Что называется прямым и обратным напряжением диода

Введение в диоды и выпрямители

Диод – это электрическое устройство, которое позволяет току проходить через него в одном направлении с гораздо большей легкостью, чем в другом.

Наиболее распространенным типом диодов в современной схемотехнике является полупроводниковый диод, хотя существуют и другие диодные технологии. Условное обозначение полупроводниковых диодов на электрических схемах показано на рисунке ниже.

Термин «диод» обычно используется для небольших сигнальных устройств, I ≤ 1 А. Термин выпрямитель используется для мощных устройств, I > 1 А.

Условное графическое обозначение полупроводникового диода по ГОСТуЕще одно условное обозначение полупроводникового диода: стрелки показывают направление движения потока электронов

Если поместить диод в простую цепь между батареей и лампой, он либо разрешит, либо запретит протекание тока через лампу, в зависимости от полярности приложенного напряжения (рисунок ниже).

Работа диода: (a) Протекание тока допускается; диод смещен в прямом направлении. (b) Протекание тока запрещено; диод смещен в обратном направлении.

Когда полярность батареи такова, что электроны могут протекать через диод, то говорится, что на диод подано прямое смещение. И наоборот, когда батарея подключена «наоборот», и диод блокирует протекание тока, говорится, что на диод подано обратное смещение.

Диод может рассматриваться как выключатель: «замкнут» при прямом смещении и «разомкнут» при обратном смещении.

Как ни странно, направление «стрелки» на условном обозначении диода указывает в сторону, противоположную направлению потока электронов.

Это так потому, что условное обозначение было придумано инженерами, которые в основном используют традиционное обозначение тока на своих схемах, показывающее электрический ток, как поток зарядов от положительной (+) стороны источника напряжения к отрицательной (-) стороне.

Это соглашение справедливо для всех условных обозначений полупроводниковых приборов, обладающих «стрелками»: стрелка указывает в направлении, разрешенном для обычного тока, и противоположном направлению, разрешенному для потока электронов.

Поведение диода аналогично поведению гидравлического устройства, называемого обратным клапаном. Обратный клапан позволяет протекать потоку жидкости через него только в одном направлении (рисунок ниже).

Аналогия с гидравлическим обратным клапаном: (a) Поток электронов разрешен. (b) Поток электронов запрещен.

Обратные клапаны являются устройствами, управляемыми давлением: они открыты и разрешают поток, если давление через них имеет «полярность», правильную для открытия затвора (в показанной аналогии давление жидкости справа должно быть выше, чем слева).

Если давление соответствует противоположной «полярности», разница давлений через обратный клапан закроет и будет удерживать затвор так, что не будет никакого потока.

Как и обратные клапаны, диоды являются устройствами, управляемыми «давлением» (напряжением). Основная разница между прямым и обратным смещениями заключается полярности напряжения, падающего на диоде. Давайте подробнее рассмотрим показанную ранее простую схему, состоящую из батареи, диода и лампы. На этот раз изучив падения напряжения на различных компонентах (рисунок ниже).

Измерение напряжений на схеме с диодом: (a) Прямое смещение. (b) Обратное смещение.

Диод, смещенный в прямом направлении, проводит ток, и на нем падает небольшое напряжение, оставляя большую часть напряжения батареи на лампе. Если полярность батареи изменить, то на диод будет подано обратное смещение, и на нем будет падать всё напряжение батареи, не оставляя ничего для лампы.

Если мы рассмотрим диод как самостоятельный выключатель (замкнут в режиме прямого смещения и разомкнут в режиме обратного смещения), это поведение обретает смысл.

Наиболее существенная отличие от выключателя заключается в том, что в режиме пропускания тока на диоде падает гораздо большее напряжение по сравнению с обычным механическим выключателем (0,7 вольта против десятков милливольт).

Это падение напряжения при прямом смещении, демонстрируемое диодом, обусловлено действием обедненной области, образованной P-N переходом под действием приложенного напряжения. Если к полупроводниковому диоду не приложено никакое напряжение, существует тонкая обедненная область вокруг области P-N перехода, предотвращающая протекание тока (рисунок ниже (a)). Обедненная область почти лишена носителей заряда и действует как диэлектрик:

Представления диода: модель PN-перехода, условное обозначение, реальная радиодеталь

Условное обозначение диода показано на рисунке выше (b) таким образом, что анод (указывающий конец) соответствует полупроводнику P-типа на (a). Полоса катода, не указывающий конец, на (b) соответствует материалу N-типа на (a). Также отметим, что полоса на реальном компоненте (c) соответствует катоду на условном обозначении.

Если на P-N переход подается напряжение обратного смещения, это расширяет обедненную область, увеличивая сопротивление протеканию тока через диод (рисунок ниже).

Обедненная область расширяется при обратном смещении

И наоборот, если на P-N переход подано напряжение прямого смещения, обедненная область разрушается, становясь тоньше. Диод оказывает меньшее сопротивление протеканию через него тока. Для устойчивого протекания тока через диод, обедненная область в нем должна быть полностью разрушена приложенным напряжением. Для этого необходимо определенное минимальное напряжение, называемое прямым напряжением, как показано на рисунке ниже.

