introduction
diode à semi-conducteur– un dispositif semi-conducteur avec une jonction électrique et deux bornes (électrodes). Contrairement aux autres types de diodes, le principe de fonctionnement d'une diode semi-conductrice repose sur le phénomène de jonction p-n.
Les jonctions p-n planes pour les diodes semi-conductrices sont obtenues par fusion, diffusion et épitaxie.
La désignation graphique conventionnelle (Fig. 1) dépend de la conception de la diode.
a B c d e F
une-diode ; b - diode zener; c - diode Zener symétrique;
d – diode tunnel ; e - varicap; e - diode inversée
Figure 1 - Désignation des diodes sur les schémas électriques
Principales caractéristiques et paramètres des diodes :
caractéristiques volt-ampère ;
Courant inverse constant de diode ;
Tension de diode inverse constante ;
Diode à courant direct constant ;
Gamme de fréquences de diodes ;
résistance différentielle;
- capacité ;
tension de claquage;
Puissance maximale autorisée ;
Le courant continu maximal admissible de la diode.
Types de diodes par objectif
Les diodes de redressement sont conçues pour convertir le courant alternatif en courant continu.
Les diodes à impulsions ont une courte durée de transitoires et sont conçues pour être utilisées dans des modes de fonctionnement pulsés.
Les diodes de détection sont conçues pour la détection de signal
Les diodes de mélange sont conçues pour convertir des signaux haute fréquence en un signal de fréquence intermédiaire.
Les diodes de commutation sont destinées à être utilisées dans les dispositifs de contrôle du niveau de puissance des micro-ondes.
Paramétrique
Les diodes de limitation (diacs, suppresseurs) sont conçues pour protéger les équipements radio et domestiques de la montée en tension du secteur.
multiplier
Réglage
Générateur
Types de diodes par gamme de fréquence
Basse fréquence
haute fréquence
Types de diodes par taille de jonction
planaire
Point
Types de diodes par conception
Diodes Schottky
diodes micro-ondes
Diodes Zener
Stabistors
Varicaps
LED
Photodiodes
Diode à avalanche
Diode à avalanche
Diode Gunn
diodes tunnel
diodes inversées
Caractéristique volt-ampère de la diode
Les paramètres techniques d'une diode sont principalement déterminés par sa caractéristique courant-tension (CVC), dont une vue typique est illustrée à la fig. 1. Les désignations et définitions des principaux paramètres des diodes et des thyristors sont régies par les normes: "Termes, définitions et désignations de lettres" GOST 20332-84. Deux branches typiques peuvent être distinguées sur la caractéristique : directe et inverse. La branche directe correspond à l'état passant de la diode avec la polarité de la tension directe. La branche inverse montre l'état fermé de la diode avec la polarité correspondante de la tension inverse. La branche directe est caractérisée par de petites valeurs de la tension directe sur la diode, et la branche inverse est caractérisée par de petites valeurs du courant, appelées inverses.
Figure 2 - CVC de la diode
Lorsqu'une source d'alimentation constante est connectée avec un "plus" à l'anode de la diode (zone de type p) et un "moins" à la cathode (zone de type n), la diode est à l'état ouvert et un courant circulera dans le circuit, dont la valeur dépend des propriétés de l'appareil et de la valeur de la tension appliquée. La polarité directe de la connexion détermine le mouvement des électrons de la région de type n vers la région de type p, et les "trous" de la région de type p se déplacent vers les électrons. Les porteurs se rencontrant dans la région de la jonction p-n se recombinent et cessent d'exister. Une charge de batterie négative fournira un nombre illimité d'électrons à la région n, tandis qu'une charge positive générera un nombre illimité de "trous" dans la région p. Dans ce cas, la résistance de la jonction p - n est faible, ce qui contribue à la circulation du courant continu.
