Definirea si desenul unei diode redresoare. Diode redresoare. Tipuri de diode în funcție de intervalul de frecvență

Caracteristica curent-tensiune (CVC) 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 unei joncțiuni pn depinde de concentrația de impurități și de temperatură. O creștere a temperaturii joncțiunii p-n 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 p-n.

14. Defalcarep- n-tranziție- numită schimbare bruscă a modului de funcționare a unei joncțiuni sub tensiune inversă. Însoțit

O creștere bruscă a curentului invers, cu o scădere ușoară și chiar descrescătoare a tensiunii inverse:

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 un atom, o gaură (electron) capătă energie suficientă pentru a ioniza atomul;

3. Defalcare termică (ireversibilă) – apare atunci când semiconductorul este încălzit și conductivitatea crește corespunzător.

15. Dioda redresoare: scop, tensiune curent-tensiune, parametri principali,

Diodele redresoare sunt folosite pentru a converti curentul alternativ într-un curent pulsatoriu într-o singură direcție și sunt utilizate în sursele de alimentare pentru echipamente electronice.

Diode redresoare cu germaniu

Fabricarea diodelor redresoare cu germaniu începe cu fuziunea 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 – intern concluzie; 4 – clădire kovar; 5 – izolator; 6 – tub kovar; 7 – ieșire externă

Orez25 Caracteristica I-V a unei diode cu germaniu

Din Fig. 25 se poate observa că odată cu creșterea temperaturii, curentul invers al diodei crește semnificativ, iar magnitudinea tensiunii de defecțiune scade.

Diodele cu germaniu pentru diverse scopuri au o valoare a curentului rectificat 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 în timpul supraîncărcărilor de impulsuri de scurtă durată.

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 și antimoniu în siliciu de tip p. Metodele de difuzie sunt, de asemenea, folosite pentru a obține tranziții. Designul unui număr de diode cu siliciu de putere redusă nu diferă practic de modelele diodelor similare cu germaniu.

Ce este o diodă ideală?

Sarcina principală a unei diode redresoare convenționale este conduce curentul electric într-o direcție și nu îl trece în sens opus. Prin urmare, o diodă ideală ar trebui să fie un conductor foarte bun cu rezistență zero atunci când tensiunea este conectată înainte (plus la anod, minus la catod) și un izolator absolut cu rezistență infinită atunci când tensiunea este inversată.

Iată cum arată pe grafic:

Acest model de diodă este utilizat în cazurile în care doar funcția logică a dispozitivului este importantă. De exemplu, în electronica digitală.

Caracteristica I-V a unei diode semiconductoare reale

Cu toate acestea, în practică, datorită structurii sale semiconductoare, o diodă reală are o serie de dezavantaje și limitări în comparație cu o diodă ideală. Acest lucru poate fi văzut în graficul de mai jos.

V ϒ (gamma) - tensiune de prag de conductivitate

Când este pornit direct, tensiunea de pe diodă trebuie să atingă o anumită valoare de prag - V ϒ. Aceasta este tensiunea la care joncțiunea PN din semiconductor se deschide suficient pentru ca dioda să înceapă să conducă bine curentul. Înainte ca tensiunea dintre anod și catod să atingă această valoare, dioda este un conductor foarte slab. V ϒ pentru dispozitivele cu siliciu este de aproximativ 0,7V, pentru dispozitivele cu germaniu - aproximativ 0,3V.

I D_MAX - curent maxim prin diodă atunci când este conectată direct

Când este conectată direct, dioda semiconductoare este capabilă să reziste la un curent limitat I D_MAX. Când curentul prin dispozitiv depășește această limită, dioda se supraîncălzi. Ca urmare, structura cristalină a semiconductorului este distrusă, iar dispozitivul devine inutilizabil. Mărimea acestui curent variază foarte mult în funcție de diferitele tipuri de diode și de producătorii acestora.

I OP – curent de scurgere invers

Când este comutată în sens invers, dioda nu este un izolator absolut și are o rezistență finită, deși una foarte mare. Aceasta determină formarea curentului de scurgere sau a curentului invers I OP. Curentul de scurgere pentru dispozitivele cu germaniu ajunge până la 200 µA, pentru dispozitivele cu siliciu până la câteva zeci de nA. Cele mai recente diode de siliciu de înaltă calitate cu curent invers extrem de scăzut sunt în jur de 0,5 nA.

