Introducere
Dioda semiconductoare– dispozitiv semiconductor cu o joncțiune electrică și două fire (electrozi). Spre deosebire de alte tipuri de diode, principiul de funcționare al unei diode semiconductoare se bazează pe fenomenul de joncțiune pn.
Joncțiunile pn plane pentru diodele semiconductoare sunt obținute prin fuziune, difuzie și epitaxie.
Denumirea grafică convențională (Fig. 1) depinde de designul diodei.
a B C D E F
a - diodă; b - dioda zener; c - dioda zener simetrica;
g - dioda tunel; d - varicap; e - diodă inversată
Figura 1 - Desemnarea diodelor pe diagrame schematice
Principalele caracteristici și parametri ai diodelor:
Caracteristici volt-amper;
Dioda de curent invers constant;
Diodă de tensiune inversă constantă;
Curent direct constant al diodei;
Gama de frecvență a diodei;
Rezistenta diferentiala;
- capacitate;
Tensiune de avarie;
Putere maxima admisa;
Curentul direct constant maxim admisibil al diodei.
Tipuri de diode după scop
Diodele redresoare sunt proiectate pentru a converti AC în DC.
Diodele cu impulsuri au o durată scurtă de procese tranzitorii și sunt destinate utilizării în moduri de operare în impulsuri.
Diodele detectoare sunt proiectate pentru detectarea semnalului
Diodele de amestecare sunt concepute pentru a converti semnalele de înaltă frecvență într-un semnal de frecvență intermediară.
Diodele de comutare sunt destinate utilizării în dispozitivele de control al puterii cu microunde.
Parametric
Diodele de limitare (diac, supresoare) sunt concepute pentru a proteja echipamentele radio și de uz casnic de creșterea tensiunii de la rețea.
Multiplicativ
Tuning
Generator
Tipuri de diode după intervalul de frecvență
Frecventa joasa
Frecventa inalta
Tipuri de diode în funcție de dimensiunea joncțiunii
Avion
Punct
Tipuri de diode după proiectare
Diode Schottky
Diode cu microunde
Diode Zener
Stabilizatoare
Varicaps
LED-uri
Fotodiode
Diodă de avalanșă
Diodă de avalanșă
Dioda Gunn
Diode tunel
Diode inversate
Caracteristica curent-tensiune a diodei
Parametrii tehnici ai diodei sunt determinați în principal de caracteristica curent-tensiune (VAC), a cărei formă tipică este prezentată în Fig. 1. Denumirile și definițiile parametrilor principali ai diodelor și tiristoarelor sunt reglementate de standardele: „Termeni, definiții și denumiri de litere” GOST 20332-84. Pe caracteristică se pot distinge două ramuri tipice: înainte și înapoi. Ramura directă corespunde stării conducătoare a diodei cu polaritatea tensiunii directe. Ramura inversă arată starea închisă a diodei cu polaritatea corespunzătoare a tensiunii inverse. Ramura directă este caracterizată de valori mici ale tensiunii directe pe diodă, iar ramura inversă se caracterizează prin valori mici ale curentului, numite inversă.
Figura 2 - Caracteristica I - V a unei diode
Când o sursă de alimentare constantă este conectată cu un „plus” la anodul diodei (regiunea de tip p) și un „minus” la catod (regiunea de tip n), dioda se dovedește a fi în stare deschisă iar în circuit va curge un curent, a cărui valoare depinde de proprietățile dispozitivului și de valoarea tensiunii aplicate. Polaritatea directă a conexiunii determină mișcarea electronilor din regiunea de tip n către regiunea de tip p, iar „găurile” din regiunea de tip p se deplasează spre electroni. Întâlnindu-se în regiunea tranziției p - n, purtătorii se recombină și încetează să mai existe. O încărcare negativă a bateriei livrează un număr nelimitat de electroni în regiunea n, iar una pozitivă va genera un număr nelimitat de „găuri” în regiunea p. În acest caz, rezistența joncțiunii p - n este mică, ceea ce contribuie la fluxul de curent continuu.