Увеличение прямого смещения от (a) до (b) уменьшает толщину обедненной области

Для кремниевых диодов типовое значение прямого напряжения составляет 0,7 вольта. Для германиевых диодов прямое напряжение составляет всего 0,3 вольта. На номинальное значение прямого напряжение диода влияет химический состав его P-N перехода, поэтому кремниевые и германиевые диоды обладают такими разными значениями прямого напряжения.

Прямое падение напряжения остается приблизительно постоянным в широком диапазоне токов, протекающих через диод, а это означает, что падение напряжения на диоде не похоже на падение напряжения на резисторе или даже обычном (замкнутом) выключателе.

Для наиболее упрощенного анализа схемы падение напряжения на диоде в режиме пропускания тока можно считать постоянным, равным номинальному значению и не связанным с величиной тока.

На самом деле, прямое падение напряжения является более сложным. Уравнение, приведенное ниже, описывает точный ток через диод, учитывая падение напряжения на переходе, температуру перехода и несколько физических констант. Это уравнение наиболее известно, как уравнение Шокли для диода:

\[I_D = I_S ( e{qV_D / NkT} — 1)\]

где

ID – ток, проходящий через диод, в амперах;
IS – ток насыщения диода, в амперах;
e – постоянная Эйлера (~2,718281828);
q – заряд электрона (1,6 × 10-19 кулона);
VD – напряжение на диоде, в вольтах;
N – коэффициент «неидеальности» или «эмиссии» (обычно равен от 1 до 2);
k – постоянная Больцмана (1,38 × 10-23);
T – температура перехода в Кельвинах.

Значение kT/q описывает напряжение, создаваемое внутри P-N перехода из-за воздействия температуры и называемое тепловым напряжением, или Vt, перехода. При комнатной температуре оно составляет примерно 26 милливольт. Зная это, и предполагая, что коэффициент «неидеальности» равен 1, мы можем упростить уравнение Шокли для диода и переписать его так:

\[I_D = I_S ( e{V_D / 0,026} — 1)\]

где

ID – ток, проходящий через диод, в амперах;
IS – ток насыщения диода, в амперах;
e – постоянная Эйлера (~2,718281828);
VD – напряжение на диоде, в вольтах.

Для анализа простых схем с диодами вам не нужно знать уравнение Шокли для диода. Просто знайте, что падение напряжение на диоде в режиме пропускания тока изменятеся с величиной протекающего через диод тока, но это изменение достаточно мало в широком диапазоне значений тока.

Именно поэтому многие учебники просто говорят, что падение напряжение на полупроводниковом диоде в режиме пропускания тока остается постоянным на уровне 0,7 вольта для кремниевых диодов и 0,3 вольта для германиевых диодов. Тем не менее, некоторые схемы намеренно используют свойственную P-N переходу экспоненциальную зависимость тока от напряжения и, таким образом, могут быть поняты только в контексте данного уравнения.

Кроме того, поскольку температура является одной из составляющих уравнения Шокли для диода, P-N переход с прямым смещением может быть также использован в качестве устройства, чувствительного к температуре, работа которого может быть понята только при понимании идеи этой математической связи.

Диод с обратным смещением предотвращает протекание через него тока, из-за расширенной обедненной области. В действительности, небольшой ток всё-таки может пройти и проходит через диод с обратным смещением. Данный ток называется током утечки и может быть проигнорирован в большинстве случаев.

Возможность диода выдерживать напряжения обратного смещения ограничено, как у любого диэлектрика. Если приложенное напряжение обратного смещения становится слишком большим, диод будет испытывать состояние, известное как пробой (рисунок ниже), которое обычно для диода разрушительно.

Значение максимального напряжения обратного смещения известно как максимальное обратное напряжение и может быть получено из данных, предоставляемых производителем.

Как и прямое напряжение, значение максимального обратного напряжения диода зависит от температуры; только отличие заключается в том, что максимальное обратное напряжение увеличивается с увеличением температуры и уменьшается при охлаждении диода – поведение, в точности противоположное поведению прямого напряжения.

Вольт-амперная характеристика диода, показывающая изгиб при 0,7 В прямого смещения для Si и пробой при обратном смещении.

Как правило, значение максимального обратного напряжения типового выпрямительного диода составляет не менее 50 вольт при комнатной температуре. Диоды со значениями максимального обратного напряжения в тысячи вольт также доступны.