PIV(Peak Inverse Voltage) - Tensiune de avarie

Când este comutată în sens invers, dioda poate rezista la o tensiune limitată - tensiunea de defalcare PIV. Dacă diferența de potențial externă depășește această valoare, dioda își scade brusc rezistența și se transformă într-un conductor. Acest efect este nedorit, deoarece dioda ar trebui să fie un bun conductor numai atunci când este conectată direct. Tensiunea de avarie variază în funcție de diferitele tipuri de diode și de producătorii acestora.

În cele mai multe cazuri, pentru calculele în circuitele electronice, nu este utilizat un model exact al diodei cu toate caracteristicile sale. Neliniaritatea acestei funcții face problema prea complicată. Ei preferă să folosească așa-numitele modele aproximative.

Model aproximativ de diodă „diodă ideală + V ϒ”

Cel mai simplu și cel mai des folosit este modelul aproximativ de nivel întâi. Este format dintr-o diodă ideală și, adăugată la aceasta, tensiunea de prag de conducție V ϒ .

Model aproximativ de diodă „diodă ideală + V ϒ + r D”

Uneori se folosește un model aproximativ de nivel al doilea puțin mai complex și mai precis. În acest caz, rezistența internă a diodei este adăugată modelului de prim nivel, transformându-și funcția din exponențială în liniară.

Dioda semiconductoare — Acesta este un dispozitiv semiconductor cu o joncțiune p-n și doi electrozi. Principiul de funcționare al unei diode semiconductoare se bazează pe fenomenul de joncțiune p-n, așa că 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 este folosită pentru a converti curentul alternativ în curent continuu.

Dioda are două terminale (electrozi) anod și catod. Anodul este conectat la stratul p, catodul la stratul n. Când se aplică un plus anodului și un minus anodului (conectarea directă a diodei), dioda trece curent. Dacă se aplică un minus anodului și un plus catodului (conexiunea inversă a diodei), nu va exista curent prin diodă, acest lucru se poate vedea din caracteristicile volt-amperi ale 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 (caracteristica volt-ampere) a diodei.

Caracteristica curent-tensiune a diodei este prezentată în Fig. I. 2. Primul cadran arată ramura directă a caracteristicii, care descrie starea de conductivitate ridicată a diodei cu o tensiune directă aplicată acesteia, care este liniarizată printr-o funcție liniară pe bucăți

u = U 0 +R D i

unde: u este tensiunea de pe supapă la trecerea curentului i; U 0 - tensiune de prag; R d - rezistenta dinamica.

În al treilea cadran există o ramură inversă a caracteristicii curent-tensiune, care descrie starea de conductivitate scăzută atunci când se aplică o tensiune inversă diodei. Într-o stare de conductivitate scăzută, practic nu trece curent prin structura semiconductoare. Cu toate acestea, acest lucru este valabil doar până la o anumită valoare inversă a tensiunii. Cu 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 generării termice. - 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 pn și, de asemenea, ionizează atomii neutri de siliciu. În acest caz, are loc o creștere asemănătoare unei avalanșe a curentului invers, adică. e. defectarea avalanşei.

Tensiunea la care are loc o creștere bruscă a curentului invers este numită tensiune de ruptură U 3 .

Diode redresoare sunt utilizate în circuite de comandă, circuite de comutare, circuite de limitare și decuplare, în sursele de alimentare pentru transformarea (redresarea) tensiunii alternative în tensiune continuă, în circuitele de multiplicare a tensiunii și convertoare de tensiune continuă, unde nu se impun cerințe mari asupra parametrilor de frecvență și timp ai semnale. În funcție de valoarea curentului maxim redresat, există diode redresoare de putere mică(\(I_(pr max) \le (0,3 A)\)), putere medie(\((0,3 A)< I_{пр max} \le {10 А}\)) и de mare putere(\(I_(pr max) > (10 A)\)). Diodele de putere redusă pot disipa căldura generată pe ele de carcasa lor; diodele de putere medie și mare trebuie să fie amplasate pe radiatoare speciale, care sunt prevăzute, printre altele. și designul corespunzător al corpurilor lor.

De obicei, densitatea de curent admisibilă care trece prin joncțiunea \(p\)-\(n\) nu depășește 2 A/mm2, prin urmare, pentru a obține valorile de mai sus ale curentului mediu redresat în diodele redresoare, plane \( p\)-\ (n\)-tranziţii. Astfel de joncțiuni au o capacitate semnificativă, care limitează frecvența maximă admisă de funcționare (\(f_р\)) a diodelor redresoare.

