Встановити відповідність між вами та назвами діодів. Принцип роботи, характеристика та різновиди випрямних діодів

Вольт-амперна характеристика (ВАХ)- Залежність струму, що протікає через опір, від напруги на цьому опорі, виражена графічно. ВАХ можуть бути лінійними та нелінійними, і залежно від цього опору та ланцюга, що містять дані опору, поділяються на лінійні та нелінійні.

Отже, вольтамперна характеристика - залежність електричної напруги від сили струму в електричному ланцюзі чи його окремих елементах (реостаті, конденсаторі та ін.). У лінійних елементів електричного ланцюга вольтамперна характеристика – пряма лінія.

При підвищенні напруги, прикладеного до напівпровідника, величина струму в ньому зростає значно швидше за напругу (рис. 1), тобто спостерігається нелінійна залежність між струмом і напругою. Якщо при зміні напруги U на зворотне (-U) зміна струму в напівпровіднику має такий самий характер, але у зворотному напрямку, такий напівпровідник має симетричною вольтамперною характеристикою.

У підборі напівпровідників з різного типу електропровідністю (n-типу та р-типу) домагаються несиметричної вольтамперної характеристики(Рис. 2).

В результаті цього при одній напівхвилі змінної напруги напівпровідниковий випрямляч пропускатиме струм. Це струм, що протікає у прямому напрямку Iпр, який швидко зростає з підвищенням першої напівхвилі змінної напруги.

При дії другої напівхвилі напруги система двох напівпровідників (в площинному випрямлячі) не пропускає струму в зворотному напрямку Iобр. Дуже незначна величина струму Iобр протікає через р-n-перехід внаслідок наявності у напівпровідниках неосновних носіїв струму (електронів у напівпровіднику р-типу та дірок у напівпровіднику n-типу). Причиною є великий опір перехідного шару (р-n-перехід), що виникає між напівпровідником р-типу і напівпровідником n-типу.

З подальшим підвищенням другої напівхвилі змінної напруги зворотний струм Iобр почне повільно зростати і може досягти значень, при яких настане пробою запірного шару (р-n-переходу).

Мал. 1. Вольт-амперна характеристика напівпровідника

Мал. 2. Несиметрична вольтамперна характеристика напівпровідникового випрямляча (площинний діод)

Чим більше відношення величини прямого струму до величини зворотного струму (виміряних при однакових значеннях напруги), тим краще властивості випрямляча. Це оцінюється величиною коефіцієнта випрямлення, що є відношенням прямого струму I'пр до зворотного I'обр при одній і тій же величині напруги:

Напівпровідниковий діод називають напівпровідниковий прилад з одним p-n переходом і двома висновками.

За функціональним призначенням розрізняють:

1) Випрямлювальні діоди.

2) Стабілітрони.

3) Імпульсні та високочастотні діоди.

4) Тунельні діоди.

5) Варікапи.

Випрямлювальні діодипризначені для випрямлення змінного струму частотою 50 Гц постійний. Використовується основна властивість електронно-діркового переходу – одностороння провідність.

Є один p-n перехід у герметичному корпусі з двома висновками. Виведення позитивної області називається анод, виведення негативної - катод.

На малюнку 19 зображено структуру випрямного діода.

Малюнок 19 – Структура випрямного діода

Діод в електричних схемах позначається відповідно до малюнку 20.

Рисунок 20 - Зображення діода в електричних схемах

Графік залежності між струмом та напругою називається вольтамперною характеристикою (ВАХ). Випрямний діод має нелінійну ВАХ.

Характеристика для прямого включення діода має значну нелінійність, т.к. при збільшенні прямої напруги опір замикаючого шару збільшується поступово. При певному напрузі замикаючий шар практично зникає і далі характеристика стає майже лінійною.

При зворотному включенні струм різко зростає. Це відбувається з допомогою різкого збільшення потенційного бар'єру в p-n переході, різко знижується дифузійний струм, а струм дрейфу збільшується. Однак при подальшому збільшенні зворотної напруги зростання струму незначне.

На малюнку 21 наведена вольтамперна характеристика випрямного діода.

Малюнок 21 – ВАХ випрямного діода

Параметри випрямляючих діодів – це величина, що характеризує найістотніші властивості приладу.

Розрізняють: статичні та граничні параметри.

Статичні: Визначаються за статичними характеристиками (див. рис. 22).

