Вольт-амперная характеристика полупроводниковых диодов: типовые ВАХи

Что такое вольт-амперная характеристика (ВАХ)

ВАХ — это вольт-амперная характеристика, а точнее зависимость тока от напряжения в любом радиоэлементе. Это может быть резистор, диод, транзистор и другие радиоэлементы. Поскольку транзистор имеет более двух проводников, он имеет много ВАХ.

Думаю, не все, кто читает эту статью, хорошо учились в школе. Поэтому давайте выясним, какова зависимость одной величины от другой. Как вы помните из школы, мы построили графики зависимости y (Y) от x (X). Мы построили вертикально переменную, которая зависит от другой переменной, а по горизонтали — независимую. В результате мы получили способ визуализировать зависимость «Y» от «X”:

Итак, дорогие мои читатели, в электронике для описания зависимости тока от напряжения вместо «Y» будем иметь силу тока, а вместо X — напряжение. И наша система отображения будет выглядеть так:

именно в такой системе координат будем рисовать вольт-амперную характеристику. И начнем с самого распространенного радиоэлемента — резистора.

ВАХ резистора

Чтобы нарисовать этот график, нам нужно пропустить через резистор напряжение и наблюдать соответствующее значение силы тока. Я добавляю напряжение и регистрирую значения силы тока для каждого значения напряжения. Для этого берем блок питания, резистор и приступаем к измерениям:

Здесь у нас есть первая точка на графике. U = 0, я = 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

Нарисуем эти точки на графике:

Да, получилась почти прямая линия! То, что это небольшая кривая, связано с погрешностью измерения и погрешностью самого прибора. Следовательно, поскольку у нас получилась прямая линия, это означает, что такие элементы, как резисторы, называются элементами с линейной ВАХ.

ВАХ диода

Как известно, диод пропускает электрический ток только в одном направлении. Воспользуемся этим свойством диода в диодных мостах, а также протестируем диод мультиметром. Строим ВАХ диода. Берем блок питания, подключаем к диоду (больше к аноду, меньше к катоду) и таким же образом начинаем проводить измерения.

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

Построим график на основе полученных значений:

Ух ты, загибулина :-). Это вольт-амперная характеристика диода. Прямой линии на графике мы не видим, поэтому такая вольт-амперная характеристика называется нелинейной. У кремниевых диодов оно начинается с 0,5-0,7 вольт. Для германиевых диодов ВАХ начинается с 0,3-0,4 В.

Кремниевый диод и его ВАХ

Помимо Шоттки, сейчас очень популярны кремниевые полупроводники. Для диода кремниевого типа вольт-амперная характеристика аналогична этой.

ВАХ кремниево-германиевого диода

Для таких полупроводников эта характеристика начинается примерно с 0,5-0,7 вольт. Кремниевые полупроводники часто сравнивают с полупроводниками германия. Если температура окружающей среды одинакова, оба устройства покажут запрещенную зону. В этом случае у кремниевого элемента будет более низкий прямой ток, чем у германия. То же правило относится и к обратному току. Поэтому в германиевых полупроводниках термический пробой обычно происходит сразу же при наличии большого обратного напряжения.
Следовательно, при одинаковых прямой температуре и напряжении потенциальный барьер для кремниевых полупроводников будет выше, а ток инжекции будет ниже.

ВАХ и выпрямительный диод

В заключение хотелось бы остановиться на этой характеристике выпрямительного диода. Выпрямительный диод — это полупроводник, используемый для преобразования переменного тока в постоянный.

На диаграмме показаны экспериментальная и теоретическая ВАХ (пунктирная линия). Как видите, они не совпадают. Причина этого кроется в том, что при теоретических расчетах не были учтены некоторые факторы:

• наличие омического сопротивления базовой и эмиттерной областей кристалла;
• его открытия и контакты;
• наличие возможности токов утечки на поверхность кристалла;
• тенденция процессов рекомбинации и генерации при переходе носителей заряда;
• разного рода неисправности и др.