Proprietățile de redresare ale diodelor sunt mai bune, cu cât curentul invers este mai mic la o anumită tensiune inversă și cu atât este mai mică căderea de tensiune la un curent direct dat. Valorile curenților direct și invers diferă cu mai multe ordine de mărime, iar căderea de tensiune directă nu depășește câțiva volți în comparație cu tensiunea inversă, care poate fi de sute sau mai multe volți. Prin urmare, diodele au o conductivitate unidirecțională, ceea ce le permite să fie utilizate ca elemente redresoare. Caracteristicile curent-tensiune (CV) ale diodelor cu germaniu și siliciu sunt diferite. În fig. Pentru comparație, Figura 2.3-1 prezintă caracteristicile curent-tensiune tipice pentru diodele redresoare cu germaniu și siliciu la diferite temperaturi ambientale.

Orez. 2.3-1. Caracteristicile curent-tensiune ale diodelor redresoare la diferite temperaturi ambientale

Din caracteristicile curent-tensiune date, este clar că curentul invers al diodelor cu siliciu este semnificativ mai mic decât curentul invers al diodelor cu germaniu. În plus, ramura inversă a caracteristicii curent-tensiune a diodelor de siliciu nu are o regiune de saturație clar definită, ceea ce se datorează generării de purtători de sarcină în joncțiunea \(p\)-\(n\) și curenților de scurgere. de-a lungul suprafeței cristalului. Când se aplică o tensiune inversă care depășește un anumit nivel de prag, are loc o creștere bruscă a curentului invers, ceea ce poate duce la defectarea joncțiunii \(p\)-\(n\). La diodele cu germaniu, din cauza curentului invers mare, defalcarea este de natură termică. Diodele de siliciu au o probabilitate scăzută de defectare termică; în ele predomină defecțiunea electrică. Defalcarea diodelor de siliciu are o natură de avalanșă, prin urmare, spre deosebire de diodele cu germaniu, tensiunea de defalcare crește odată cu creșterea temperaturii. Tensiunea inversă admisă a diodelor de siliciu (până la 1600 V) o depășește semnificativ pe cea a diodelor cu germaniu.

Curenții inversi sunt foarte dependenți de temperatura joncțiunii. Figura arată că odată cu creșterea temperaturii, curentul invers crește. Pentru o estimare aproximativă, putem presupune că, odată cu creșterea temperaturii cu 10 °C, curentul invers al diodelor cu germaniu crește de 2 ori, iar cel al diodelor cu siliciu de 2,5 ori. Limita superioară a intervalului de temperatură de funcționare pentru diodele cu germaniu este de 75...80 °C, iar pentru diodele cu siliciu - 125 °C. Un dezavantaj semnificativ al diodelor cu germaniu este sensibilitatea lor ridicată la supraîncărcările de impulsuri pe termen scurt.

Datorită curentului invers mai mic al diodei de siliciu, curentul său direct, egal cu curentul diodei cu germaniu, se realizează la o tensiune directă mai mare. Prin urmare, puterea disipată la aceiași curenți în diodele cu germaniu este mai mică decât în diodele cu siliciu. Tensiunea directă la curenți direct scăzuti, când predomină căderea de tensiune pe joncțiune, scade odată cu creșterea temperaturii. La curenți mari, când predomină căderea de tensiune pe rezistența regiunilor neutre ale semiconductorului, dependența tensiunii directe de temperatură devine pozitivă. Punctul în care nu există nicio dependență a tensiunii directe de temperatură (adică această dependență își schimbă semnul) se numește punct de inversare. Pentru majoritatea diodelor de putere mică și medie, curentul direct admis, de regulă, nu depășește punctul de inversare, iar pentru diodele de mare putere, curentul admisibil poate fi mai mare decât acest punct.

Astăzi, diodele pot fi găsite în aproape orice aparat de uz casnic. Mulți oameni chiar asamblează unele 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. Pe această caracteristică se va concentra acest articol.