Рисунок 22 – Додаткові побудови визначення статичних параметрів випрямного діода

1. Крутизна вольтамперної характеристики:

S = DI/DU, мА/В

де DI – збільшення струму;

DU – збільшення напруги.

Крутизна вольтамперної характеристики показує, скільки міліампер зміниться струм зі збільшенням напруги на 1 вольт.

2. Внутрішній опір діода змінному струму.

Ri = DU/DI, Ом

3. Опір діода постійному струму.

R 0 = U / I, Ом

Параметри граничного режиму:

Їхнє перевищення призводить до виходу приладу з ладу. З урахуванням цих властивостей будується електрична схема.

1. I ПР.ДОП - допустиме значення прямого струму;

2. U ОБР.ДОП - допустиме значення зворотної напруги;

3. Р РАСС – допустима потужність розсіювання.

Основним недоліком всіх напівпровідникових приладів є залежність параметрів від температури. Зі збільшенням температури збільшується концентрація носіїв зарядів та провідність переходу зростає. Сильно збільшується зворотний струм. При збільшенні температури раніше настає електричний пробій. На малюнку 23 наведено вплив температури на ВАХ.

Рисунок 23 – Вплив температури на ВАХ діода

На базі випрямного діода можна побудувати схему найпростішого однонапівперіодного випрямляча (див. рисунок 24).

Малюнок 24 - Схема найпростішого випрямляча

Схема складається з трансформатора Т, який служить для перетворення вихідної напруги на напругу потрібної величини; Випрямного діода VD, який служить для випрямлення змінного струму, конденсатора, який служить для згладжування пульсацій і навантаження R н.

Діод– двоелектродний напівпровідниковий прилад з одним p–n-переходом, що має односторонню провідність струму. Існує багато різних типів діодів - випрямні, імпульсні, тунельні, звернені, надвисокочастотні діоди, а також стабілітрони, варикапи, фотодіоди, світлодіоди та ін.

Робота випрямного діода пояснюється властивостями електричного p-n-переходу.

Поблизу межі двох напівпровідників утворюється шар, позбавлений рухомих носіїв заряду (через рекомбінацію) і що володіє високим електричним опором, – так званий замикаючий шар. Цей шар визначає контактну різницю потенціалів (потенційний бар'єр).

Якщо до p-n-переходу прикласти зовнішню напругу, що створює електричне поле в напрямку, протилежному полю електричного шару, то товщина цього шару зменшиться і при напрузі 0,4 - 0,6 В замикаючий шар зникне, а струм істотно зросте (цей струм називають прямим).

При підключенні зовнішньої напруги іншої полярності замикаючий шар збільшиться і опір p-n-переходу зросте, а струм, зумовлений рухом неосновних носіїв заряду, буде незначним навіть за порівняно великих напруг.

Прямий струм діода створюється основними, а зворотний – неосновними носіями заряду. Позитивний (прямий) струм діод пропускає у напрямку від анода до катода.

На рис. 1 показано умовне графічне позначення (УДО) та характеристики випрямляючих діодів (їх ідеальна та реальна вольт-амперна характеристики). Видимий злам вольт-амперної характеристики діода (ВАХ) на початку координат пов'язаний з різними масштабами струмів та напруг у першому та третьому квадранті графіка. Два висновки діода: анод А і катод К в УГО не позначаються і малюнку показані пояснення.

На вольт-амперну характеристику реального діода позначено область електричного пробою, коли при невеликому збільшенні зворотної напруги струм різко зростає.

Електричний пробій є оборотним явищем. При поверненні до робочої області діод не втрачає своїх властивостей. Якщо зворотний струм перевищить певне значення, то електричний пробій перейде в незворотний тепловий з виходом ладу.

Мал. 1. Напівпровідниковий випрямний діод: а – умовне графічне зображення; б – ідеальна вольт-амперна характеристика; в – реальна вольт-амперна характеристика.

Промисловістю переважно випускаються германієві (Ge) і кремнієві (Si) діоди.

Кремнієві діодиволодіють малими зворотними струмами, більш високою робочою температурою (150 - 200 ° С проти 80 - 100 ° С), витримують велику зворотну напругу і щільність струму (60 - 80 А/см2 проти 20 - 40 А/см2). Крім того, кремній – поширений елемент (на відміну від германієвих діодів, який відноситься до рідкісноземельних елементів).