Подведем итоги

Диод представляет собой электрический компонент, действующий для тока, как односторонний клапан.
Прикладывание к диоду напряжения таким образом, что диод начинает пропускать ток, называется прямым смещением.
Прикладывание к диоду напряжения таким образом, что диод перестает пропускать ток, называется обратным смещением.
Падение напряжение на проводящем диоде с прямым смещением называется прямым напряжением. Прямое напряжение диода лишь в незначительной степени зависит от изменений прямого тока и температуры и фиксируется с помощью химического состава P-N перехода.
Кремниевые диоды имеют прямое напряжение около 0,7 вольт.
Германиевые диоды имеют прямое напряжение около 0,3 вольт.
Максимальное напряжение обратного смещения, которое диод може выдержать без «разрушения», называется максимальным обратным напряжением.

Оригинал статьи:

Introduction to Diodes And Rectifiers

Характеристики и параметры полупроводникового диода

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода на постоянном токе (статическая характеристика).

Вольт-амперная характеристика — это зависимость тока i, протекающего через диод, от напряжения u , приложенного к диоду (рис. 1.25). Вольт-амперной характеристикой называют и график этой зависимости.

Вначале будем полагать (см. рис. 1.25), что обратное напряжение (u< 0) по модулю меньше напряжения пробоя p-n-перехода. Тогда в первом приближении можно считать, что вольт-амперная характеристика диода определяется уже рассмотренным идеализированным описанием характеристики p-n-перехода: i=is· (eu/φr- 1)

Тепловой ток is обусловлен генерацией неосновных носителей в областях, прилегающих к области p-n-перехода. Однако часто это идеализированное описание дает неприемлемую погрешность.

Особенно большая погрешность возникает при вычислении тока диода, включенного в обратном направлении (U < 0, i < 0). Вычисленный по рассматриваемому выражению ток (i= -is при |u| >> (φт)) для кремниевых диодов оказывается на несколько порядков меньше реального.

В то же время стоит отметить, что в некоторых расчетах обратным током вообще можно пренебречь.

Укажем причины отличия характеристик реальных диодов от идеализированных. Обратимся к прямой ветви вольт-амперной характеристики диода (u> 0,i> 0). Она отличается от идеализированной из-за того, что в реальном случае на нее влияют:

сопротивления слоев полупроводника (особенно базы);
сопротивления контактов металл-полупроводник.

Важно отметить, что сопротивление базы может существенно зависеть от уровня инжекции (уровень инжекции показывает, как соотносится концентрация инжектированных неосновных носителей в базе на границе перехода с концентрацией основных носителей в базе). Влияние указанных сопротивлений приводит к тому, что напряжение на реальном диоде при заданном токе несколько больше (обычно на доли вольта), чем это следует из формулы.

Обратимся к обратной ветви (u< 0, i < 0). Основные причины того, что реально обратный ток обычно на несколько порядков больше тока is, следующие:

термогенерация носителей непосредственно в области p-n-перехода;
поверхностные утечки.

Термогенерация в области p-n-перехода оказывает существенное влияние на ток потому, что область перехода обеднена подвижными носителями заряда, и процесс рекомбинации (обратный процессу генерации и в определенном смысле уравновешивающий его) здесь замедлен.

При комнатной температуре для кремниевых приборов ток термогенерации обычно существенно превышает тепловой ток is.

Для ориентировочных расчетов можно считать, что с повышением температуры ток is удваивается примерно на каждые 5°С, а ток термогенерации удваивается примерно на каждые 10°С. При температуре около 100°С ток is сравнивается с током термогенерации.

Поверхностные утечки часто составляют подавляющую долю обратного тока. Их причинами являются:

поверхностные энергетические уровни, обеспечивающие активные процессы генерации и рекомбинации;
молекулярные и ионные пленки, шунтирующие p-n-переход.

При увеличении модуля обратного напряжения ток утечки вначале изменяется линейно, а затем более быстро. ток утечки характеризуется так называемой «ползучестью» — изменением в течение времени от нескольких секунд до нескольких часов.

При практических ориентировочных расчетах иногда принимают, что общий обратный ток кремниевого диода увеличивается в 2 раза или в 2,5 раза на каждые 10°С.

Для примера изобразим характеристики выпрямительного кремниевого диода Д229А при различных температурах (максимальный средний прямой ток — 400 мА, максимальное импульсное обратное напряжение — 200 В). Прямые ветви характеристик представлены на рис. 1.26, а обратные (до режима пробоя) — на рис. 1.27.

Обратимся к режиму пробоя полупроводникового диода и соответствующему участку обратной ветви вольт-амперной характеристики (на рис. 1.27 этот участок не показан).

Диоды многих конкретных типономиналов не предназначены для работы в режиме пробоя. Для них этот режим работы — аварийный. Если при пробое ток в цепи не ограничивается (например, внешним сопротивлением), то диод выходит из строя. В таких приборах при чрезмерном увеличении обратного напряжения (по модулю) практически сразу же начинается тепловой пробой (участок электрического пробоя практически отсутствует).

Напряжение начала пробоя для рассматриваемых диодов — величина нестабильная (пробой начинается при u= -u роб, где uпроб— так называемое напряжение пробоя — положительная величина). Изобразим соответствующую вольт-амперную характеристику (рис. 1.28).

