Особенности вольт амперной характеристики диода. Обратный ток

Диод является одной из разновидностей приборов, сконструированных на полупроводниковой основе. Обладает одним p-n переходом, а также анодным и катодным выводом. В большинстве случаев он предназначен для модуляции, выпрямления, преобразования и иных действий с поступающими электрическими сигналами.

Принцип работы:

Электрический ток воздействует на катод, подогреватель начинает накаливаться, а электрод испускать электроны.
Между двумя электродами происходит образование электрического поля.
Если анод обладает положительным потенциалом , то он начинает притягивать электроны к себе, а возникшее поле является катализатором данного процесса. При этом, происходит образование эмиссионного тока.
Между электродами происходит образование пространственного отрицательного заряда, способного помешать движению электронов. Это происходит, если потенциал анода оказывается слишком слабым. В таком случае, частям электронов не удается преодолеть воздействие отрицательного заряда, и они начинают двигаться в обратном направлении, снова возвращаясь к катоду.
Все электроны , которые достигли анода и не вернулись к катоду, определяют параметры катодного тока. Поэтому данный показатель напрямую зависит от положительного анодного потенциала.
Поток всех электронов , которые смогли попасть на анод, имеет название анодный ток, показатели которого в диоде всегда соответствуют параметрам катодного тока. Иногда оба показателя могут быть нулевыми, это происходит в ситуациях, когда анод обладает отрицательным зарядом. В таком случае, возникшее между электродами поле не ускоряет частицы, а, наоборот, тормозит их и возвращает на катод. Диод в таком случае остается в запертом состоянии, что приводит к размыканию цепи.

Устройство

Ниже приводится подробное описание устройства диода, изучение этих сведений необходимо для дальнейшего понимания принципов действия этих элементов:

Корпус представляет собой вакуумный баллон, который может быть изготовлен из стекла, металла или прочных керамических разновидностей материала.
Внутри баллона имеется 2 электрода. Первый является накаленным катодом, который предназначен для обеспечения процесса эмиссии электронов. Самый простейший по конструкции катод представляет собой нить с небольшим диаметром, которая накаливается в процессе функционирования, но на сегодняшний день более распространены электроды косвенного накала. Они представляют собой цилиндры, изготовленные из металла, и обладающие особым активным слоем, способным испускать электроны.
Внутри катода косвенного накала имеется специфический элемент – проволока, которая накаливается под воздействием электрического тока, она называется подогреватель.
Второй электрод является анодом, он необходим для приема электронов, которые были выпущены катодом. Для этого он должен обладать положительным относительно второго электрода потенциалом. В большинстве случаев анод также имеет цилиндрическую форму.
Оба электрода вакуумных приборов полностью идентичны эмиттеру и базе полупроводниковой разновидности элементов.
Для изготовления диодного кристалла чаще всего используется кремний или германий. Одна из его частей является электропроводимой по p-типу и имеет недостаток электронов, который образован искусственным методом. Противоположная сторона кристалла также имеет проводимость, но n-типа и обладает избытком электронов. Между двумя областями имеется граница, которая и называется p-n переходом.

Такие особенности внутреннего устройства наделяют диоды их главным свойством – возможностью проведения электрического тока только в одном направлении.

Назначение

Ниже приводятся основные области применения диодов, на примере которых становится понятно их основное назначение:

Диодные мосты представляют собой 4, 6 или 12 диодов, соединенных между собой, их количество зависит от типа схемы, которая может быть однофазной, трехфазной полумостовой или трехфазной полномостовой. Они выполняют функции выпрямителей, такой вариант чаще всего используется в автомобильных генераторах, поскольку внедрение подобных мостов, а также использование вместе с ними щеточно-коллекторных узлов, позволило в значительной степени сократить размеры данного устройства и увеличить степень его надежности. Если соединение выполнено последовательно и в одну сторону, то это повышает минимальные показатели напряжения, которое потребуется для отпирания всего диодного моста.
Диодные детекторы получаются при комбинированном использовании данных приборов с конденсаторами. Это необходимо для того, чтобы было можно выделить модуляцию с низкими частотами из различных модулированных сигналов, в том числе амплитудно-модулированной разновидности радиосигнала. Такие детекторы являются частью конструкции многих бытовых потребителей, например, телевизоров или радиоприемников.
Обеспечение защиты потребителей от неверной полярности при включении схемных входов от возникающих перегрузок или ключей от пробоя электродвижущей силой, возникающей при самоиндукции, которая происходит при отключении индуктивной нагрузки. Для обеспечения безопасности схем от возникающих перегрузок, применяется цепочка, состоящая из нескольких диодов, имеющих подключение к питающим шинам в обратном направлении. При этом, вход, которому обеспечивается защита, должен подключаться к середине этой цепочки. Во время обычного функционирования схемы, все диоды находятся в закрытом состоянии, но если ими было зафиксировано, что потенциал входа ушел за допустимые пределы напряжения, происходит активация одного из защитных элементов. Благодаря этому, данный допустимый потенциал получает ограничение в рамках допустимого питающего напряжения в сумме с прямым падением показателей напряжение на защитном приборе.
Переключатели , созданные на основе диодов, используются для осуществления коммутации сигналов с высокими частотами. Управление такой системой осуществляется при помощи постоянного электрического тока, разделения высоких частот и подачи управляющего сигнала, которое происходит благодаря индуктивности и конденсаторам.
Создание диодной искрозащиты . Используются шунт-диодные барьеры, которые обеспечивают безопасность путем ограничения напряжения в соответствующей электрической цепи. В совокупности с ними применяются токоограничительные резисторы, которые необходимы для ограничения показателей электрического тока, проходящего через сеть, и увеличения степени защиты.

Использование диодов в электронике на сегодняшний день весьма широко, поскольку фактически ни одна современная разновидность электронного оборудования не обходится без этих элементов.

Прямое включение диода

На p-n-переход диода может оказывать воздействие напряжение, подаваемое с внешних источников. Такие показатели, как величина и полярность, будут сказываться на его поведении и проводимом через него электрическом токе.

Ниже подробно рассмотрен вариант, при котором происходит подключение плюса к области p-типа, а отрицательного полюса к области n-типа. В этом случае произойдет прямое включение:

Под воздействием напряжения от внешнего источника, в p-n-переходе сформируется электрическое поле, при этом его направление будет противоположным относительно внутреннего диффузионного поля.
Напряжение поля значительно снизится, что вызовет резкое сужение запирающего слоя.
Под воздействием этих процессов значительное количество электронов обретет возможность свободно переходить из p-области в n-область, а также в обратном направлении.
Показатели тока дрейфа во время этого процесса остаются прежними, поскольку они напрямую зависят только от числа неосновных заряженных носителей, находящихся в области p-n-перехода.
Электроны обладают повышенным уровнем диффузии, что приводит к инжекции неосновных носителей. Иными словами, в n-области произойдет повышение количества дырок, а в p-области будет зафиксирована повышенная концентрация электронов.
Отсутствие равновесия и повышенное число неосновных носителей заставляет их уходить вглубь полупроводника и смешиваться с его структурой, что в итоге приводит к разрушению его свойств электронейтральности.
Полупроводник при этом способен восстановить свое нейтральное состояние, это происходит благодаря получению зарядов от подключенного внешнего источника, что способствует появлению прямого тока во внешней электрической цепи.

Обратное включение диода

Теперь будет рассмотрен другой способ включения, во время которого изменяется полярность внешнего источника, от которого происходит передача напряжения:

Главное отличие от прямого включения заключается в том , что создаваемое электрическое поле будет обладать направлением, полностью совпадающим с направлением внутреннего диффузионного поля. Соответственно, запирающий слой будет уже не сужаться, а, наоборот, расширяться.
Поле, находящееся в p-n-переходе , будет оказывать ускоряющий эффект на целый ряд неосновных носителей заряда, по этой причине, показатели дрейфового тока останутся без изменений. Он будет определять параметры результирующего тока, который проходит через p-n-переход.
По мере роста обратного напряжения , электрический ток, протекающий через переход, будет стремиться достичь максимальных показателей. Он имеет специальное название – ток насыщения.
В соответствии с экспоненциальным законом , с постепенным увеличением температуры будут увеличиваться и показатели тока насыщения.