Все эти факторы могут иметь различное влияние, приводя к отклонению от теоретической реальной вольт-амперной характеристики. Кроме того, в этой ситуации на внешний вид графика существенно влияет температура окружающей среды.
ВАХ выпрямительного диода демонстрирует высокую проводимость устройства при приложении напряжения в прямом направлении. В обратном 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 оно превышено, на графике наблюдается лавинообразное увеличение тока в обратном направлении.

ВАХ стабилитрона

Стабилитроны работают в режиме лавинного отказа. Они выглядят так же, как диоды.

Подключаем стабилитрон как диод в обратном направлении: меньше к аноду и больше к катоду. В результате напряжение на стабилитроне остается почти таким же, но сила тока может варьироваться в зависимости от нагрузки, подключенной к стабилитрону. Как говорят электронщики, в стабилитроне мы используем обратную ветвь ВАХ.

Рекомендуем посмотреть видеоматериал по этой теме:

Полупроводниковые диоды: виды,  характеристики, принцип работы

• Полупроводниковые диоды: типы, характеристики, принцип работы
• Устройство
• Принцип работы диодов
• Устройство
• Деловое свидание, встреча
• Прямое переключение диода
• Обратное зажигание диода
• Прямое и обратное напряжение
• Работа диода и его вольт-амперная характеристика
• Принцип действия
• Диодный дизайн
• Схемы переключения диодов

Чтобы контролировать направление электрического тока, нужно использовать разные радио и электрические детали.

В частности, в современной электронике для этой цели используется полупроводниковый диод, его использование обеспечивает равномерный ток.

Что такое диод

Полупроводниковый диод или просто диод — это радиоэлемент, который пропускает электрический ток в одном направлении и блокирует его прохождение в другом направлении. По аналогии с гидравликой диод можно сравнить с обратным клапаном — устройством, которое позволяет жидкости течь только в одном направлении.

обратный клапан

Из чего состоит диод

В нашем мире есть вещества, отлично проводящие электрический ток. В основном это металлы, такие как серебро, медь, алюминий, золото и так далее. Такие вещества называют проводниками. Есть вещества, которые очень плохо проводят электричество: фарфор, пластик, стекло и так далее. Их называют диэлектриками или изоляторами. Полупроводники находятся между проводниками и диэлектриками. В основном это германий и кремний.

После смешивания германия или кремния с небольшой долей мышьяка или индия при смешивании с мышьяком образуется полупроводник N-типа; или полупроводник P-типа при смешивании с индием.

Теперь, если эти два полупроводника типа P и N спаять вместе, на их стыке образуется PN переход. Это структура диода. То есть диод состоит из PN перехода.

диодная структура

Устройство

Электрический полупроводниковый диод или диодный клапан — это устройство, изготовленное из полупроводниковых материалов (обычно кремния) и работающее только с односторонним потоком заряженных частиц.

Основным компонентом является кристаллическая часть с pn переходом, которая соединена с двумя электрическими контактами.

Вакуумные диодные лампы имеют два электрода: пластину (анод) и нагретый катод.

Назначение

Ниже представлены основные области применения диодов, на примере которых становится понятным их основное назначение:

1. Диодные мосты — это 4, 6 или 12 диодов, соединенных между собой, их количество зависит от типа схемы, которая может быть однофазной, трехфазным полумостом или трехфазным полным мостом. Они выполняют функции выпрямителей, этот вариант чаще всего используется в автомобильных генераторах, поскольку внедрение таких мостов, а также использование вместе с ними щеточно-коллекторных групп позволило значительно уменьшить габариты этого устройства и повысить степень его надежности. Если подключение производится последовательно и в одном направлении, это увеличивает показатели минимального напряжения, которое потребуется для разблокировки всего диодного моста.
2. Диодные детекторы получаются путем объединения этих устройств с конденсаторами. Это необходимо для того, чтобы изолировать низкочастотную модуляцию от различных модулированных сигналов, включая тип радиосигнала с амплитудной модуляцией. Такие детекторы являются частью конструкции многих домашних потребителей, таких как телевизоры или радиоприемники.
3. Обеспечьте защиту потребителей от неправильной полярности при включении вводов схемы от перегрузок, возникающих в результате или переключений от отказов из-за электродвижущей силы, возникающей в результате самоиндукции, возникающей при отключении индуктивной нагрузки. Для обеспечения безопасности цепей от возникающих перегрузок используется цепь, состоящая из нескольких диодов, которые подключены к силовым шинам в обратном направлении. В этом случае вход, на котором предусмотрена защита, должен быть подключен к центру этой цепи. При нормальной работе схемы все диоды находятся в замкнутом состоянии, но если они обнаружили, что входной потенциал превысил допустимые пределы напряжения, срабатывает один из защитных элементов. Следовательно, этот допустимый потенциал ограничен допустимым напряжением питания в дополнение к падению постоянного напряжения на защитном устройстве.
4. Диодные переключатели используются для переключения высокочастотных сигналов. Управление такой системой осуществляется с помощью постоянного электрического тока, высокочастотного разделения и выдачи управляющего сигнала, который возникает благодаря индуктивностям и конденсаторам.
5. Создание искрозащитных диодов. Используются шунтирующие диодные барьеры, которые обеспечивают безопасность, ограничивая напряжение в соответствующей электрической цепи. Наряду с ними используются токоограничивающие резисторы, которые необходимы для ограничения показателей электрического тока, проходящего по сети, и повышения степени защиты.

Использование диодов в электронике сегодня очень широко, поскольку фактически ни одно современное электронное оборудование не обходится без этих элементов.

Прямое включение диода

На pn переход диода может влиять напряжение, подаваемое от внешних источников. Такие индикаторы, как величина и полярность, будут влиять на его поведение и электрический ток, протекающий через него.

Ниже подробно рассматривается вариант, в котором положительный полюс подключается к области p-типа, а отрицательный полюс — к области n-типа. В этом случае будет прямое подключение:

1. Под действием напряжения от внешнего источника на pn переходе образуется электрическое поле, при этом его направление будет противоположным внутреннему полю рассеяния.
2. Напряжение поля значительно снизится, что вызовет резкую усадку барьерного слоя.
3. Под действием этих процессов значительное количество электронов приобретет способность свободно перемещаться из p-области в n-область, а также в обратном направлении.
4. Показатели дрейфового тока при этом остаются неизменными, так как напрямую зависят только от количества неосновных носителей заряда, находящихся в области pn перехода.
5. Электроны имеют более высокий уровень диффузии, что приводит к инжекции неосновных носителей. Другими словами, будет увеличиваться количество дырок в n-области и увеличиваться концентрация электронов в p-области.
6. Несбалансированность и увеличение количества неосновных носителей вынуждает их углубляться в полупроводник и смешиваться с его структурой, что в конечном итоге приводит к разрушению его электронейтральных свойств.
7. При этом полупроводник способен восстанавливать свое нейтральное состояние, это происходит за счет поступления зарядов от внешнего подключенного источника, что способствует появлению постоянного тока во внешней электрической цепи.

Обратное включение диода

Теперь рассмотрим другой способ включения, при котором меняется полярность внешнего источника, от которого передается напряжение:

1. Основное отличие от прямого подключения состоит в том, что генерируемое электрическое поле будет иметь направление, полностью совпадающее с направлением внутреннего рассеивающего поля. В результате слой блока больше не будет сжиматься, а, наоборот, расширяться.
2. Поле, находящееся в pn переходе, будет оказывать ускоряющее действие на ряд неосновных носителей заряда, поэтому показатели дрейфового тока останутся неизменными. Определите параметры результирующего тока, проходящего через pn переход.
3. По мере увеличения обратного напряжения электрический ток, протекающий через переход, будет стремиться к максимальной производительности. У него есть особое название — ток насыщения.
4. По экспоненциальному закону при постепенном повышении температуры ток насыщения также будет увеличиваться.