Диоды некоторых конкретных типов спроектированы с расчетом на работу в режиме лавинного пробоя в течение некоторого короткого времени. Такие диоды называют лавинными. Если отрезок времени, в течение которого диод находится в режиме лавинного пробоя, невелик, то его p-n-переход не успевает перегреться и диод не выходит из строя.

Иначе лавинный пробой перейдет в тепловой и диод выйдет из строя.

Изобразим вольт-амперную характеристику для лавинного диода (рис. 1.29).

Лавинные диоды, как правило, более надежны в сравнении с обычными кратковременные (перенапряжения не выводят лавинный диод из строя).

Для некоторых конкретных типов диодов режим пробоя является основным рабочим режимом. Это так называемые стабилитроны, рассматриваемые ниже.

Зависимость барьерной емкости диода от напряжения

Приведем график зависимости общей емкости Сд кремниевого диода 2Д212А от обратного напряжения (основной вклад в общую емкость вносит барьерная емкость) (рис. 1.30).

Для этого диода максимальный постоянный (средний) прямой ток — 1 А, максимальное постоянное (импульсное) обратное напряжение — 200 В.

Временные диаграммы тока и напряжения диода при его переключении

Обратимся к схеме на рис. 1.31. Предполагается, что вначале ключ К подключает источник напряжения u1, а затем, в момент времени t = 0, источник напряжения u2.

Предполагается также, что напряжения u1 и u2 значительно больше прямого падения напряжения на диоде. Изобразим соответствующие временные диаграммы (рис. 1.32).

До момента времени t = 0 протекает ток i1, который с учетом принятого условия u1>>u определяется выражением i1=u1/R/ Сразу после переключения ключа К и в течение так называемого времени рассасывания tрас протекает ток i2, который ограничивается практически только сопротивлением R, т. е. i2= — (u1/R). В этот отрезок времени в базе диода уменьшается (рассасывается) заряд накопленных при протекании тока неравновесных носителей. Заряд уменьшается в результате рекомбинации и перехода неосновных носителей в эмиттер.

По истечении времени tpac концентрация неосновных носителей в базе на границе p-n-перехода становится равной равновесной. В глубине же базы неравновесный заряд еще существует. Длительность времени рассасывания прямо пропорциональна среднему времени жизни неосновных носителей в базе и зависит от соотношения токов i1 и i2 (чем больше по модулю ток i2, тем меньше, при заданном токе i1, время рассасывания).

В момент времени t1 напряжение на диоде начинает быстро возрастать по модулю, а ток i уменьшаться по модулю (спадать). Соответствующий отрезок времени tcп называют временем спада. Время спада отсчитывают до того момента t2 которому соответствует достаточно малое (по модулю) значение тока i3.

Время спада зависит от времени жизни носителей, а также от барьерной емкости диода и от сопротивления R схемы.

Чем больше указанные емкость и сопротивление R, тем медленнее спадает ток.

Отрезок времени tвос = tpac + tcп называется временем восстановления (временем обратного восстановления).

После завершения переходного процесса (момент времени t3) через диод течет ток iобр ycm — обратный ток в установившемся режиме (определяемый по статической вольт-амперной характеристике диода).

Для упомянутого выше диода 2Д212А типовое время восстановления — 150 нc (150 · 10~9с) при i1 = 2 А (импульсный ток) и i2 = 0,2 А.

Параметры диодов

Для того, чтобы количественно охарактеризовать диоды, используют большое количество (измеряемое десятками) различных параметров. Некоторые параметры характеризуют диоды самых различных подклассов.

Другие же характеризуют специфические свойства диодов только конкретных подклассов.

Укажем наиболее широко используемые параметры, применяемые к диодам различных подклассов:

Iпр макс — максимально допустимый постоянный прямой ток;

Uпp — постоянное прямое напряжение, соответствующее заданному току;

Uобр макс — максимально допустимое обратное напряжение диода (положительная величина);

Iобр макс — максимально допустимый постоянный обратный ток диода (положительная величина; если реальный ток больше, чем Iобр макс , то диод считается непригодным к использованию);

Rдиф — дифференциальное сопротивление диода (при заданном режиме работы).

В настоящее время существуют диоды, предназначенные для работы в очень широком диапазоне токов и напряжений. Для наиболее мощных диодов Iпр макс составляет килоамперы, a Uобр макс — киловольты.

Источник: https://pue8.ru/silovaya-elektronika/826-kharakteristiki-i-parametry-poluprovodnikovogo-dioda.html

Московский Политех — Тема 1: Элементы электронных схем

Элементной базой электронных устройств являются полупроводниковые приборы, резисторы, конденсаторы и другие элементы.

Основным показателем совершенства электронной аппаратуры является плотность упаковки, т.е. количество элементов схемы в 1 см3 действующего устройства.

Технология изготовления интегральных схем обеспечивает плотность упаковки в несколько тысяч элементов в 1 см3.