Când sursa de alimentare este reconectată la dispozitiv, sarcinile electrice de pe diodă se vor comporta diferit: electronii din regiunea n conducție vor tinde către o sarcină pozitivă, îndepărtându-se de joncțiunea p - n. La rândul lor, găurile din regiunea de conducție p vor începe să se deplaseze către electrodul negativ, depărtându-se și de joncțiunea p - n. Ca rezultat, granița regiunilor cu conductivitate diferită se va extinde și va forma o zonă epuizată în orice purtători. O astfel de zonă are o rezistență mare la curent, dar aici are loc încă un mic schimb de purtători, ceea ce înseamnă că există și un curent, dar magnitudinea sa este de multe ori mai mică decât cea directă. Acest curent se numește curent invers al diodei.
Comandă de lucru:
1) rulați programul „Multisim”;
2) folosind biblioteca încorporată de componente și dispozitive, creați un circuit din Anexa A;
3) setați o tensiune sinusoidală de 3V cu o frecvență de 5 Hz pe generator;
4) începeți simularea, setați osciloscopul în modul de baleiaj BA-A, astfel încât ramura directă (Fig. 2) a VAC-ului diodei să fie clar vizibilă;
5) opriți simularea, schițați caracteristica curent-tensiune a diodei;
6) setați o tensiune sinusoidală de 150 V cu o frecvență de 5 Hz pe generator;
7) începeți simularea, setați osciloscopul în modul de baleiaj BA-A, astfel încât ramura inversă (Fig. 2) a VAC-ului diodei să fie clar vizibilă;
8) opriți simularea, schițați caracteristica curent-tensiune a diodei;
10) în mod similar, măsurați caracteristica I - V a unei diode zener semiconductoare (Anexa B, setările generatorului - 4 V, 5 Hz);
11) întocmește o diagramă pentru diac din Anexa B;
12) setați multimetrul în modul curent de măsurare, osciloscopul în modul normal de bază de timp;
13) prin creșterea tensiunii prin comutarea înfășurărilor transformatorului, asigurați-vă că siguranța a ars;
14) opriți simularea, trageți concluzii, explicați ce se întâmplă;
15) întocmește o schemă punte redresoare (Anexa D);
16) setați o tensiune sinusoidală de 9 V cu o frecvență de 50 Hz pe generator;
17) rulați simularea, configurați osciloscopul;
18) investigați circuitul, schimbând tensiunea și comutând sarcina, pentru a arde lampa și siguranțe;
19) opriți simularea, trageți concluzii, schițați oscilograme;
20) întocmește o diagramă pentru studiul unei diode (Anexa D);
21) rulați simularea, comutați la generatorul de undă sinusoidală, configurați osciloscoapele;
22) compara oscilogramele dispozitivelor paralele;
23) comutați la o baterie DC, prin schimbarea motorului rezistenței variabile R1, construiți dependența tensiunii U2 (XMM2) de tensiunea U1 (XMM1);
25) închide programul;
26) răspunde la întrebările de securitate.
În fig. 2.9 prezintă caracteristica curent-tensiune a unei diode redresoare cu siliciu la diferite temperaturi ambientale.
Curenții direct admisibili maximi ai diodelor plane de siliciu de diferite tipuri sunt 0,1 ... 1600 A. Căderea de tensiune între diode la acești curenți nu depășește de obicei 1,5 V. Odată cu creșterea temperaturii, scăderea tensiunii directe scade, ceea ce este asociat cu scăderea înălţimii barierei de potenţial
p – n-tranziție și cu redistribuirea purtătorilor de sarcină pe niveluri de energie.
Ramura inversă a caracteristicii curent-tensiune a diodelor de siliciu nu are o secțiune de saturație a curentului invers, deoarece Curentul invers în diodele de siliciu este cauzat de procesul de generare a purtătorilor de sarcină în p – n-tranziție. Defalcarea diodelor de siliciu are un caracter de avalanșă. Prin urmare, tensiunea de avarie crește odată cu creșterea temperaturii. Pentru unele tipuri de diode de siliciu la temperatura camerei, tensiunea de defalcare poate fi de 1500 ... 2000 V.
Intervalul de temperatură de funcționare pentru diodele redresoare de siliciu este limitat la -60 ... + 125 C. Limita inferioară a temperaturilor de funcționare se datorează diferenței dintre coeficienții de temperatură de expansiune liniară a diferitelor elemente ale structurii diodei: la temperaturi scăzute apar solicitări mecanice, care pot duce la fisurarea cristalului. Odată cu scăderea temperaturii, este, de asemenea, necesar să se ia în considerare o creștere a căderii de tensiune directă pe diodă, care apare din cauza creșterii înălțimii barierei de potențial cu p – n-tranziție.