Классификация диодов

Промышленность производит широкий спектр полупроводниковых клапанов, которые можно использовать во многих отраслях промышленности.

Эти устройства можно классифицировать по общим критериям:

1. Из полупроводникового материала, из которого они изготовлены (кремний, германий, арсенид галлия);
2. О физических процессах, которые действительно работают (туннелирование, фотодиоды, светодиоды);
3. Как и положено (стабилитроны, выпрямители, импульсные, варикапы и т.д.);
4. О технике проведения электрического перехода (плавающий, диффузный и др.);
5. По типу (типу) электрического перехода (точечный, планарный).

Дополнительная информация. Классификации в основном используются по типу электрического перехода и назначению диода.

Типы диодов по назначению

По функциональному назначению различают диоды:

• Выпрямитель (для преобразования переменного тока в постоянный);
• Импульсный (используется в импульсном режиме);
• Шоттки (для преобразования и обработки сигналов очень высокой частоты на частоте выше 300 МГц);
• СВЧ-детектор (для обнаружения СВЧ-сигналов);
• Переключение микроволн (для контроля уровня мощности микроволн в приборах);
• Стабилитрон (для стабилизации напряжения);
• ТВС (для подавления импульсных электрических перенапряжений, превышающих напряжение лавинного пробоя устройства);
• Стабилизатор (для стабилизации напряжения);
• Стабилитрон с напряжением, равным запрещенной зоне;
• Лавинно-транзитный (FLT) (для генерации микроволновых колебаний);
• Туннель (для генерации колебаний);
• Инвертированный (проводимость которого при обратном напряжении больше, чем при прямом);
• Варикап (используется как элемент с электрически регулируемой мощностью);
• Фотодиод (для инжекции неосновных заряженных носителей заряда в базу под действием света);
• LED (излучением основных носителей заряда под действием электрического тока).

Типы диодов по частотному диапазону

Классификация диодов проводится по рабочей частоте. Биполярные сети могут быть:

1. Низкая частота, с частотой менее 1000 Гц;
2. Высокая частота, с частотой более 1000 Гц;
3. Импульсный, используется в цепи, где требуется высокая скорость отклика.

Диоды с переходом металл-полупроводник выпрямитель отличаются меньшим напряжением пробоя и более высокими частотными характеристиками (по Шоттки), чем у двухполюсников с pn переходом. Высокочастотные маломощные импульсные диоды (клапаны) работают на высоких частотах или в высокоскоростной импульсной цепи.

Типы диодов по размеру перехода

По размеру перехода диоды делятся на:

1. планарный
2. точка.

Классификация переходных размеров и символы

В точечных приборах используются пластины из германия или кремния с удельной электропроводностью типа n, толщиной 0,1… 0,6 мм и площадью 0,5… 1,5 кв. Мм. В планарных устройствах образование pn-перехода происходит между двумя полупроводниками с разными типами электропроводности.

Примечание! Площадь перехода для нескольких двухполюсных сетей находится в пределах от сотых квадратного миллиметра до десятков квадратных сантиметров (в силовых диодах).

Типы диодов по конструкции

По конструкции корпуса полупроводниковые диоды могут быть штыревыми, таблеточными, с корпусом для модульной вставной конструкции. Корпус штифта состоит из прочного основания со штифтом и герметичной крышки. В образовавшуюся водонепроницаемую полость помещается полупроводниковая структура.

Примечание! Различают двухконтактные соединения с прямой полярностью, когда анод находится на основании, и обратной полярностью, когда катод находится на основании.

Конструкция штыря с гибкой (а) и с жесткой клеммой (б)

Фланцевые корпуса отличаются от штыревой отсутствием штифта и внешней формой фланцевого основания. Особенности конструкции штырей и фланцев диодов способствуют одностороннему охлаждению их конструкции. Эти биполярные сети используются на токах 320-500 А.

Корпус планшета приспособлен для подключения к основанию радиаторов и токопроводов с помощью фиксатора. Такая конструкция обеспечивает односторонний и двусторонний отвод тепла от конструкции устройства. Применяется на токи 250 А и выше.