Резисторы

Резисторы являются наиболее распространенными элементами и имеют следующее условное графическое обозначение (УГО):

Резисторы изготавливаются из проводящего материала: графита, тонкой металлической пленки, провода с невысокой проводимостью.

Резистор характеризуется величиной сопротивления: R = U / I, а также мощностью, которую резистор рассеивает в пространство, допуском, температурным коэффициентом, уровнем шума. Промышленность выпускает резисторы с сопротивление от 0,01 Ом до 1012 Ом и мощностью от 1/8 до 250 Вт с допуском от 0,005% до 20%. Резисторы используются в качестве нагрузочных и токоограничительных сопротивлений, делителей напряжения, добавочных сопротивлений, шунтов.

Конденсаторы

Конденсатор – устройство с двумя выводами и обладающее свойством:

Q = C · U,

С – емкость в фарадах;
U – напряжение в вольтах;
Q – заряд в кулонах.

УГО конденсатора следующее:

Промышленность выпускает керамические, электролитические и слюдяные конденсаторы с емкостью от 0,5 пФ до 1000 мкФ и максимальным напряжением от 3В до 10 кВ.

Конденсаторы используются в колебательных контурах, фильтрах, для разделения цепей постоянного и переменного тока, в качестве блокировочных элементов. В цепях переменного тока конденсатор ведет себя как резистор, сопротивление которого уменьшается с ростом частоты.

Катушки индуктивности

Катушка индуктивности – устройство, обладающее свойством:

U = L · dI / dt,

L – индуктивность в генри (или мГн, или мкГн);
U – напряжение в вольтах;
dI/dt – скорость изменение тока.

УГО катушки индуктивности следующее:

Катушка индуктивности – свернутый в спираль изолированный проводник, обладающий значительной индуктивностью при относительно малой емкости и малом активном сопротивлении. Материалом сердечника служит обычно железо или феррит в виде бруска, тора.

В цепях переменного тока катушка ведет себя как резистор, сопротивление которого растет с увеличением частоты.

Трансформатор – это устройство, состоящие из двух индуктивно связанных катушек индуктивности, называемой первичной и вторичной обмоткой.

ЭТО ИНТЕРЕСНО: Сколько ампер в переменном токе

УГО трансформатора с магнитопроводом:

Коэффициент трансформации:

n = w1 / w2

где w1 и w2 – число витков

Трансформаторы служат для преобразования переменных напряжений и токов, а также для изолирования от сети.

Полупроводниковые приборы

Действие полупроводниковых приборов основано на использовании свойств полупроводников.

Количество известных в настоящее время полупроводниковых материалов довольно велико. Для изготовления полупроводниковых приборов применяются простые полупроводниковые вещества – германий, кремний, селен – и сложные полупроводниковые материалы – арсенид галлия, фосфит галлия и другие. Значения удельного электрического сопротивления в чистых полупроводниковых материалах лежат от 0,65 Ом·м (германий) до 108 Ом·м (селен).

Полупроводники или полупроводниковые соединения бывают собственными (чистыми) и с примесью (легированными) В чистых полупроводниках концентрация носителей заряда – свободных электронов и дырок составляет лишь 1016 – 1018 на 1 см3 вещества.

Для снижения удельного сопротивления полупроводника и придания ему определенного типа электропроводности – электронной при преобладании свободных электронов или дырочной при преобладании дырок – в чистые полупроводники вносят определенные примеси. Такой процесс называется легированием.

В качестве легирующих примесей используют элементы 3 и 5 групп периодической системы элементов Д. И. Менделеева.

Легирующие элементы 3 группы создают дырочную электропроводность полупроводниковых материалов и называются акцепторным примесями, элементы 5 группы – электронную электропроводность называют донорными примесями.

Собственные полупроводники – это полупроводники, в которых нет примесей (доноров и акцепторов). При Т = 0 в собственном полупроводнике свободные носители заряда отсутствуют, а концентрация носителей заряда равна Nn = Np = 0 и он не проводит ток. При Т > 0 часть электронов забрасывается из валентной зоны в зону проводимости.

Эти электроны и дырки могут свободно перемещаются по энергетическим зонам. На практике применяются легированные полупроводники. Удельное электрическое сопротивление легированного полупроводника существенно зависит от концентрации примесей.

При концентрации примесей 1020 – 1021 на см3 вещества оно может быть снижено до 5 · 10-6 Ом·м для германия и 5 · 10-5 Ом·м для кремния.

При приложении электрического поля к легированному полупроводнику в нем протекает электрический ток.

Полупроводниковые резисторы

Полупроводниковым резистором называют полупроводниковый прибор с двумя выводами, в котором используется зависимость электронного сопротивления полупроводника от напряжения, температуры, освещенности и других управляющих параметров.

В полупроводниковых резисторах применяется полупроводник, равномерно легированный примесями. В зависимости от типа примесей и конструкции удается получить различные зависимости от управляющих параметров.

Линейный резистор – полупроводниковый резистор, в котором применяется слаболегированный материал типа кремния или арсенида галлия.

