковой температуры и прямого напряжения, потенциальный барьер у кремниевых полупроводников будет выше, а ток инжекции ниже.
ВАХ и выпрямительный диод
В завершении хотелось бы рассмотреть данную характеристику для выпрямительного диода. Выпрямительный диод – одна из разновидностей полупроводника, который применятся для преобразования переменного в постоянный ток.
ВАХ для выпрямительного диода
На схеме показана экспериментальная ВАХ и теоретическая (пунктирная линия). Как видим, они не совпадают. Причина этого кроется в том, для теоретических расчетов не учитывались некоторые факторы:
- наличие омического сопротивления базовой и эмиттерной областей у кристалла;
- его выводов и контактов;
- наличие возможности токов утечки по кристальной поверхности;
- протекание процессов рекомбинации и генерации в переходе для носителей;
- различные типы пробоев и т. д.
Все эти факторы могут оказывать различное влияние, приводя к отливающейся от теоретической реальной вольт-амперной характеристики. Причем значительное влияние на внешний вид графика в данной ситуации оказывает температура окружающей среды.
ВАХ для выпрямительного диода демонстрирует высокую проводимость устройства в момент приложения к нему напряжения в прямом направлении. В обратном же направлении наблюдается низкая проводимость. В такой ситуации ток через элемент практически не течет в обратном направлении. Но это происходит только при определенных параметрах обратного напряжения. Если его превысить, то на графике видно лавинообразное повышение тока в обратном направлении.
Заключение
Вольт-амперная характеристика для диодных элементов считается важным параметром, отражающем специфику проведения тока в обратном и прямом направлениях. Она определяется в зависимости от напряжения и температуры окружающей среды.