Конструкция корпуса с прессовым фитингом с гибкой (а) и жесткой (б

Корпус диода для прессования состоит из полого цилиндра с волнистой поверхностью и дна — основания, на котором расположена полупроводниковая структура. Второй конец цилиндра закрывается втулкой с гибким или жестким тросом.

Биполярные соединения в корпусах с плотной посадкой выполняются с прямой полярностью, когда анод находится у основания, и с обратной полярностью, когда катод находится у основания. Запрессованный корпус обеспечивает одностороннее охлаждение полупроводника; применяется на токи до 25 А.

Модульные полупроводниковые биполярные конструкции состоят из основания с теплопроводящей изоляционной прокладкой, на которой расположена одна или несколько полупроводниковых структур, и защитного кожуха с электрическими кабелями. Основание устройства, обеспечивающее отвод тепла, отводится электрически изолированным от выводов полупроводниковых структур, входящих в состав модуля. Модульные конструкции выполнены в различных комбинациях полупроводников на токи до 160 А.

Динисторы

Динистор — тиристорный диод — имеет pnpn структуру и S-образную ВАХ, он не проводит ток, пока приложенное напряжение не достигнет порогового уровня. Затем он открывается и ведет себя как обычный диод, пока ток не упадет ниже уровня удержания. Динисторы используются в силовой электронике как ключи.

Туннельный

Работает на основе одноименного эффекта. В производстве используются вырожденные полупроводники. Похоже на усилитель.

Варикап

Проще всего объяснить это на примере конденсатора с переменной толщиной диэлектрического слоя. При низком напряжении на pn переходе толщина слоя большой емкости мала, при высоком напряжении слой должен увеличиваться. Для чего нужны эти диоды? Они используются как элементы регулируемой мощности, например, в системах самонастройки частоты в радиоустройствах.

Стабисторы

Стабилитроны хорошо справляются со своей задачей, стабилизируя напряжение от 2 В и выше. Стабилизаторы используются для получения постоянного напряжения ниже этого предела. За счет связывания материала, из которого изготовлены эти устройства (кремний, селен), достигается максимальная вертикальность прямой ветви характеристики. В этом режиме стабилизаторы работают, выдавая образцовое напряжение в диапазоне 0,5… 2 В на прямой ветви прямой вольт-амперной характеристики.

Другие типы

Селеновые выпрямители, по многим параметрам уступающие кремниевым и германиевым устройствам, обладают уникальными способностями самовосстановления при выходе из строя. В месте выгорания селена короткого замыкания не возникает.

Дополнительная информация. Радиационная стойкость селеновых вентилей намного выше, чем у других выпрямителей.

Выпрямители из оксида меди характеризуются низким обратным напряжением, низкой рабочей температурой и низким отношением прямого / обратного сопротивления.

Примечание! В настоящее время эти клапаны больше не используются, поскольку на рынке появились более совершенные полупроводниковые выпрямители.

Маркировка диодов

Первый компонент маркировки может быть представлен в виде номера для устройств специального назначения или в виде буквы для устройств общего назначения.

Если в обозначении материала используется:

• G или 1, то это германия и соединения германия;
• К или 2 — кремний и соединения кремния;
• А или 3 — арсенид галлия;
• И или 4 — фосфид индия.

Чтобы указать вторую цифру в маркировке, используйте:

• D — в выпрямителе, импульсный;
• C — в выпрямителях и мостах;
• Б — в обозначениях варикапов;
• И — в тоннеле;
• А — в микроволновке;
• С — в стабилитронах и стабилизаторах;
• Г– в генераторах шума;
• L — в свечении светодиодов.

Третий элемент характеризует основные характеристики устройства в зависимости от его подкласса. Например, 2Д204В — кремниевый выпрямительный диод с постоянным и средним значением тока 0,3-10 А, номер разработки 04, группа Б.