Прямое и обратное напряжение

Напряжение, которое оказывает воздействие на диод, разделяют по двум критериям:

Прямое напряжение – это то, при котором происходит открытие диода и начинается прохождение через него прямого тока, при этом показатели сопротивления прибора являются крайне низкими.
Обратное напряжение – это то, которое обладает обратной полярностью и обеспечивает закрытие диода с прохождением через него обратного тока. Показатели сопротивления прибора при этом начинают резко и значительно расти.

Сопротивление p-n-перехода является постоянно меняющимся показателем, в первую очередь на него оказывает влияние прямое напряжение, подающееся непосредственно на диод. Если напряжение увеличивается, то показатели сопротивления перехода будут пропорционально уменьшаться.

Это приводит к росту параметров прямого тока, проходящего через диод. Когда данный прибор закрыт, то на него воздействует фактически все напряжение, по этой причине показатели проходящего через диод обратного тока являются незначительными, а сопротивление перехода при этом достигает пиковых параметров.

Работа диода и его вольт-амперная характеристика

Под вольт-амперной характеристикой данных приборов понимается кривая линия, которая показывает то, в какой зависимости находится электрический ток, протекающий через p-n-переход, от объемов и полярности напряжения, воздействующего на него.

Подобный график можно описать следующим образом:

Ось, расположенная по вертикали: верхняя область соответствует значениям прямого тока, нижняя область параметрам обратного тока.
Ось, расположенная по горизонтали: область, находящаяся справа, предназначена для значений прямого напряжения; область слева для параметров обратного напряжения.
Прямая ветвь вольт-амперной характеристики отражает пропускной электрический ток через диод. Она направлена вверх и проходит в непосредственной близости от вертикальной оси, поскольку отображает увеличение прямого электрического тока, которое происходит при увеличении соответствующего напряжения.
Вторая (обратная) ветвь соответствует и отображает состояние закрытого электрического тока, который также проходит через прибор. Положение у нее такое, что она проходит фактически параллельно относительно горизонтальной оси. Чем круче эта ветвь подходит к вертикали, тем выше выпрямительные возможности конкретного диода.
По графику можно наблюдать , что после роста прямого напряжения, протекающего через p-n-переход, происходит медленное увеличение показателей электрического тока. Однако постепенно, кривая достигает области, в которой заметен скачок, после которого происходит ускоренное нарастание его показателей. Это объясняется открытием диода и проведением тока при прямом напряжении. Для приборов, изготовленных из германия, это происходит при напряжении равном от 0,1В до 0,2В (максимальное значение 1В), а для кремниевых элементов требуется более высокий показатель от 0,5В до 0,6В (максимальное значение 1,5В).
Показанное увеличение показателей тока может привести к перегреву полупроводниковых молекул. Если отведение тепла, происходящее благодаря естественным процессам и работе радиаторов, будет меньше уровня его выделения, то структура молекул может быть разрушена, и этот процесс будет иметь уже необратимый характер. По этой причине, необходимо ограничивать параметры прямого тока, чтобы не допустить перегрева полупроводникового материала. Для этого, в схему добавляются специальные резисторы, имеющие последовательное подключение с диодами.
Исследуя обратную ветвь можно заметить, что если начинает увеличиваться обратное напряжение, которое приложено к p-n-переходу, то фактически незаметен рост параметров тока. Однако в случаях, когда напряжение достигает параметров, превосходящих допустимые нормы, может произойти внезапный скачок показателей обратного тока, что перегреет полупроводник и будет способствовать последующему пробою p-n-перехода.

Основные неисправности диодов

Иногда приборы подобного типа выходят из строя, это может происходить из-за естественной амортизации и старения данных элементов или по иным причинам.

Всего выделяют 3 основных типа распространенных неисправностей:

Пробой перехода приводит к тому, что диод вместо полупроводникового прибора становится по своей сути самым обычным проводником. В таком состоянии он лишается своих основных свойств и начинает пропускать электрический ток в абсолютно любом направлении. Подобная поломка легко выявляется при помощи стандартного , который начинает подавать звуковой сигнал и показывать низкий уровень сопротивления в диоде.
При обрыве происходит обратный процесс – прибор вообще перестает пропускать электрический ток в каком-либо направлении, то есть он становится по своей сути изолятором. Для точности определения обрыва, необходимо использовать тестеры с качественными и исправными щупами, в противном случае, они могут иногда ложно диагностировать данную неисправность. У сплавных полупроводниковых разновидностей такая поломка встречается крайне редко.
Утечка , во время которой нарушается герметичность корпуса прибора, вследствие чего он не может исправно функционировать.