Удельное электрическое сопротивление такого полупроводника мало зависит от напряженности электрического поля и плотности электрического тока. Поэтому сопротивление линейного полупроводникового резистора остается практически постоянным в широком диапазоне напряжений и токов. Полупроводниковые линейные резисторы широко применяют в интегральных микросхемах.

Вольт-амперная характеристика линейного резистора

Нелинейные резистивные элементы

УГО нелинейного резистивного элемента показано на рисунке:

Ток I, протекающий через нелинейный элемент, напряжение U на нем. Зависимость U(I) или I(U) называется вольт-амперной характеристикой.

Варисторы

Резистивные элементы, сопротивления которых зависит от напряженности электрического поля, называются варисторами. Варисторы изготавливают из прессованных зерен карбида кремния. Электропроводимость материала, в основном, обусловлена пробоем оксидных пленок, покрывающих зерна. Она определяется напряженностью приложенного электрического поля, т.е. зависит от величины приложенного напряжения.

Условное графическое изображения варистора и его вольт-амперная характеристика показаны на рисунке:

Варисторы характеризуются номинальным напряжением Uном, номинальным значением тока Iном, а также коэффициентом нелинейности β. Этот коэффициент равен отношению статического сопротивления к дифференциальному в точке характеристики с номинальными значениями напряжения и тока:

где U и I – напряжение и ток варистора. Коэффициент нелинейности для различных типов варисторов в пределах 2 – 6

Термисторы

Большую группу нелинейных резистивных элементов представляют управляемые нелинейные элементы. К ним относятся терморезисторы (термисторы) – нелинейные резистивные элементы, вольт-амперные характеристики которых существенно зависят от температуры.

В некоторых типах терморезисторов температура меняется за счет специального подогревателя. Терморезисторы выполняют или из металла (медь, платина), сопротивления которого существенно изменяется при изменении температуры, или из полупроводников.

В полупроводниках терморезисторах зависимость сопротивления от температуры описывается аналитической функцией

Здесь R(T0) – значение статического сопротивления при температуре T0 = 293 К, где Т – абсолютная температура, а В – коэффициент. Условное графическое обозначение термистора, его температурная характеристика, вольт-амперная характеристика показана на рисунке:

Различают два типа терморезисторов: термистор, сопротивление которого с ростом температуры падает, и позистор, у которого с сопротивление с повышением температуры возрастает. Буквенное обозначение термистора с отрицательным температурным коэффициентом – ТР, а с положительным коэффициентом – ТРП. Температурный коэффициент ТКС = , где R1 — сопротивление при номинальной температуре, ΔR- изменение сопротивления при изменении температуры на величину Δt.

Конструктивно термисторы выполняют в виде бусин, шайб, дисков.

Фоторезисторы

Фоторезистор – это полупроводниковый резистор, сопротивление которого зависит от светового потока, падающего на полупроводниковый материал или от проникающего электромагнитного излучения. Наибольшее распространение получили фоторезисторы с положительным фотоэффектом (например, СФ2-8,СФ3-8). УГО такого элемента показано на рисунке:

В фоторезисторах сопротивление изменяется в результате облучения пластины из полупроводникового материала световым потоком в видимом, ультрафиолетовом или инфракрасном диапазоне. В качестве материала используется сульфиды таллия, теллура, кадмия, свинца, висмута.

Вольт-амперные характеристики фоторезисторов представляют собой линейные функции, угол наклона которых зависит от величины светового потока. В координатах I – U (ток по вертикали) угол, составляемый прямой с горизонтальной осью (ось напряжения), тем больше, чем больше световой поток. Темновое сопротивление резисторных оптронов составляет 107 – 109 Ом. В освещенном состоянии оно снижается до нескольких сотен Ом. Быстродействие их невелико и ограничивается значениями в несколько килогерц.

Магниторезисторы

Магниторезисторы – полупроводниковые материалы, электрическое сопротивление которых зависит от величины напряженности магнитного поля, действующего на материал. В качестве материала используется висмут, германий и др. Сопротивление магниторезистора описывается зависимостью

где R(0) – сопротивление при Н = 0; α – коэффициент, Н – напряженность магнитного поля, в которое помещен магниторезистор.

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковые диоды являются одним из наиболее распространенных подклассов полупроводниковых приборов. Их отличает разнообразие основополагающих физических принципов, разнообразие используемых полупроводниковых материалов, многообразие конструктивных и технологических реализаций. Полупроводниковые диоды по функциональному назначению могут быть разделены на:

Выпрямительные (включая столбы, мосты, матрицы), импульсные, стабилитроны, варикапы, управляемые вентили (тиристоры, симметричные тиристоры – симисторы, динисторы);
СВЧ-диоды: детекторные, смесительные, параметрические, pin-диоды, лавинопролетные, туннельные, диоды Ганна;
Оптоэлектронные: фотодиоды, светодиоды, ИК-излучатели, лазерные диоды на основе гетероструктур;
Магнитодиоды.