Использование

Полупроводниковый диод, двухэлектродное электронное устройство на основе полупроводникового (ПК) кристалла. Концепция «P и т.д.» Объединяет различные устройства с разными принципами работы, с разными целями. Система классификации P d. Он соответствует общей системе классификации полупроводниковых приборов. Выделяют наиболее популярный класс детекторов электрического преобразования: выпрямительные диоды, импульсные диоды, стабилитроны, микроволновые диоды (в том числе видеодетекторы, смесительные, параметрические, усилители и генераторы, умножители и переключатели). Среди оптоэлектронных детекторов — фотодиоды, светодиоды и квантовые генераторы FP.

Наиболее многочисленными являются P d., Действие которых основано на использовании свойств электронно-дырочного перехода (pn-переход). Если к pn переходу диода (рис.1) приложить напряжение в прямом направлении (так называемое прямое смещение), то есть к его p-области приложен положительный потенциал, то потенциальный барьер, соответствующий переход уменьшается и происходит интенсивная инжекция дырок из p-области в n-область электронов из n-области в p-область — протекает большой прямой ток (рис. 2). Если напряжение приложено в противоположном направлении (обратное смещение), потенциальный барьер повышается, и только небольшой ток неосновных носителей заряда (обратный ток) течет через p — n-переход. На рис. 3 показана эквивалентная схема такого P d.

Работа выпрямительных (силовых) диодов основана на явной асимметрии вольт-амперной (ВАХ) характеристики. Для выпрямительных устройств и других сильноточных электрических цепей выпускаются выпрямительные агрегаты, имеющие допустимый выпрямленный ток Iv до 300 А и максимально допустимое обратное напряжение U * arr от 20-30 В до 1-2 кВ. ФП аналогичного применения для слаботочных цепей имеют Ib <0,1 а и называются универсальными.

При напряжениях выше U * o6p ток резко возрастает и происходит необратимый (тепловой) пробой p — n перехода, что приводит к выходу из строя ФД. Для увеличения U * arr до нескольких десятков квадратных метров используются выпрямительные полюса, в которых последовательно соединены несколько одинаковых выпрямительных столбов, установленных в обычном пластиковом корпусе. Инерционность выпрямительных диодов из-за того, что длительность инжектируемых отверстий> 10-5-10-4 сек, ограничивает частотный предел их использования (обычно в диапазоне частот 50-2000 Гц). Использование специальных технологических приемов (в основном сплава германия и кремния с золотом) позволило сократить время переключения до 10-7-10-10 с и создать высокоскоростные импульсные ЧР, которые используются вместе с диодные матрицы, в основном в слаботочных сигнальных цепях компьютеров.

Преимущества непосредственного включения в схему

Включение полупроводниковых устройств непосредственно в схему дает гарантированные преимущества:

1. Качественная обработка сигналов;
2. Полная взаимозаменяемость устройств;
3. Миниатюрность и продолжительность использования;
4. Удобство при установке и замене;
5. Доступность покупки и низкие цены.

Дополнительная информация. Вы можете подобрать не только отечественный, но и зарубежный аналог полупроводникового прибора.

Как определить анод и катод диода

1) на некоторых диодах катод обозначен полосой, которая отличается от цвета корпуса

2) можно мультиметром проверить диод и узнать, где у него катод, а где анод. Заодно проверьте его работоспособность. Этот способ железный ;-). О том, как проверить диод мультиметром, читайте в этой статье.

очень легко запомнить, где находится анод, а где катод, если вспомнить воронку для заливки жидкости в узкие горлышки бутылок. Воронка очень похожа на диодную схему. Переливаем его в воронку и жидкость очень хорошо течет вместе с нами, а если перевернуть, попробуйте вылить через узкое горлышко воронки .

Диод в цепи постоянного тока

Как мы уже говорили ранее, диод пропускает электрический ток только в одном направлении. Чтобы показать это, давайте составим простую диаграмму.