Ce este

VAC înseamnă caracteristica curent-tensiune a unui semiconductor cu diodă. Reflectă dependența curentului care trece prin joncțiunea p-n a diodei. Caracteristica curent-tensiune determină dependența curentului de mărime, precum și polaritatea tensiunii aplicate. Caracteristica curent-tensiune are forma unui grafic (diagramă). Acest grafic arată astfel:

Caracteristica I-V pentru o diodă

Pentru fiecare tip de diodă, graficul caracteristic curent-tensiune va avea propriul său aspect specific. După cum puteți vedea, graficul conține o curbă. Valorile curentului direct (conexiune directă) sunt marcate vertical în partea de sus și invers în partea de jos. Dar diagrama orizontală și graficul afișează tensiunea, în mod similar în direcțiile înainte și înapoi. Astfel, diagrama caracteristică curent-tensiune va consta din două părți:

partea superioară și dreaptă - elementul funcționează în direcția înainte. Reflectă curentul care trece. Linia din această parte merge brusc în sus. Caracterizează o creștere semnificativă a tensiunii directe;
partea stângă jos - elementul acționează în direcția opusă. Corespunde curentului închis (invers) prin joncțiune. Aici linia este 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 de jos este mai aproape de axa orizontală, cu atât proprietățile de redresare ale semiconductorului vor fi mai bune.

Este de remarcat faptul că caracteristica curent-tensiune depinde foarte mult de temperatura ambiantă. De exemplu, o creștere a temperaturii aerului poate duce la o creștere bruscă a curentului invers.
Puteți construi o curbă curent-tensiune cu propriile mâini, după cum urmează:

luați sursa de alimentare;
conectați-l la orice diodă (minus la catod, plus la anod);
Facem măsurători folosind un multimetru.

Din datele obținute se construiește caracteristica curent-tensiune pentru un anumit element. Diagrama sau graficul acestuia poate arăta astfel.

Caracteristica curent-tensiune neliniară

Graficul arată caracteristica curent-tensiune, 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 de aceeași natură, cu doar modificări minore.

CVC pentru shotky

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 avea următoarea formă.

CVC pentru Schottky

După cum puteți vedea, Schottky se caracterizează printr-o cădere de tensiune scăzută într-o situație de conectare directă. Graficul în sine este clar asimetric. În zona de deplasare înainte, se observă o creștere exponențială a curentului și tensiunii. Sub polarizare 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 curent-tensiune va fi tipică pentru structurile de tip barieră. Aici, dependența curentului de tensiune este determinată de o modificare a numărului de purtători care participă la procesele de transfer de sarcină.

Dioda de siliciu și caracteristica sa curent-tensiune

Pe lângă Schottky, semiconductorii de siliciu sunt foarte populari în acest moment. Pentru o diodă de tip siliciu, caracteristica curent-tensiune arată astfel.

Caracteristicile I-V ale diodelor de siliciu și germaniu

Pentru astfel de semiconductori, această caracteristică începe la aproximativ 0,5-0,7 volți. Foarte des, semiconductorii de siliciu sunt comparați cu semiconductorii de germaniu. Dacă temperaturile ambientale sunt egale, atunci ambele dispozitive vor prezenta bandgap. În acest caz, un element de siliciu va avea un curent direct mai mic decât unul fabricat din germaniu. Aceeași regulă se aplică curentului invers. Prin urmare, semiconductorii de germaniu experimentează de obicei imediat o defecțiune termică 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 și curentul de injecție mai mic.

Caracteristici I-V și diodă redresoare

În concluzie, aș dori să iau în considerare această caracteristică pentru o diodă redresoare. O diodă redresoare este unul dintre tipurile de semiconductor care este folosit pentru a converti curentul alternativ în curent continuu.

Caracteristica I-V pentru o diodă redresoare

Diagrama prezintă caracteristica experimentală curent-tensiune și cea 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 în regiunile de bază și emițătoare ale cristalului;
constatările și contactele sale;
posibilitatea apariției curenților de scurgere de-a lungul suprafeței cristalului;
apariția proceselor de recombinare și generare în tranziția pentru purtători;
diverse tipuri de avarii etc.

Toți acești factori pot avea efecte diferite, conducând la o caracteristică curent-tensiune reală care diferă de cea teoretică. Mai mult, temperatura ambientală are un impact semnificativ asupra aspectului graficului în această situație.
Caracteristica curent-tensiune pentru o diodă redresoare demonstrează conductivitatea 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 practic nu trece prin element în direcția opusă. Dar acest lucru se întâmplă doar la anumiți parametri de tensiune inversă. 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 direcțiile invers și înainte. Se determină în funcție de tensiune și temperatura ambiantă.

Rezolvarea problemei pâlpâirii benzilor LED atunci când sunt pornite „Ochi de înger” pentru o mașină cu propriile mâini Structuri suport pentru iluminatul exterior: ce trebuie să știți