Пробой p-n-перехода

Подобные пробои происходят в ситуациях, когда показатели обратного электрического тока начинают внезапно и резко расти, происходит это из-за того, что напряжение соответствующего типа достигает недопустимых высоких значений.

Обычно различается несколько видов:

Тепловые пробои , которые вызваны резким повышением температуры и последующим перегревом.
Электрические пробои , возникающие под воздействием тока на переход.

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

Электрический пробой

Последствия, вызываемые электрическими пробоями, не носят необратимого характера, поскольку при них не происходит разрушение самого кристалла. Поэтому при постепенном понижении напряжения можно восстановить всей свойства и рабочие параметры диода.

При этом, пробои такого типа делятся на две разновидности:

Туннельные пробои происходят при прохождении высокого напряжения через узкие переходы, что дает возможность отдельно взятым электронам проскочить через него. Обычно они возникают, если в полупроводниковых молекулах имеется большое количество разных примесей. Во время такого пробоя, обратный ток начинает резко и стремительно расти, а соответствующее напряжение находится на низком уровне.
Лавинные разновидности пробоев возможны благодаря воздействию сильных полей, способных разогнать носителей заряда до предельного уровня из-за чего они вышибают из атомов ряд валентных электронов, которые после этого вылетают в проводимую область. Это явление носит лавинообразный характер, благодаря чему данный вид пробоев и получил такое название.

Тепловой пробой

Возникновение такого пробоя может произойти по двум основным причинам: недостаточный теплоотвод и перегрев p-n-перехода, который происходит из-за протекания через него электрического тока со слишком высокими показателями.

Повышение температурного режима в переходе и соседних областях вызывает следующие последствия:

Рост колебания атомов , входящих в состав кристалла.
Попадание электронов в проводимую зону.
Резкое повышение температуры.
Разрушение и деформация структуры кристалла.
Полный выход из строя и поломка всего радиокомпонента.

П олупроводниками являются вещества, занимающие промежуточное положение между проводниками и изоляторами, по своим электропроводящим свойствам.
В полупроводниках, как и в металлах ток представляет из себя упорядоченное движение заряженных частиц.
Однако, вместе с перемещением отрицательных зарядов(электронов) в полупроводниках имеет место упорядоченное перемещение положительных зарядов, т. н. - дырок .

Дырки получаются при участии ионов вещества полупроводника - атомов с сбежавшими электронами. В реальности, ионизированные атомы не покидают своего места, в кристаллической решетке. На самом деле, имеет место поэтапное изменение состояния атомов вещества, когда электроны перескакивают с одного атома, на другой. Возникает процесс, внешне выглядящий, как упорядоченное движение неких условных положительно заряженных частиц - дырок .

В обычном, чистом полупроводнике соотношение дырок и свободных электродов 50%:50%.
Но стоит добавить в полупроводник небольшое количество вещества - примеси, как это соотношение претерпевает значительные изменения. В зависимости от особенностей добавленного вещества полупроводник приобретает либо ярко выраженную электронную проводимость(n-тип), либо его основными носителями становятся дырки(p-тип).

Полупроводниковый переход(p-n) формируется на стыке двух фрагментов полупроводникового материала, имеющих разную проводимость. Он представляет из себя крайне тонкую область, обедненную носителями обоих типов. p-n переход имеет незначительное сопротивление, когда направление тока - прямое, и очень большое, когда направление тока - обратное.

Обычный полупроводниковый диод состоит из одного полупроводникового перехода, снабженного двумя выводами - анодом (положительным электродом) и катодом - отрицательным электродом. Соответственно, диод обладает свойством односторонней проводимости - он хорошо проводит ток в прямом направлении и плохо в обратном.