прямой диод

Так как наша лампа накаливания на 12 Вольт, поэтому на блоке питания мы также выставляем значение на 12 В и монтируем всю электрическую схему согласно схеме выше. В результате наша лампочка горит отлично. Это указывает на то, что через диод течет электрический ток. В этом случае говорят, что диод горит в прямом направлении.

Теперь поменяем выводы диода. В результате диаграмма будет выглядеть так.

Как видите, свет не горит, так как диод не пропускает электрический ток, то есть блокирует его прохождение, хотя источник питания выдает свои честные 12 вольт.

Диод в цепи переменного тока

Кто забыл, что такое переменный ток, прочтите эту статью. Итак, чтобы рассмотреть работу диода в цепи переменного тока, составим схему. Здесь мы видим генератор частоты G, диод и две клеммные колодки X1 и X2, с которых мы будем снимать сигнал с помощью осциллографа.

Мой генератор частоты выглядит так.
1024×768.JPG» width=»1024″ height=»768″>
Снимаем осциллограмму с помощью цифрового осциллографа

Генератор вырабатывает переменное синусоидальное напряжение.

Что будет после диода? Цепляемся за выводы X1 и X2 и видим вот такую ​​осциллограмму.

Что мы получаем на клеммах X1 и X2? Посмотрим на осциллограмму.

Вольтамперные характеристики (идеальная и реальная)

ВА характеристика задается в виде зависимости между током внешней цепи pn перехода устройства и полярностью напряжения на его электродах. Это соотношение может быть получено экспериментально или рассчитано на основе уравнения вольт-амперной характеристики.

Идеальная характеристика

Основная задача выпрямительного диода — проводить электрический ток в одном направлении и не допускать его протекания в противоположном направлении. Следовательно, при источнике постоянного напряжения (чем больше оно подается на анод и меньше на катод) идеальное устройство должно быть отличным проводником с нулевым сопротивлением. Однако при обратном подключении он должен иметь огромное сопротивление, становясь полным изолятором.

Дополнительная информация. На практике идеальная модель используется в цифровой электронике, потому что в этой области имеет значение только логическая функция устройства.

Реальная ВАХ

Настоящий диод из-за структуры полупроводника имеет много недостатков по сравнению с идеальным биполярным.

Параметры промышленных полупроводниковых элементов существенно отличаются от тех, которые считаются идеальными по удобству. Фактически, нелинейная ВАХ показывает большие отклонения как в текущих значениях, так и в крутизне преобразования. Следовательно, устройство может выдерживать только нагрузки, представленные этими пределами:

• Максимальный постоянный выпрямленный ток;
• Обратный ток утечки;
• Максимальное прямое и обратное напряжение;
• Потенциальное падение на pn переходе;
• Предельная рабочая частота обрабатываемого сигнала.

Вольт-амперная характеристика диодных элементов — важный параметр, по которому можно определить, как устройство будет работать в электрической цепи.

Важно! Прежде чем использовать биполярный прибор по прямому назначению, необходимо изучить ВАХ этого прибора.

Способы подключения

Есть несколько стандартных вариантов подключения диода в электрическую цепь. Все они используются в определенных схемах и позволяют добиться желаемого результата.

Прямой вариант

Такой способ подключения диода к электрической цепи называют самым простым и часто применяемым. Он основан на подключении положительного полюса к области p-типа, а отрицательного полюса к n-типу.

Описание работы диода при прямом включении:

1. В устройство подается электрический ток, под действием которого в области между двумя электродами образуется электрическое поле. Его направление будет противоположным по отношению к внутреннему диффузионному полю.
2. Так происходит сильное сужение барьерного слоя, которое достигается за счет значительного уменьшения напряжения электрического поля.
3. Следствием этого будет способность большинства электронов свободно перемещаться из одной области (n-тип) в другую (p-тип).
4. При этом показатели дрейфового тока не изменятся, так как зависят только от количества заряженных частиц, находящихся в области pn перехода.
5. Электроны могут перемещаться из n-области в p-область, что приводит к дисбалансу их концентрации. В одной области будет недостаток частиц, а в другой их избыток.
6. Из-за этого часть электронов перемещается глубоко в полупроводник, вызывая нарушение его электронейтральности.
7. В этом случае полупроводник стремится восстановить свою нейтральность и начинает получать заряд от подключенного источника питания. Все это приводит к образованию тока во внешней электрической цепи.