Limita superioară a intervalului de temperatură de funcționare a diodelor redresoare este determinată de o deteriorare bruscă a redresării din cauza creșterii curentului invers - afectează generarea termică a purtătorilor de sarcină ca urmare a ionizării atomilor semiconductori. Pe baza acestui fapt, limita superioară a intervalului de temperatură de funcționare a diodelor redresoare de siliciu, ca majoritatea celorlalte dispozitive semiconductoare, este asociată cu banda interzisă a materialului semiconductor original.
În fig. 2.10 prezintă caracteristica curent-tensiune a unei diode redresoare cu germaniu la diferite temperaturi ambientale.
Tensiunea directă la o diodă cu germaniu la curentul direct admisibil este aproape jumătate din cea a unei diode de siliciu. Acest lucru se datorează înălțimii mai mici a barierei potențiale la tranziția germaniului, ceea ce este un avantaj, dar, din păcate, singurul.
Pentru diodele cu germaniu, este caracteristică existența unui curent de saturație inversă, care este asociat cu mecanismul de formare a curentului invers - procesul de extracție a purtătorilor de sarcină minoritari.
Densitatea de curent invers în diodele cu germaniu este mult mai mare, deoarece toate celelalte lucruri fiind egale, concentrația purtătorilor de sarcină minoritari în germaniu este cu câteva ordine de mărime mai mare decât în siliciu. Aceasta duce la faptul că pentru diodele cu germaniu defalcarea are un caracter termic. Prin urmare, tensiunea de defalcare scade odată cu creșterea temperaturii, iar valorile acestei tensiuni sunt mai mici decât tensiunea de defalcare a diodelor de siliciu.
Limita superioară a intervalului de temperatură de funcționare pentru diodele cu germaniu este de aproximativ 75 ° C.
O caracteristică esențială a diodelor cu germaniu și dezavantajul lor este că nu rezistă nici măcar la suprasarcinile de impuls pe termen foarte scurt cu polarizare inversă. p – n-tranziție. Acest lucru este determinat de mecanismul de defecțiune - o defecțiune termică care are loc atunci când curentul este asociat cu eliberarea unei puteri specifice mari la locul de defecțiune.
Caracteristicile enumerate ale diodelor redresoare cu siliciu și germaniu sunt asociate cu diferența de bandă interzisă a semiconductorilor originali. Această comparație arată că diodele redresoare cu o bandă interzisă mai mare au avantaje semnificative în proprietăți și parametri. Unul dintre acești reprezentanți este arseniura de galiu.
În prezent, diodele redresoare cu arseniură de galiu disponibile în comerț sunt încă departe de a fi optime. De exemplu, o diodă de tip AD112A are un curent direct maxim admisibil de 300 mA la o tensiune directă de 3 V. O cantitate mare de tensiune directă este un dezavantaj al tuturor diodelor redresoare, p – n-ale căror tranziții se formează într-un material cu bandă interzisă largă. Tensiunea inversă maximă admisă pentru această diodă este -50 V. Acest lucru se datorează cel mai probabil faptului că în regiune p – n-tranzitie exista o mare concentratie de defecte datorita tehnologiei imperfecte.
Avantajele diodelor redresoare cu arseniură de galiu sunt un domeniu larg de temperatură de funcționare și proprietăți de frecvență mai bune. Limita superioară a temperaturilor de funcționare pentru diodele AD112A este de 250 C. Diodele cu arseniură de galiu AD110A pot funcționa în redresoare de putere redusă până la o frecvență de 1 MHz, ceea ce este asigurat de o durată scurtă de viață a purtătorilor de încărcare din acest material.
Concluzii:
1. Cu o creștere a temperaturii, curentul invers al diodelor redresoare cu germaniu crește brusc din cauza creșterii curentului termic.
2. Diodele cu siliciu au un curent termic foarte scăzut și, prin urmare, pot funcționa la temperaturi mai ridicate și cu un curent invers mai mic decât diodele cu germaniu.