Lorsque la source d'alimentation est reconnectée à l'appareil, les charges électriques sur la diode se comporteront différemment : les électrons dans la région de conduction n tendront vers une charge positive, s'éloignant de la jonction p-n. À leur tour, les trous dans la région de conductivité p commenceront à se déplacer vers l'électrode négative, s'éloignant également de la jonction p-n. En conséquence, la limite des régions de conductivité différente s'étendra et formera une zone appauvrie en porteurs. Une telle zone offre une grande résistance au courant, cependant, un petit échange de porteurs se produit toujours ici, ce qui signifie qu'il y a un courant, mais sa valeur est plusieurs fois inférieure à celle directe. Ce courant est appelé courant inverse de la diode.
Demande de service:
1) exécutez le programme Multisim ;
2) à l'aide de la bibliothèque intégrée de composants et d'appareils, établissez un schéma à partir de l'annexe A;
3) régler une tension sinusoïdale de 3V avec une fréquence de 5 Hz sur le générateur ;
4) démarrer la simulation, configurer l'oscilloscope en mode de balayage B-A de manière à ce que la branche directe (Fig. 2) du CVC de la diode soit clairement visible ;
5) arrêter la simulation, tracer le CVC de la diode ;
6) installer une tension sinusoïdale de 150 V avec une fréquence de 5 Hz sur le générateur ;
7) exécutez la simulation, configurez l'oscilloscope en mode de balayage B-A afin que la branche inverse (Fig. 2) de la diode CVC soit clairement visible ;
8) arrêter la simulation, tracer le CVC de la diode ;
10) mesurer le CVC d'une diode zener à semi-conducteur de la même manière (annexe B, paramètres du générateur - 4 V, 5 Hz) ;
11) faire un schéma du diac de l'annexe B;
12) mettre le multimètre en mode mesure courant, l'oscilloscope en mode base de temps classique ;
13) en augmentant la tension en commutant les enroulements du transformateur, assurez-vous que le fusible saute ;
14) arrêter la simulation, tirer des conclusions, expliquer ce qui se passe ;
15) établir un schéma du pont redresseur (Annexe D) ;
16) régler une tension sinusoïdale de 9 V avec une fréquence de 50 Hz sur le générateur ;
17) exécuter la simulation, configurer l'oscilloscope ;
18) étudier le circuit en modifiant la tension et en commutant la charge, pour obtenir un grillage de la lampe et des fusibles ;
19) arrêter la simulation, tirer des conclusions, dessiner des formes d'onde ;
20) établir un schéma d'étude de la diode (Annexe D) ;
21) lancer la simulation, basculer sur le générateur sinusoïdal, paramétrer les oscilloscopes ;
22) comparer les oscillogrammes de dispositifs parallèles ;
23) passer à une batterie à courant continu en changeant le curseur de la résistance variable R1 tracer la tension U2 (XMM2) contre la tension U1 (XMM1);
25) fermer le programme ;
26) répondre aux questions de contrôle.
Sur la fig. 2.9 montre la caractéristique courant-tension d'une diode de redressement au silicium à différentes températures ambiantes.
Les courants directs maximaux admissibles des diodes planaires au silicium de différents types sont de 0,1 ... 1600 A. La chute de tension aux bornes des diodes à ces courants ne dépasse généralement pas 1,5 V. Avec l'augmentation de la température, la chute de tension directe diminue, ce qui est associé à une diminution de la hauteur de la barrière de potentiel
p–n-transition et avec la redistribution des porteurs de charge sur les niveaux d'énergie.
La branche inverse de la caractéristique courant-tension des diodes au silicium n'a pas de section de saturation de courant inverse, car Le courant inverse dans les diodes au silicium est causé par le processus de génération de porteurs de charge dans p–n-transition. Le claquage des diodes au silicium a un caractère d'avalanche. Par conséquent, la tension de claquage augmente avec l'augmentation de la température. Pour certains types de diodes au silicium à température ambiante, la tension de claquage peut être de 1500 ... 2000 V.
La plage de température de fonctionnement des diodes de redressement au silicium est limitée à -60 ... +125 C. La limite inférieure des températures de fonctionnement est due à la différence des coefficients de température de dilatation linéaire de divers éléments de la conception de la diode: à basse température, des contraintes mécaniques apparaissent qui peuvent entraîner une fissuration du cristal. Avec une diminution de la température, il est également nécessaire de prendre en compte l'augmentation de la chute de tension continue aux bornes de la diode, qui se produit en raison d'une augmentation de la hauteur de la barrière de potentiel par p–n-transition.