Что это означает на практике?
Представим себе электрическую цепь, состоящую из батарейки и лампочки накаливания, подключенной последовательно через полупроводниковый диод. Лампочка будет гореть только в том случае, если анод (положительный электрод) подключен к плюсу источника питания (батарейки) а катод (отрицательный электрод) к минусу - через накальную нить лампочки.

Это и является прямым включением полупроводникового диода. Если поменять полярность источника питания, включение диода окажется обратным - лампочка гореть не будет. Обратите внимание как выглядит обозначение полупроводникового диода на схеме - треугольная стрелочка, указывающая прямое включение, совпадает с общепринятым в электротехнике направлением тока - от плюса источника питания, к минусу. Вертикальная черточка примыкающая к ней символизирует преграду для движения тока в обратном направлении.

Существует одно обязательное условие для нормальной работы любого полупроводникового диода. Напряжение источника питания должно превышать некоторый порог (величину потенциала внутреннего смещения p-n перехода). Для выпрямительных диодов он как правило - меньше 1 вольта, для германиевых высокочастотных диодов порядка 0,1 вольта, для светодиодов может превышать 3 вольта. Это свойство полупроводниковых диодов можно использовать при создании низковольтных стабилизированных источников питания.

Если диод подключить обратно и постепенно повышать напряжение источника питания, в некоторый момент обязательно наступит обратный электрический пробой p-n перехода. Диод начнет пропускать ток и в обратном направлении, а переход окажется испорченным. Величина максимального допустимого обратного напряжения (Uобр.и.) широко разнится у различных типов полупроводниковых диодов и является очень важным параметром.

Вторым, не менее важным параметром можно назвать предельное значение прямого тока-Uпр. Этот параметр напрямую зависит от величины падения напряжения на переходе полупроводникового диода, материала полупроводника и теплообменных характеристик корпуса.

Использование каких - либо материалов этой страницы, допускается при наличии ссылки на сайт

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД - полупроводниковый прибор с двумя электродами, обладающий односторонней проводимостью. К полупроводниковым диодам относят обширную группу приборов с p-n-переходом, контактом металл - полупроводник и др. Наиболее распространены электропреобразовательные полупроводниковые диоды. Служат для преобразования и генерирования электрических колебаний. Один из основных современных электронных приборов. Принцип действия полупроводникового диода : В основе принципа действия полупроводникового диода - свойства электронно-дырочного перехода, в частности, сильная асимметрия вольт-амперной характеристики относительно нуля. Таким образом различают прямое и обратное включение. В прямом включении диод обладает малым электросопротивлением и хорошо проводит электрический ток. В обратном - при напряжении меньше напряжения пробоя сопротивление очень велико и ток перекрыт. Характеристики:

2.Полупроводниковые диоды, прямое и обратное включение, вах:

Прямое и обратное включение:

При прямом включении p-n-перехода внешнее напряжение создает в переходе поле, которое противоположно по направлению внутреннему диффузионному полю. Напряженность результирующего поля падает, что сопровождается сужением запирающего слоя. В результате этого большое количество основных носителей зарядов получает возможность диффузионно переходить в соседнюю область (ток дрейфа при этом не изменяется, поскольку он зависит от количества неосновных носителей, появляющихся на границах перехода), т.е. через переход будет протекать результирующий ток, определяемый в основном диффузионной составляющей. Диффузионный ток зависит от высоты потенциального барьера и по мере его снижения увеличивается экспоненциально.

Повышенная диффузия носителей зарядов через переход привод к повышению концентрации дырок в области n-типа и электронов в области p-типа. Такое повышение концентрации неосновных носителей вследствие влияния внешнего напряжения, приложенного к переходу, называется инжекцией неосновных носителей. Неравновесные неосновные носители диффундируют вглубь полупроводника и нарушают его электронейтральность. Восстановление нейтрального состояния полупроводника происходит за счет поступления носителей зарядов от внешнего источника. Это является причиной возникновения тока во внешней цепи, называемого прямым.

При включении p-n-перехода в обратном направлении внешнее обратное напряжение создает электрическое поле, совпадающее по направлению с диффузионным, что приводит к росту потенциального барьера и увеличению ширины запирающего слоя. Все это уменьшает диффузионные токи основных носителей. Для неосновных носителе поле в p-n-переходе остается ускоряющим, и поэтому дрейфовый ток не изменяется.