3. Diodele cu siliciu pot funcționa la tensiuni inverse semnificativ mai mari decât diodele cu germaniu. Tensiunea inversă constantă maximă admisă pentru diodele cu siliciu crește odată cu creșterea temperaturii până la o valoare maximă, în timp ce pentru diodele cu germaniu scade brusc.
4. Datorită acestor avantaje, diodele redresoare sunt în prezent fabricate în principal pe bază de siliciu.
Dioda semiconductoare — este un dispozitiv semiconductor cu o joncțiune pn și doi electrozi. Principiul de funcționare al unei diode semiconductoare se bazează pe fenomenul de joncțiune pn, prin urmare, pentru a studia în continuare orice dispozitive semiconductoare, trebuie să știți cum funcționează.
Dioda redresoare (numită și supapă) este un tip de diodă semiconductoare care transformă curentul alternativ în curent continuu.
O diodă are două fire (electrozi), un anod și un catod. Anodul este conectat la stratul p, catodul la stratul n. Când se aplică un plus anodului și un minus anodului (pornirea directă a diodei), dioda trece curent. Dacă anodului i se aplică un minus și un plus (pornirea inversă a diodei) curentului prin diodă către catod, acest lucru nu se va vedea din caracteristica curent-tensiune a diodei. Prin urmare, atunci când o tensiune alternativă este furnizată la intrarea diodei redresoare, doar o jumătate de undă trece prin aceasta.
Caracteristica curent-tensiune (VAC) a diodei.
Caracteristica curent-tensiune a diodei este prezentată în Fig. I. 2. În primul cadran este prezentată ramura directă a caracteristicii, care descrie starea de conductivitate ridicată a diodei atunci când i se aplică tensiunea directă, care este liniarizată de funcția liniară pe bucăți
u = U 0 + R D i
unde: u este tensiunea pe supapă când trece curentul i; U 0 - tensiune de prag; R d - rezistenta dinamica.
Cel de-al treilea cadran conține ramura inversă a caracteristicii curent-tensiune, care descrie starea de conductivitate scăzută atunci când tensiunea inversă este plasată pe diodă. Într-o stare de conductivitate scăzută, nici un curent nu trece prin structura semiconductoare. Cu toate acestea, acest lucru este valabil doar până la o anumită valoare a tensiunii inverse. Cu o tensiune inversă, atunci când intensitatea câmpului electric în joncțiunea pn atinge aproximativ 10 s V / cm, acest câmp poate transmite purtătorilor de sarcină mobili - electroni și găuri, apărând constant în întregul volum al structurii semiconductoare ca urmare a temperaturii. generare - energie cinetică suficientă pentru ionizarea atomilor neutri de siliciu. Găurile rezultate și electronii de conducere, la rândul lor, sunt accelerați de câmpul electric al joncțiunii p-n și, de asemenea, ionizează atomii neutri de siliciu. În acest caz, are loc o creștere asemănătoare unei avalanșe a curentului invers, .t. e. avarii de avalanșă.
Tensiunea la care există o creștere bruscă a curentului invers, se numește tensiunea de rupere U 3.
Astăzi, diodele pot fi găsite în aproape orice aparat de uz casnic. Mulți chiar asamblează unele dintre dispozitive în laboratorul lor de acasă. Dar, pentru a utiliza corect aceste elemente ale circuitului electric, trebuie să știți care este caracteristica curent-tensiune a diodei. Această caracteristică îi va fi dedicat acest articol.
Ce este
VAC reprezintă caracteristica curent-tensiune a unui semiconductor cu diodă. Reflectă dependența curentului care trece prin joncțiunea pn a diodei. Caracteristica I – V determină dependența curentului de mărime, precum și de polaritatea tensiunii aplicate. Caracteristica curent-tensiune are forma unui grafic (diagramă). Acest grafic arată astfel:
CVC pentru diodă
Pentru fiecare tip de diodă, graficul caracteristic I - V va avea propria sa formă specifică. După cum puteți vedea, graficul conține o curbă. Valorile curentului direct (conexiune directă) sunt afișate aici vertical în partea de sus și în direcția opusă în partea de jos. Dar liniile orizontale ale diagramei și ale graficului arată tensiunea, în mod similar în direcțiile înainte și invers. Astfel, circuitul caracteristic curent-tensiune va consta din două părți:
- partea de sus și dreapta - elementul funcționează în direcția înainte. Reflectă curentul direct. Linia din această parte crește brusc. Caracterizează o creștere semnificativă a tensiunii directe;
- stânga jos - elementul acționează în direcția opusă. Ea corespunde unui curent închis (invers) prin joncțiune. Aici linia merge aproape paralelă cu axa orizontală. Reflectă creșterea lentă a curentului invers.