La limite supérieure de la plage de températures de fonctionnement des diodes de redressement est déterminée par une forte détérioration du redressement due à une augmentation du courant inverse - la génération thermique de porteurs de charge résultant de l'ionisation des atomes semi-conducteurs affecte. Sur cette base, la limite supérieure de la plage de températures de fonctionnement des diodes de redressement au silicium, comme la plupart des autres dispositifs à semi-conducteurs, est associée à la bande interdite du matériau semi-conducteur d'origine.
Sur la fig. 2.10 montre la caractéristique courant-tension d'une diode redresseuse au germanium à différentes températures ambiantes.
La tension directe sur une diode au germanium au courant direct maximal autorisé est presque deux fois inférieure à celle d'une diode au silicium. Cela est dû à la hauteur plus faible de la barrière de potentiel de la transition germanium, ce qui est un avantage, mais malheureusement le seul.
Pour les diodes au germanium, l'existence d'un courant de saturation inverse est caractéristique, qui est associée au mécanisme de formation d'un courant inverse - le processus d'extraction des porteurs de charge mineurs.
La densité de courant inverse dans les diodes au germanium est beaucoup plus élevée, car toutes choses égales par ailleurs, la concentration en porteurs de charges minoritaires dans le germanium est supérieure de plusieurs ordres de grandeur à celle dans le silicium. Cela conduit au fait que pour les diodes au germanium, la panne a un caractère thermique. Par conséquent, la tension de claquage diminue avec l'augmentation de la température et les valeurs de cette tension sont inférieures aux tensions de claquage des diodes au silicium.
La limite supérieure de la plage de température de fonctionnement des diodes au germanium est d'environ 75 C.
Une caractéristique essentielle des diodes au germanium et leur inconvénient est qu'elles ne supportent pas les surcharges d'impulsion même à très court terme avec une polarisation inverse. p–n-transition. Ceci est déterminé par le mécanisme de claquage - claquage thermique qui se produit lorsque le courant est lié à la libération d'une grande puissance spécifique au site de claquage.
Les caractéristiques répertoriées des diodes de redressement au silicium et au germanium sont associées à la différence de bande interdite des semi-conducteurs d'origine. À partir d'une telle comparaison, on peut voir que les diodes de redressement avec une bande interdite plus grande présentent des avantages significatifs en termes de propriétés et de paramètres. Un tel représentant est l'arséniure de gallium.
À l'heure actuelle, les diodes de redressement à l'arséniure de gallium produites dans le commerce sont encore loin d'être optimales. Par exemple, une diode AD112A a un courant direct maximal admissible de 300 mA à une tension directe de 3 V. Une tension directe élevée est un inconvénient de toutes les diodes de redressement, p–n- dont les transitions sont formées dans un matériau à large bande interdite. La tension inverse maximale autorisée pour cette diode est de -50 V. Cela est probablement dû au fait que dans la région p–n-la transition a une grande concentration de défauts dus à l'imperfection de la technologie.
Les avantages des diodes de redressement à l'arséniure de gallium sont une large plage de températures de fonctionnement et de meilleures propriétés de fréquence. La limite supérieure de température de fonctionnement des diodes AD112A est de 250 C. Les diodes à l'arséniure de gallium AD110A peuvent fonctionner dans des redresseurs de faible puissance jusqu'à une fréquence de 1 MHz, ce qui est assuré par la courte durée de vie des porteurs de charge dans ce matériau.
Conclusion :
1. Avec une augmentation de la température, le courant inverse des diodes de redressement au germanium augmente fortement en raison d'une augmentation du courant thermique.
2. Les diodes au silicium ont un courant thermique très faible et peuvent donc fonctionner à des températures plus élevées et avec moins de courant inverse que les diodes au germanium.
3. Les diodes au silicium peuvent fonctionner à des tensions inverses beaucoup plus élevées que les diodes au germanium. La tension inverse directe maximale autorisée pour les diodes au silicium augmente avec l'augmentation de la température jusqu'à une valeur maximale, tandis que pour les diodes au germanium, elle chute fortement.