Таким образом, через переход будет протекать результирующий ток, определяемый в основном током дрейфа неосновных носителей. Поскольку количество дрейфующих неосновных носителей не зависит от приложенного напряжения (оно влияет только на их скорость), то при увеличении обратного напряжения ток через переход стремиться к предельному значению IS , которое называется током насыщения. Чем больше концентрация примесей доноров и акцепторов, тем меньше ток насыщения, а с увеличением температуры ток насыщения растет по экспоненциальному закону.

На графике изображены ВАХ для прямого и обратного включения диода. Ещё говорят, прямая и обратная ветвь вольт-амперной характеристики. Прямая ветвь (Iпр и Uпр) отображает характеристики диода при прямом включении (то есть когда на анод подаётся «плюс»). Обратная ветвь (Iобр и Uобр) отображает характеристики диода при обратном включении (то есть когда на анод подаётся «минус»).

Синяя толстая линия – это характеристика германиевого диода (Ge), а чёрная тонкая линия – характеристика кремниевого (Si) диода. На рисунке не указаны единицы измерения для осей тока и напряжения, так как они зависят от конкретной марки диода.

Для начала определим, как и для любой плоской системы координат, четыре координатных угла (квадранта). Напомню, что первым считается квадрант, который находится справа вверху (то есть там, где у нас буквы Ge и Si). Далее квадранты отсчитываются против часовой стрелки.

Итак, II-й и IV-й квадранты у нас пустые. Это потому, что мы можем включить диод только двумя способами – в прямом или в обратном направлении. Невозможна ситуация, когда, например, через диод протекает обратный ток и одновременно он включен в прямом направлении, или, иными словами, невозможно на один вывод одновременно подать и «плюс» и «минус». Точнее, это возможно, но тогда это будет короткое замыкание. Остаётся рассмотреть только два случая – прямое включение диода иобратное включение диода .

График прямого включения нарисован в первом квадранте. Отсюда видно, что чем больше напряжение, тем больше ток. Причём до какого-то момента напряжение растёт быстрее, чем ток. Но затем наступает перелом, и напряжение почти не меняется, а ток начинает расти. Для большинства диодов этот перелом наступает в диапазоне 0,5…1 В. Именно это напряжение, как говорят, «падает» на диоде. Эти 0,5…1 В и есть падение напряжения на диоде. Медленный рост тока до напряжения 0,5…1В означает, что на этом участке ток через диод практически не идёт даже в прямом направлении.

График обратного включения нарисован в третьем квадранте. Отсюда видно, что на значительном участке ток почти не изменяется, а затем увеличивается лавинообразно. Если увеличить, напряжение, например, до нескольких сотен вольт, то это высокое напряжение «пробьёт» диод, и ток через диод будет течь. Вот только «пробой» - это процесс необратимый (для диодов). То есть такой «пробой» приведет к выгоранию диода и он либо вообще перестанет пропускать ток в любом направлении, либо наоборот – будет пропускать ток во всех направлениях.

В характеристиках конкретных диодов всегда указывается максимальное обратное напряжение – то есть напряжение, которое может выдержать диод без «пробоя» при включении в обратном направлении. Это нужно обязательно учитывать при разработке устройств, где применяются диоды.

Сравнивая характеристики кремниевого и германиевого диодов, можно сделать вывод, что в p-n-переходах кремниевого диода прямой и обратный токи меньше, чем в германиевом диоде (при одинаковых значениях напряжения на выводах). Это связано с тем, что у кремния больше ширина запрещённой зоны и для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости им необходимо сообщить большую дополнительную энергию.

Выпрямительными диодами называют полупроводниковые приборы с одним p-n переходом. Основное свойство, которое лежит в основе работы выпрямительных диодов – односторонняя проводимость. Пример такого диода представлен на рисунке 1.

Рисунок 1. Вольтамперная характеристика выпрямительного диода.

Вольтамперная характеристика выпрямительного диода

На рисунке в первом квадранте расположена прямая, в третьем – обратная ветвь характеристики диода. Прямая ветвь характеристики снимается при действии прямого напряжения, обратная соответственно – обратного напряжения на диод . Прямым напряжением на диоде называется такое , при котором на катоде образуется более высокий электрический потенциал по отношению к аноду , а если говорить языком знаков - на катоде минус (-), на аноде плюс (+) , как показано на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема для изучения ВАХ диода при прямом включении.