Мал. 4. УГО та структура діода Шоттки: 1 – низькоомний вихідний кристал кремнію, 2 – епітаксійний шар високоомного кремнію, 3 – область об'ємного заряду, 4 – металевий контакт

На поверхню епітаксійного шару наносять металевий електрод, що забезпечує випрямлення, але не неосновні носії, що інжектують, в базову область (найчастіше золото). Завдяки цьому в цих діодах немає таких повільних процесів, як накопичення та розсмоктування неосновних носіїв у базі. Тому інерційність діодів Шоттки не висока. Вона визначається величиною бар'єрної ємності контакту, що випрямляє (1 - 20 пФ).

Крім цього, у діодів Шоттки виявляється значно менше, ніж у випрямляючих діодів послідовний опір, так як металевий шар має малий опір у порівнянні з будь-яким навіть сильно легованим напівпровідником. Це дозволяє використовувати діоди Шоттки для випрямлення значних струмів (десятки амперів). Зазвичай їх застосовують у вторинних імпульсних джерелах живлення для випрямлення високочастотних напруг (частотою до декількох МГц).

Потапов Л. А.

Випрямлювальні діоди застосовуються в ланцюгах управління, комутації, в обмежувальних та розв'язувальних ланцюгах, в джерелах живлення для перетворення (випрямлення) змінної напруги в постійне, у схемах множення напруги та перетворювачах постійної напруги, де не пред'являються високі вимоги до частотних та часових параметрів сигналів. Залежно від значення максимального струму, що випрямляється, розрізняють випрямні діоди малої потужності(\(I_(пр max) \le (0,3 А)\)), середньої потужності(((0,3 А)< I_{пр max} \le {10 А}\)) и великої потужності(\(I_(пр max) > (10 А)\)). Діоди малої потужності можуть розсіювати теплоту, що виділяється на них своїм корпусом, діоди середньої і великої потужності повинні розташовуватися на спеціальних тепловідвідних радіаторах, що передбачається в т.ч. та відповідною конструкцією їх корпусів.

Зазвичай, допустима щільність струму, що проходить через \(p\)-\(n\)-перехід, не перевищує 2 А/мм2, тому для отримання зазначених вище значень середнього випрямленого струму у випрямних діодах використовують площинні \(p\)-\ (n)-переходи. Такі переходи мають суттєву ємність, що обмежує максимальну допустиму робочу частоту (f(р_р)) випрямляючих діодів.

Випрямні властивості діодів тим краще, чим менше зворотний струм при заданій зворотній напрузі і чим менше падіння напруги при заданому прямому струмі. Значення прямого і зворотного струмів відрізняються кілька порядків, а пряме падіння напруги вбирається у одиниць вольт проти зворотним напругою, що може становити сотні і більше вольт. Тому діоди мають односторонню провідність, що дозволяє використовувати їх як випрямляючі елементи. Вольт-амперні властивості (ВАХ) германієвих і кремнієвих діодів відрізняються. На рис. 2.3‑1 для порівняння показані типові ВАХ для германієвих та кремнієвих випрямляючих діодів за різних температур навколишнього середовища.

Мал. 2.3-1. Вольт-амперні характеристики випрямних діодів за різних температур навколишнього середовища

За наведеними ВАХ видно, що зворотний струм кремнієвих діодів значно менший за зворотний струм германієвих діодів. Крім того, зворотна гілка вольт-амперної характеристики кремнієвих діодів не має явно вираженої ділянки насичення, що обумовлено генерацією носіїв зарядів в (p)-(n)-переході і струмами витоку по поверхні кристала. При подачі зворотної напруги, що перевищує якийсь пороговий рівень, відбувається різке збільшення зворотного струму, що може призвести до пробою \(p\)-\(n\)-переходу. У германієвих діодів, внаслідок великої величини зворотного струму, пробій має тепловий характер. У кремнієвих діодів ймовірність теплового пробою мала, вони переважає електричний пробій. Пробій кремнієвих діодів має лавинний характер, тому у них, на відміну від германієвих діодів, пробивна напруга підвищується зі збільшенням температури. Допустима зворотна напруга кремнієвих діодів (до 1600 В) значно перевищує аналогічний параметр германієвих діодів.