4. En raison de ces avantages, à l'heure actuelle, les diodes de redressement sont principalement fabriquées à base de silicium.
diode à semi-conducteur — Il s'agit d'un dispositif à semi-conducteur avec une jonction p-n et deux électrodes. Le principe de fonctionnement d'une diode à semi-conducteur est basé sur le phénomène de jonction p-n, par conséquent, pour une étude plus approfondie de tout dispositif à semi-conducteur, vous devez savoir comment cela fonctionne.
Diode redresseur (également appelée valve) est un type de diode semi-conductrice utilisée pour convertir le courant alternatif en courant continu.
Une diode a deux conducteurs (électrodes) une anode et une cathode. L'anode est attachée à la couche p, la cathode à la couche n. Lorsqu'un plus est appliqué à l'anode et un moins à l'anode (connexion directe de la diode), la diode laisse passer le courant. Si un moins est appliqué à l'anode et qu'un plus (allumage inverse de la diode) est appliqué à la cathode, le courant traversant la diode ne sera pas visible à partir de la caractéristique courant-tension de la diode. Ainsi, lorsqu'une tension alternative est fournie à l'entrée de la diode de redressement, une seule alternance la traverse.
Caractéristique volt-ampère (VAC) de la diode.
La caractéristique courant-tension de la diode est illustrée à la fig. I. 2. Le premier quadrant montre la branche directe de la caractéristique, qui décrit l'état de conductivité élevée de la diode avec une tension directe qui lui est appliquée, qui est linéarisée par une fonction linéaire par morceaux
u \u003d U 0 + R D je
où : u est la tension aux bornes de la vanne lors du passage du courant i ; U 0 - tension de seuil ; R d - résistance dynamique.
Dans le troisième quadrant se trouve la branche inverse de la caractéristique courant-tension, qui décrit l'état de faible conductivité lorsque la tension inverse est appliquée à la diode. Dans l'état de faible conductivité, le courant à travers la structure semi-conductrice ne circule pratiquement pas. Cependant, ceci n'est vrai que jusqu'à une certaine valeur de la tension inverse. À une tension inverse, lorsque l'intensité du champ électrique dans la jonction pn atteint environ 10 s V/cm, ce champ peut conférer aux porteurs de charge mobiles - des électrons et des trous qui apparaissent constamment dans tout le volume de la structure semi-conductrice en raison de la chaleur génération - une énergie cinétique suffisante pour l'ionisation des atomes de silicium neutres. Les trous et les électrons de conduction résultants, à leur tour, sont accélérés par le champ électrique de la jonction p-n et ionisent également les atomes de silicium neutres. Dans ce cas, une augmentation en avalanche du courant inverse se produit, .t. e.crise d'avalanche.
La tension à laquelle il y a une forte augmentation du courant inverse, appelée tension de claquage U 3 .
Aujourd'hui, les diodes peuvent être trouvées dans presque tous les appareils électroménagers. Beaucoup assemblent même certains appareils dans leur laboratoire à domicile. Mais pour utiliser correctement ces éléments du circuit électrique, vous devez savoir quel est le CVC de la diode. C'est sur cette caractéristique que cet article se concentrera.
Ce que c'est
CVC signifie caractéristique courant-tension d'un semi-conducteur à diode. Il reflète la dépendance du courant qui traverse la jonction p-n de la diode. La caractéristique I – V détermine la dépendance du courant à l'amplitude, ainsi que la polarité de la tension appliquée. La caractéristique courant-tension a la forme d'un graphique (schéma). Ce graphique ressemble à ceci :
CVC pour diode
Pour chaque type de diode, la courbe I – V aura sa propre forme spécifique. Comme vous pouvez le voir, le graphique contient une courbe. Sur la verticale en haut, les valeurs de courant continu (connexion directe) sont marquées ici, et en bas - en sens inverse. Mais le diagramme horizontal et le graphique affichent la tension, de la même manière dans le sens avant et arrière. Ainsi, le circuit caractéristique courant-tension sera composé de deux parties :
- haut et côté droit - l'élément fonctionne dans le sens avant. Il reflète le débit. La ligne dans cette partie monte brusquement. Il caractérise une augmentation significative de la tension directe ;
- partie inférieure gauche - l'élément agit dans la direction opposée. Il correspond au courant fermé (inverse) à travers la jonction. Ici, la ligne est presque parallèle à l'axe horizontal. Il reflète la lente montée du courant inverse.