На рисунке 1 приведены следующие условные обозначения:

Iр – рабочий ток диода;

Uд – падение напряжения на диоде;

Uо – обратное напряжение диода;

Uпр – напряжение пробоя;

Iу – ток утечки, или обратный ток диода.

Понятия и обозначения характеристик

Рабочий ток диода (Iр) , это прямой , длительное время проходящий через диод, при котором прибор не подвергается необратимому температурному разрушению, и его характеристики не претерпевают значительных качественных изменений. В справочниках может указываться как прямой максимальный ток.

на диоде (Uд) – напряжение на выводах диода, возникающее при прохождении через него прямого рабочего тока. В справочниках может быть обозначено как прямое напряжение на диоде.

Прямой ток течёт при прямом включении диода .

Обратное напряжение диода (Uо) – допустимое обратное напряжение на диоде, приложенное к нему длительное время, при котором не происходит необратимое разрушение его p-n перехода. В справочной литературе может называться максимальным обратным напряжением.

Напряжение пробоя (Uпр) – обратное напряжение на диоде, при котором происходит необратимый электрический пробой p-n перехода, и, как следствие, выход прибора из строя.

Обратный ток диода, или ток утечки (Iу) – обратный ток, длительное время не вызывающий необратимого разрушения (пробоя) p-n перехода диода.

При выборе выпрямительных диодов обычно руководствуются указанными выше его характеристиками.

Работа диода

Тонкости работы p-n перехода, тема отдельной статьи. Упростим задачу, и рассмотрим работу диода с позиции односторонней проводимости. И так, диод работает как проводник при прямом, и как диэлектрик (изолятор) при обратном включении. Рассмотрим две схемы на рисунке 3.

Рисунок 3. Обратное (а) и прямое (б) включение диода.

На рисунке изображены два варианта одной схемы. На рисунке 3 (а) положение переключателей S1 и S2 обеспечивают электрический контакт анода диода с минусом источника питания, а катода через лампочку HL1 с плюсом. Как мы уже определились, это обратное включение диода. В этом режиме диод будет вести себя как электрически изолирующий элемент, электрическая цепь будет практически разомкнута, лампа гореть не будет.

При изменении положения контактов S1 и S2, рисунок 3 (б), обеспечивается электрический контакт анода диода VD1 с плюсом источника питания, а катода через лампочку – с минусом. При этом выполняется условие прямого включения диода, он «открывается» и через него, как через проводник, течёт ток нагрузки (лампы).

Если Вы только начали изучать электронику, Вас может немного смутить сложность с переключателями на рисунке 3. Проведите аналогию по приведённому описанию, опираясь на упрощённые схемы рисунка 4. Это упражнение позволит Вам немного понять и сориентироваться относительно принципа построения и чтения электрических схем.

Рисунок 4. Схема обратного и прямого включения диода (упрощённая).

На рисунке 4 изменение полярности на выводах диода обеспечивается изменением положения диода (переворачиванием).

Однонаправленная проводимость диода

Можно заметить, что синхронное изменение положений переключателей S1 и S2 (рисунок 3) имитирует подачу на последовательную цепочку диод-лампа рисунок 5.

Рисунок 5. Диаграммы напряжений до и после выпрямительного диода.

Примем условно, что электрический потенциал переключателя S2 всегда равен 0. Тогда на анод диода будет подаваться разность напряжений –US1-S2 и +US1-S2 в зависимости от положения переключателей S1 и S2. Диаграмма такого переменного напряжения прямоугольной формы изображена на рисунке 5 (верхняя диаграмма). При отрицательной разности напряжений на аноде диода он заперт (работает как изолирующий элемент), при этом через лампу HL1 ток не течёт и она не горит, а напряжение на лампе практически равно нулю . При положительной разности напряжений диод отпирается (действует как электрический проводник) и по последовательной цепочке диод-лампа течёт ток. Напряжение на лампе возрастает до UHL1. Это напряжение немного меньше напряжения источника питания, поскольку часть напряжения падает на диоде . По этой причине, разность напряжений в электронике и электротехнике иногда называют «падением напряжения». Т.е. в данном случае, если лампу рассматривать как нагрузку, то на ней будет напряжение нагрузки , а на диоде - падение напряжения .