Зворотні струми значною мірою залежить від температури переходу. З малюнка видно, що зі зростанням температури зворотний струм зростає. Для наближеної оцінки вважатимуться, що з підвищенням температури на 10 °З зворотний струм германієвих діодів зростає 2, а кремнієвих - 2,5 разу. Верхня межа діапазону робочих температур германієвих діодів становить 75...80 °З, а кремнієвих - 125 °З. Істотним недоліком германієвих діодів є їхня висока чутливість до короткочасних імпульсних навантажень.

Внаслідок меншого зворотного струму кремнієвого діода його прямий струм, що дорівнює струму германієвого діода, досягається при більшому значенні прямої напруги. Тому потужність, що розсіюється при однакових струмах, у германієвих діодах менше, ніж у кремнієвих. Пряма напруга при малих прямих струмах, коли переважає падіння напруги на переході, зі зростанням температури зменшується. При великих струмах, коли переважає падіння напруги на опорі нейтральних областей напівпровідника, залежність прямої напруги від температури стає позитивною. Точка, в якій відсутня залежність прямої напруги від температури (тобто ця залежність змінює знак), називається точкою інверсії. У більшості діодів малої та середньої потужності допустимий прямий струм, як правило, не перевищує точки інверсії, а у потужних діодів допустимий струм може бути вищим за цю точку.

Що таке ідеальний діод?

Основне завдання звичайного випрямляючого діода - проводити електричний струм в одному напрямку, та не пропускати його у зворотному. Отже, ідеальний діод повинен бути дуже хорошим провідником з нульовим опором при прямому підключенні напруги (плюс до анода, мінус до катода), і абсолютним ізолятором з нескінченним опором при зворотному.

Ось так це виглядає на графіку:

Така модель діода використовується у випадках, коли важливою є лише логічна функція приладу. Наприклад, у цифровій електроніці.

ВАХ реального напівпровідникового діода

Однак на практиці, в силу своєї напівпровідникової структури, справжній діод має низку недоліків та обмежень у порівнянні з ідеальним діодом. Це можна побачити на графіку, наведеному нижче.

V ϒ (гама) - напруга порога провідності

При прямому включенні напруга на діоді повинна досягти певного порогового значення V ϒ . Ця напруга, при якій PN-перехід у напівпровіднику відкривається достатньо, щоб діод почав добре проводити струм. Перш ніж напруга між анодом і катодом досягне цього значення, діод є дуже поганим провідником. V у кремнієвих приладів приблизно 0.7V, у германієвих - близько 0.3V.

I D_MAX - максимальний струм через діод при прямому включенні

При прямому включенні напівпровідниковий діод здатний витримати обмежену силу струму I D_MAX. Коли струм через прилад перевищує цю межу, діод перегрівається. В результаті руйнується кристалічна структура напівпровідника і прилад стає непридатним. Величина цієї сили струму сильно коливається залежно від різних типів діодів та їх виробників.

I OP – зворотний струм витоку

При зворотному включенні діод не є абсолютним ізолятором і має кінцевий опір, хоч дуже високий. Це спричиняє утворення струму витоку або зворотного струму I OP . Струм витоку у германієвих приладів досягає до 200 µА, у кремнієвих до декількох десятків nА. Останні високоякісні кремнієві діоди з гранично низьким зворотним струмом мають цей показник близько 0.5 nA.

PIV (Peak Inverse Voltage) - Напруга пробою

При зворотному включенні діод здатний витримувати обмежену напругу – напругу пробою PIV. Якщо зовнішня різниця потенціалів перевищує це значення, діод різко знижує свій опір і перетворюється на провідник. Такий ефект небажаний, тому що діод має бути хорошим провідником лише при прямому включенні. Величина напруги пробою коливається залежно від різних типів діодів та їх виробників.

Найчастіше, для розрахунків в електронних схемах, не використовують точну модель діода з його характеристиками. Нелінійність цієї функції надто ускладнює завдання. Вважають за краще використовувати так звані наближені моделі.

Наближена модель діода «ідеальний діод + V?»

Найпростішою і найчастіше використовуваною є наближена модель першого рівня. Вона складається з ідеального діода і доданого до нього напруги порога провідності V ϒ .

Наближена модель діода «ідеальний діод + V ϒ + r D»

Іноді використовують більш складну і точну наближену модель другого рівня. У цьому випадку додають до моделі першого рівня внутрішній опір діода, перетворивши його функцію з експоненти на лінійну.