Noter! Plus la partie supérieure verticale du graphique est raide et plus la ligne inférieure est proche de l'axe horizontal, meilleures seront les propriétés de redressement du semi-conducteur.
Il est à noter que le CVC dépend fortement de la température ambiante. Par exemple, une augmentation de la température de l'air peut entraîner une forte augmentation du courant inverse.
Vous pouvez construire un VAC de vos propres mains comme suit :
- prendre l'alimentation électrique ;
- nous le connectons à n'importe quelle diode (moins à la cathode et plus à l'anode);
- Prenez des mesures avec un multimètre.
À partir des données obtenues, la caractéristique courant-tension d'un élément particulier est construite. Son schéma ou graphique peut ressembler à ceci.
IV non linéaire
Le graphique montre le CVC, qui dans cette conception est appelé non linéaire.
Considérons les exemples de divers types de semi-conducteurs. Pour chaque cas individuel, cette caractéristique aura son propre calendrier, bien qu'ils soient tous de la même nature avec seulement des changements mineurs.
VCA pour Schottky
L'une des diodes les plus courantes aujourd'hui est la Schottky. Ce semi-conducteur porte le nom du physicien allemand Walter Schottky. Pour Schottky, la caractéristique courant-tension aura la forme suivante.
VCA pour Schottky
Comme vous pouvez le voir, Schottky se caractérise par une petite chute de tension dans une situation de connexion directe. Le graphique lui-même est clairement asymétrique. Dans la zone des polarisations directes, une augmentation exponentielle du courant et de la tension est observée. Avec une polarisation inverse et directe pour un élément donné, le courant dans la barrière est dû aux électrons. En conséquence, ces éléments se caractérisent par une action rapide, car ils n'ont pas de processus diffus et de recombinaison. Dans ce cas, l'asymétrie du CVC sera typique des structures de type barrière. Ici, la dépendance du courant à la tension est déterminée en modifiant le nombre de porteurs qui participent aux processus de transfert de charge.
Diode au silicium et son CVC
En plus de Schottky, les semi-conducteurs au silicium sont actuellement très populaires. Pour une diode de type silicium, la caractéristique courant-tension ressemble à ceci.
CVC de diode au silicium et au germanium
Pour de tels semi-conducteurs, cette caractéristique commence à environ 0,5-0,7 Volts. Les semi-conducteurs au silicium sont souvent comparés aux semi-conducteurs au germanium. Si les températures ambiantes sont égales, les deux appareils présenteront une bande interdite. Dans ce cas, l'élément en silicium aura un courant direct inférieur à celui du germanium. La même règle s'applique au courant inverse. Par conséquent, dans les semi-conducteurs au germanium, le claquage thermique se produit généralement immédiatement s'il existe une tension inverse importante.
En conséquence, en présence de la même température et de la même tension directe, la barrière de potentiel des semi-conducteurs au silicium sera plus élevée et le courant d'injection sera plus faible.
VCA et diode de redressement
En conclusion, je voudrais considérer cette caractéristique pour une diode redresseuse. Une diode redresseuse est un type de semi-conducteur utilisé pour convertir le courant alternatif en courant continu.
CVC pour diode de redressement
Le diagramme montre le CVC expérimental et le théorique (ligne pointillée). Comme vous pouvez le voir, ils ne correspondent pas. La raison en est que certains facteurs n'ont pas été pris en compte pour les calculs théoriques :
- la présence de résistance ohmique des régions de base et d'émetteur du cristal ;
- ses conclusions et contacts ;
- la possibilité de courants de fuite le long de la surface du cristal ;
- le déroulement des processus de recombinaison et de génération dans la transition pour les porteurs ;
- divers types de pannes, etc.