Таким образом, периоды отрицательной разности напряжения как бы игнорируются диодом, обрезаются, и через нагрузку течёт ток только в периоды положительной разности напряжений. Такое преобразование переменного напряжения в однополярное (пульсирующее или постоянное) назвали выпрямлением.

Работа полупроводниковых выпрямительных диодов основана на свойстве p – n перехода пропускать ток только в одном направлении. Выпрямительные диоды в основном изготавливаются на основе минералов германия и кремния.
Полупроводниковый диод нелинейный элемент.
Он имеет две ветви на вольтамперной характеристике — работа диода при прохождении электрического тока через диод в прямом и обратном направлении.

первая ветвь – это работа диода в прямом направлении.

Напряжение Uпр изменяется от 0 до 1,5 вольта.
На этой ветви выделяются три участка:
1) при возрастании напряжения Uпр (точки 0 — 1) ток изменяется незначительно (почти линейный участок).
2) нелинейный участок (точки 1 — 2) рабочий участок, используется для выпрямления тока, а так же в устройствах для преобразования частот.
3) при незначительном увеличении напряжения Uпр (точки 2-3) ток диода резко увеличивается.
Это явление используется в схемах стабилизации тока – напряжения.

вторая ветвь — работа диода в «запертом» состоянии.

На диод подано обратное напряжение Uобр . Под действием обратного напряжения возникает барьерный (запорный) слой, толщиной около 10 (-4) мм., не пропускающий электрический ток. Обратный ток диода Iобр очень мал.
При превышении максимально допустимого рабочего напряжения, обратный ток диода увеличивается. Начинается обратимый электрический пробой, p — n переход начинает постепенно разогреваться.
Если в этот момент уменьшить обратное напряжение, обратный ток уменьшится до допустимой величины и пробоя не произойдет.
При превышении температуры диода свыше допустимой величины ( для германия +75 град., для кремния +150 град.) , наступает необратимый тепловой пробой. Диод выходит из строя.

Основные электрические параметры, характеризующие полупроводниковый диод.

Напряжение и ток в прямом направлении:

Uпр — постоянное прямое напряжение, обусловленное постоянным прямым током Inp.
У диодов одинаковой мощности, при одном и том же максимальном прямом токе Iпр , через германиевый и кремниевый диоды, падение напряжения на p – n переходе:
- для германия Uпр = 0,3 – 0,7 вольта,
- для кремния Uпр = 1,0 – 1,5 вольта.
Inp - средний прямой ток – среднее за период значение прямого тока.

Допустимый прямой ток уменьшается с увеличением температуры и частоты следования тока.
В мощных диодах прямой ток может достигать 100 ампер и более.
Электрическая мощность рассеиваемая на кремниевом диоде в режиме максимального прямого тока, в 1,5 – 2,0 раза выше, чем на германиевом.
Чтобы не превысить максимально допустимую рабочую температуру диода, при которой может произойти тепловой пробой, диод ставят на радиатор.
В выпрямительных устройствах на низке напряжения и большие токи выгоднее применять германиевые диоды.

Напряжение и ток в обратном направлении.

Uобр — максимально допустимое постоянное обратное напряжение — это напряжение, в течение длительного времени выдерживаемое диодом без опасного теплового пробоя.
Максимальное обратное напряжение Uобр , в зависимости от типа диода, может быть величиной:
- у германиевого диода, до 100 – 400 вольт;
- у кремниевого диода, до 1000 – 1500 вольт.
Iобр — Обратный ток через диод, при максимальном обратном напряжении, очень мал и составляет для германия около 1 милиампера, для кремния около 1 микроампера.

Рабочая частота.
fmax — Максимально допустимая частота — наибольшая частота подводимого напряжения, при которых обеспечивается надежная работа диода.
Рабочая частота выпрямительных диодов обычно не превышает 1 килогерца.
В мощных преобразователях частоты, применяются специальные диоды на рабочие частоты до 100 килогерц.