Notă! Cu cât partea superioară verticală a graficului este mai abruptă și cu cât linia inferioară este mai aproape de axa orizontală, cu atât proprietățile redresorului semiconductorului vor fi mai bune.
Trebuie remarcat faptul că caracteristica I – V este foarte dependentă de temperatura ambiantă. De exemplu, o creștere a temperaturii aerului poate duce la o creștere bruscă a curentului invers.
Puteți construi un CVC cu propriile mâini, după cum urmează:
- luăm sursa de alimentare;
- îl conectăm la orice diodă (minus la catod și plus la anod);
- cu ajutorul unui multimetru facem măsurători.
Din datele obținute, caracteristica curent-tensiune este construită pentru un anumit element. Diagrama sau graficul acestuia poate fi după cum urmează.
Caracteristica I - V neliniară
Graficul arată caracteristica I - V, care în acest proiect este numită neliniară.
Să ne uităm la exemple de diferite tipuri de semiconductori. Pentru fiecare caz individual, această caracteristică va avea propriul program, deși toate vor fi aceleași, cu doar modificări minore.
VAC pentru Schottky
Una dintre cele mai comune diode astăzi este Schottky. Acest semiconductor a fost numit după fizicianul german Walter Schottky. Pentru Schottky, caracteristica curent-tensiune va fi după cum urmează.
I - V caracteristică pentru schottky
După cum puteți vedea, Schottky se caracterizează printr-o mică cădere de tensiune într-o situație de conectare directă. Graficul în sine este clar asimetric. În zona de polarizare directă, se observă o creștere exponențială a curentului și tensiunii. Cu polarizarea inversă și directă pentru un element dat, curentul din barieră se datorează electronilor. Drept urmare, astfel de elemente se caracterizează printr-o acțiune rapidă, deoarece nu există procese difuze și de recombinare. În acest caz, asimetria caracteristicii I – V va fi tipică pentru structurile de tip barieră. Aici, dependența curentului de tensiune este determinată de modificarea numărului de purtători care participă la procesele de transfer de sarcină.
Dioda de siliciu și caracteristica sa I - V
Pe lângă Schottky, semiconductorii de siliciu sunt în prezent foarte populari. Pentru o diodă de tip siliciu, caracteristica curent-tensiune arată astfel.
CVC de diodă de siliciu și germaniu
Pentru astfel de semiconductori, această caracteristică începe de la aproximativ 0,5-0,7 volți. Semiconductorii de siliciu sunt adesea comparați cu semiconductorii de germaniu. Dacă temperaturile ambientale sunt egale, atunci ambele dispozitive vor prezenta o bandă interzisă. În acest caz, elementul de siliciu va avea un curent direct mai mic decât de la germaniu. Aceeași regulă se aplică curentului invers. Prin urmare, în semiconductorii cu germaniu, defalcarea termică are loc de obicei imediat dacă există o tensiune inversă mare.
Ca urmare, în prezența aceleiași temperaturi și tensiuni directe, bariera de potențial pentru semiconductorii de siliciu va fi mai mare, iar curentul de injecție va fi mai mic.
CVC și diodă redresoare
În concluzie, aș dori să iau în considerare această caracteristică pentru o diodă redresoare. O diodă redresoare este un tip de semiconductor care este folosit pentru a converti curentul alternativ în curent continuu.
VAC pentru dioda redresoare
Diagrama prezintă caracteristica experimentală I - V și teoretică (linie întreruptă). După cum puteți vedea, nu se potrivesc. Motivul pentru aceasta constă în faptul că unii factori nu au fost luați în considerare pentru calculele teoretice:
- prezența rezistenței ohmice a regiunilor de bază și emițătoare ale cristalului;
- constatările și contactele sale;
- prezența posibilității curenților de scurgere pe suprafața cristalului;
- cursul proceselor de recombinare și generare în tranziția pentru purtători;
- diverse tipuri de avarii etc.