Tous ces facteurs peuvent avoir des influences différentes, conduisant à s'écarter de la caractéristique théorique réelle courant-tension. De plus, la température ambiante a un impact significatif sur l'aspect du graphique dans cette situation.
La courbe I-V d'une diode redresseuse démontre la conductivité élevée de l'appareil au moment où une tension lui est appliquée dans le sens direct. Dans le sens opposé, une faible conductivité est observée. Dans une telle situation, le courant traversant l'élément ne circule pratiquement pas dans le sens opposé. Mais cela ne se produit qu'à certains paramètres de tension inverse. S'il est dépassé, le graphique montre une augmentation du courant semblable à une avalanche dans la direction opposée.
Conclusion
La caractéristique courant-tension des éléments de diode est considérée comme un paramètre important, reflétant les spécificités de la conduction du courant dans les sens inverse et direct. Elle est déterminée en fonction de la tension et de la température ambiante.
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La caractéristique courant-tension (CVC) est un graphique de la dépendance du courant dans le circuit externe d'une jonction p-n sur la valeur et la polarité de la tension qui lui est appliquée. Cette dépendance peut être obtenue expérimentalement ou calculée sur la base de l'équation caractéristique courant-tension . Le courant thermique de la jonction pn dépend de la concentration en impuretés et de la température. Une augmentation de la température de la jonction pn entraîne une augmentation du courant thermique, et, par conséquent, une augmentation des courants direct et inverse. Une augmentation de la concentration en dopants entraîne une diminution du courant thermique, et, par conséquent , à une diminution des courants continus et inverses de la jonction pn.
14. Pannep- n- transition- appelé un changement brusque du mode de fonctionnement de la transition, qui est sous tension inverse. Accompagné
Une forte augmentation du courant inverse, avec une tension inverse légèrement décroissante et même décroissante :
Trois types de panne :
1. Tunnel (électrique) - le phénomène du passage des électrons à travers une barrière de potentiel;
2. Avalanche (électrique) - se produit si, lors du déplacement jusqu'à la prochaine collision avec un atome, un trou (électron) acquiert une énergie suffisante pour ioniser l'atome;
3. Panne thermique (irréversible) - se produit lorsque le semi-conducteur est chauffé et l'augmentation correspondante de la conductivité.
15. Diode de redressement : but, wah, paramètres de base, angle
Les diodes de redressement sont utilisées pour convertir le courant alternatif en un courant pulsé dans une direction et sont utilisées dans les alimentations électriques des équipements électroniques.
diodes de redressement au germanium
La fabrication des diodes de redressement au germanium commence par la fusion de l'indium dans la tranche de germanium de type n d'origine. À son tour, la plaque d'origine est soudée à un support en cristal d'acier pour les diodes de redressement à faible puissance ou à une base en cuivre pour les diodes de redressement à haute puissance. 
Figure 24 Conception de diodes en alliage à faible puissance. 1- porte-cristal ; 2 - cristal; 3 - int. conclusion; 4 - cas insidieux ; 5 - isolant; 6 - tube de kovar; 7 - sortie externe
RizDiode au germanium 25 CVC
D'après la figure 25, on peut voir qu'avec l'augmentation de la température, le courant inverse de la diode augmente dans une large mesure et la valeur de la tension de claquage diminue.
Les diodes au germanium à usages divers ont une valeur de courant redressé de 0,3 à 1000A. La chute de tension directe ne dépasse pas 0,5 V et la tension inverse admissible est de 400 V. L'inconvénient des diodes au germanium est leur panne irréversible même avec des surcharges d'impulsion à court terme.
Diodes de redressement au silicium
Pour obtenir une jonction pn dans les diodes de redressement au silicium, l'aluminium est fusionné dans un cristal de silicium de type n, ou un alliage d'or et d'antimoine dans du silicium de type p. Des méthodes de diffusion sont également utilisées pour obtenir des transitions. La conception d'un certain nombre de diodes au silicium de faible puissance ne diffère pratiquement pas des conceptions de diodes au germanium similaires.
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