Обратный метод

Такой способ подключения диода к общей цепи применяется гораздо реже. Он основан на изменении полярности внешнего источника питания, который участвует в процессе передачи напряжения.

Характеристики работы диода при перезапуске:

1. После включения источника питания в области pn перехода формируется электрическое поле. Его направление будет таким же, как и внутреннее диффузионное поле.
2. Из-за этого произойдет расширение барьерного слоя.
3. Поле, расположенное в области pn перехода, будет ускорять движение электронов, но сохранит неизменными показатели дрейфового тока.
4. Из-за всех этих действий обратное напряжение будет постепенно нарастать, что будет способствовать стремлению электрического тока к максимальным значениям.

Основные неисправности диодов

Иногда устройства такого типа выходят из строя, это может быть связано с естественным износом и старением этих элементов или по другим причинам.

Всего можно выделить 3 основных типа распространенных отказов:

1. Пробой перехода приводит к тому, что диод вместо полупроводникового прибора по своей сути становится наиболее распространенным проводником. В этом состоянии он теряет свои основные свойства и начинает пропускать электрический ток в любом направлении. Такую неисправность легко обнаружить с помощью штатного мультиметра, который начинает пищать и показывает низкий уровень сопротивления в диоде.
2. В случае сбоя происходит обратный процесс: устройство обычно перестает передавать электрический ток в любом направлении, то есть по существу становится изолятором. Для точности определения обрыва необходимо использовать тестеры с качественными и ремонтопригодными датчиками, иначе они могут иногда неправильно диагностировать эту неисправность. В разновидностях легированных полупроводников такой разрыв встречается крайне редко.
3. Протечка, при которой нарушается герметичность корпуса устройства, вследствие чего он не может нормально функционировать.

Пробой p-n-перехода

Подобные сбои возникают в ситуациях, когда показатели обратного электрического тока начинают резко и резко повышаться, это связано с тем, что напряжение соответствующего типа достигает недопустимо высоких значений.

Обычно выделяют несколько видов:

1. Термические сбои, вызванные резким повышением температуры и последующим перегревом.
2. Электрические неисправности в результате воздействия тока на соединение.

График вольт-амперной характеристики позволяет наглядно изучить эти процессы и разницу между ними.

Электрический пробой

Последствия, вызванные электрическими сбоями, не являются необратимыми, поскольку они не приводят к разрушению самого кристалла. Таким образом, при постепенном снижении напряжения можно восстановить все свойства и рабочие параметры диода.

При этом неисправности этого типа делятся на два типа:

1. Разрывы туннелей происходят, когда высокое напряжение проходит через плотные контакты, что позволяет отдельным электронам проходить через него. Обычно они возникают, если молекулы полупроводника содержат большое количество различных примесей. Во время такой неисправности обратный ток начинает резко и быстро увеличиваться, а соответствующее напряжение находится на низком уровне.
2. Срывы лавин возможны из-за действия сильных полей, способных разогнать носители заряда до предельного уровня, благодаря чему они отщепляют от атомов некоторое количество валентных электронов, которые затем улетают в проводящую область. Это явление похоже по своей природе на сход лавины, из-за чего данный вид поломки получил такое название.

Тепловой пробой

Возникновение такой неисправности может происходить по двум основным причинам: недостаточный отвод тепла и перегрев pn перехода, возникающий из-за протекания через него электрического тока со слишком высокими скоростями.

Повышение температурного режима в стыке и прилегающих участках имеет следующие последствия:

1. Рост колебаний атомов, составляющих кристалл.
2. Выстрел электронов в проводящей зоне.
3. Резкое повышение температуры.
4. Разрушение и деформация кристаллической структуры.
5. Полный отказ и выход из строя всего радиокомпонента.