Слаболегированные полупроводники используются для изготовления маломощных диодов, а сильнолегированные – для изготовления мощных и импульсивных диодов.

Основное значение для работы полупроводниковых диодов имеет электронно-дырочный переход, который для краткости называется р-n переходом.

Электронно-дырочный р-n переход

Источник: https://mospolytech.ru/?id=2224

Диод Шоттки

Диод Шоттки относится к семейству диодов. Выглядит он почти также, как и его собратья, но есть небольшие отличия.

Простой диод выглядит на схемах вот так:

обозначение диода на схеме

Стабилитрон уже обозначается, как диод с “кепочкой”

обозначение стабилитрона на схеме

Диод Шоттки имеет две “кепочки”

обозначение диода шоттки на схеме

Чтобы проще запомнить, можно добавить голову и ножки и представить себе человечка, танцующего ламбаду)

Обратное напряжение диода Шоттки

Итак, как вы помните, диод пропускает электрический ток только в одном направлении, а в другом направлении блокирует прохождение электрического тока до какого-то критического значения, называемым обратным напряжением диода.

Это значение можно найти в даташите

обратное напряжение диода

Для каждой марки диода оно разное

Если превысить это значение, то произойдет пробой, и диод выйдет из строя.

Падение напряжения на диоде Шоттки

Если же подать прямой ток на диод, то на диоде будет “оседать” напряжение. Это падение напряжения называется прямым падением напряжения на диоде. В даташитах обозначается как Vf , то есть Voltage drop.

прямое падение напряжения на диоде

Если пропустить через такой диод прямой ток, то мощность, которая будет на нем рассеиваться, будет определяться формулой:

где

P – мощность, Вт

Vf – прямое падение напряжение на диоде, В

I – сила тока через диод, А

Поэтому, одним из главных преимуществ диода Шоттки является то, что его прямое падение напряжения намного меньше, чем у простого диода. Следовательно, он будет меньше рассеивать тепло, или простым языком, меньше нагреваться.

Давайте рассмотрим один из примеров. Возьмем диод 1N4007. Его прямое падение напряжения составляет 0,83 Вольт, что типично для простого полупроводникового диода.

падение напряжение на диоде в прямом включении

В настоящий момент через него проходит сила тока, равная 0,5 А. Давайте рассчитаем его рассеиваемую мощность в данный момент. P=0,83 x 0,5 = 0,415 Вт.

Если рассмотреть этот случай через тепловизор, то можно увидеть, что его температура корпуса составила 54,4 градуса по Цельсию.

Теперь давайте проведем тот же самый эксперимент с диодом Шоттки 1N5817. Как вы видите, его прямое падение напряжения составило примерно 0,35 В.

падение напряжения на диоде Шоттки при прямом включении

При прохождении силы тока через диод Шоттки в 0,5 А, мы получим рассеиваемую мощность P=0,5 x 0,35 = 0,175 Вт. При этом тепловизор нам покажет, что температура корпуса уже будет 38,2 градуса.

Следовательно, Шоттки намного эффективнее, чем простой полупроводниковый диод в плане пропускания через себя прямого тока, так как он обладает меньшим падением напряжения, а следовательно, меньше рассеивает тепло в окружающее пространство и меньше нагревается.

Прямое падение напряжения можно также посмотреть и в даташитах. Например, прямое падение напряжения на диоде Шоттки 1N5817 можно найти из графика зависимости прямого тока от падения напряжения на диоде Шоттки

график зависимости прямого тока от напряжения

В нашем случае если следовать графо-аналитическому способу, то мы как раз получаем значение 0,35 В

Диод Шоттки в ВЧ цепях

Также диоды Шоттки обладают быстрой скоростью переключения. Это значит, что мы можем использовать их в высокочастотных (ВЧ) цепях.

Итак, возьмем генератор частоты и выставим синус частотой в 60 Гц

Возьмем диод 1N4007 и диод Шоттки 1N5817. Подключим их по простой схеме однополупериодного выпрямителя

ЭТО ИНТЕРЕСНО: На каком расстоянии от забора можно ставить электрический столб

и будем снимать с них показания

Как вы видите, оба они прекрасно справляются со своей задачей по выпрямлению сигнала на частоте в 60 Гц.

Но что будет, если мы увеличим частоту до 300 кГц?

Ого! Диод Шоттки более-менее справляется со своей задачей, что нельзя сказать о простом диоде 1N4007. Простой диод не может справиться со своей задачей не пропускать обратный ток, поэтому на осциллограмме мы видим отрицательный выброс

Отсюда можно сделать вывод: диоды Шоттки рекомендуется использовать в ВЧ цепях.

Обратный ток утечки

Но раз уж диоды Шоттки такие крутые, то почему бы их не использовать везде? Почему мы до сих пор используем простые диоды?

Если мы подключим диод в обратном направлении, то он будет блокировать прохождение электрического тока. Это верно, но не совсем. Очень маленький ток все равно будет проходить через диод. В некоторых случаях это не принимают во внимание. Этот маленький ток называется обратным током утечки. На английский манер это звучит как reverse leakage current.