Toți acești factori pot avea un efect diferit, conducând la o abatere de la caracteristica curent-tensiune reală teoretică. Mai mult, temperatura mediului are un efect semnificativ asupra aspectului graficului în această situație.
Caracteristica I - V pentru o diodă redresoare demonstrează o conductivitate ridicată a dispozitivului atunci când i se aplică o tensiune în direcția înainte. În direcția opusă, se observă o conductivitate scăzută.Într-o astfel de situație, curentul prin element practic nu curge în direcția opusă. Dar acest lucru se întâmplă doar cu anumiți parametri ai tensiunii inverse. Dacă este depășit, atunci graficul arată o creștere asemănătoare unei avalanșe a curentului în direcția opusă.
Concluzie
Caracteristica curent-tensiune pentru elementele de diodă este considerată un parametru important, reflectând specificul conducerii curentului în sens invers și înainte. Se determină în funcție de tensiune și temperatura ambiantă.
Rezolvarea problemei pâlpâirii benzilor LED în starea de pornire
„Ochi de înger” pentru mașina cu propria sa mână
Structuri suport pentru iluminatul exterior: ce trebuie să știți
Caracteristica curent-tensiune (VAC) este un grafic al dependenței curentului din circuitul extern al joncțiunii p-n de valoarea și polaritatea tensiunii aplicate acesteia. Această dependență poate fi obținută experimental sau calculată pe baza ecuației caracteristice curent-tensiune . Curentul termic al joncțiunii pn depinde de concentrația de impurități și de temperatură. O creștere a temperaturii joncțiunii pn duce la o creștere a curentului termic și, în consecință, la o creștere a curenților directe și invers.O creștere a concentrației de dopant duce la o scădere a curentului termic, și, în consecință, la o scădere a curenților directe și invers ai joncțiunii pn.
14. Defalcarep- n-Tranziție- se numește o schimbare bruscă a modului de funcționare al joncțiunii, care este sub tensiune inversă. Acompaniind
O creștere bruscă a curentului invers, cu o tensiune inversă ușor în scădere și chiar descrescătoare:
Trei tipuri de defalcare:
1. Tunel (electric) - fenomenul trecerii electronilor printr-o bariera de potential;
2. Avalanșă (electrică) - apare dacă, la deplasarea înainte de următoarea ciocnire cu atomul, gaura (electronul) capătă energie suficientă pentru a ioniza atomul;
3. Defalcare termică (ireversibilă) - apare atunci când semiconductorul se încălzește și creșterea corespunzătoare a conductivității.
15. Dioda redresoare: scop, ceara, parametri de baza, ugo
Diodele redresoare sunt folosite pentru a converti curentul alternativ în curent pulsatoriu dintr-o singură direcție și sunt utilizate în sursele de alimentare pentru echipamente electronice.
Diode redresoare cu germaniu
Fabricarea diodelor redresoare cu germaniu începe prin fuzionarea indiului în placa semiconductoare de germaniu de tip n originală. La rândul său, placa originală este lipită la un suport de cristal din oțel pentru diode redresoare de putere redusă sau la o bază de cupru pentru diode redresoare de mare putere. 
Fig. 24 proiectarea unei diode din aliaj de putere redusă. 1- suport de cristal; 2 - cristal; 3 - int. ieșire; 4 - corp insidios; 5 - izolator; 6 - teava de kovar; 7 - ieșire externă
Orez25 VAC de diodă cu germaniu
Din fig. 25 se poate observa că odată cu creșterea temperaturii, curentul invers al diodei crește semnificativ, iar valoarea tensiunii de avarie scade.
Diodele cu germaniu pentru diverse scopuri au un curent redresat de la 0,3 la 1000A. Căderea de tensiune directă nu depășește 0,5 V, iar tensiunea inversă admisă este de 400 V. Dezavantajul diodelor cu germaniu este defectarea lor ireversibilă chiar și cu supraîncărcări de impuls pe termen scurt.
Diode redresoare din siliciu
Pentru a obține o joncțiune p-n în diodele redresoare de siliciu, aluminiul este topit într-un cristal de siliciu de tip n sau un aliaj de aur cu antimoniu în siliciu de tip p. Pentru a obține tranziții se folosesc și metode de difuzie. Designul unui număr de diode de siliciu de putere redusă practic nu diferă de designul diodelor similare cu germaniu.
Se încarcă ...