Он очень мал, но имеет место быть.

Проведем простой опыт. Возьмем лабораторный блок питания, выставим на нем 19 В и подадим это напряжение на диод в обратном направлении

Замеряем ток утечки

обратный ток утечки диода

Как вы видите, его значение составляет 0,1 мкА.

Давайте теперь повторим этот же самый опыт с диодом Шоттки

обратный ток утечки диода Шоттки

Ого, уже почти 20 мкА! Ну да, в некоторых случаях это сущие копейки и ими можно пренебречь. Но есть схемы, где все-таки недопустим такой незначительный ток. Например, в схемах пикового детектора

схема пик детектора

В этом случае эти 20 мкА будут весьма значительны.

Но есть также еще один камень преткновения. С увеличением температуры обратный ток утечки возрастает в разы!

зависимость обратного тока утечки от температуры корпуса диода Шоттки

Поэтому, вы не можете использовать Шоттки везде в схемах.

Но и это еще не все. Обратное напряжение для диодов Шоттки в разы меньше, чем для простых выпрямительных диодов. Это можно также увидеть из даташита. Если для диода 1N4007 обратное напряжение составляет 1000 В

То для диода Шоттки 1N5817 это обратное напряжение уже будет составлять всего-то 20 В

Поэтому, если это напряжение превысит значение, которое описано в даташите, мы в итоге получим:

Применение диодов Шоттки

Диоды Шоттки находят достаточно широкое применение. Их можно найти везде, где требуется минимальное прямое падение напряжения, а также в цепях ВЧ. Чаще всего их можно увидеть в компьютерных блоках питания, а также в импульсных стабилизаторах напряжения.

Также эти диоды нашли применение в солнечных панелях, так как солнечные панели генерируют электрический ток только в светлое время суток. Чтобы в темное время суток не было обратного процесса потребления тока от аккумуляторов, в панели монтируют диоды Шоттки

Шоттки в солнечных панелях

В компьютерной технике чаще всего можно увидеть два диода в одном корпусе

При написании данной статьи использовался материал с этого видео

Источник: https://www.ruselectronic.com/schottky-diode/

Малоизвестные факты из жизни IGBT и FWD Часть 1. Особенности FWD

Справочная величина VF определяет максимально возможное прямое падение напряжения на диоде при определенной величине тока IF. Как правило, значение VF в документации дается при комнатной и предельной рабочей температурах. Чтобы ток протекал в прямом направлении, он должен преодолеть диффузионное напряжение p-n-перехода и сопротивление пограничной n—-области. Соответственно, VF состоит из двух компонентов:

Диффузионное напряжение зависит от количества легирующих присадок и, как правило, находится в диапазоне 0,6–0,8 В. Величина омической составляющей задается шириной базы wB (пропорциональной блокирующей способности) и плотностью носителей заряда.

У быстрых диодов с обратным напряжением 600 В и выше омическая часть является доминирующей.

Время жизни носителей заряда диодов, предназначенных для совместной работы с IGBT, должно быть максимально коротким, чтобы обеспечить экспоненциальную зависимость прямого напряжения от wB:

DA — коэффициент амбиполярной диффузии:

где k — постоянная Больцмана (1/K), k = 1,38066×10–23; q — заряд электрона, q = 1,60218×10–19; Т — абсолютная температура (К).

Параметры μn и μp определяют подвижность электронов и дырок, которая обеспечивает перемещение свободных зарядов в n–-области. Из-за наличия экспоненциальной зависимости величина wB должна быть как можно меньше.

Диффузионная составляющая напряжения имеет отрицательный температурный коэффициент, омическая — положительный. В зависимости от того, какая из них является доминирующей, «холодная» и «горячая» характеристики проводимости будут пересекаться при определенном уровне тока. Как правило, точка пересечения соответствует току, в три-четыре раза превышающему номинальное значение.

Рис. 1. Прямая и обратная ВАХ диода

Блокирующая способность

Справочная величина VR определяет максимально возможное обратное напряжение, при котором ток утечки не может превысить предельную величину IR (рис. 2).

Как правило, в документации VR дается при Т = +25 °С, при снижении температуры падает и блокирующая способность (в среднем на 1,5 В/К для диодов 12 класса), что необходимо принимать во внимание при проектировании аппаратуры, предназначенной для работы в холодном климате.

С повышением температуры растет не только величина допустимого обратного напряжения, но и ток утечки. При нагреве на каждые 10° величина IR в среднем удваивается, поэтому она нормируется для предельной рабочей температуры (+125 или +150°С).

Рис. 2. Зависимость тока утечки IR (CAL-диод 17 класса) от обратного напряжения VR

От ширины базы wB зависит не только прямое падение напряжения, но и блокирующая способность диода. На рис. 3 показаны два возможных случая.

Если величина wB выбрана таким образом, чтобы зона пространственного заряда не проникала в n+-область (треугольная форма поля), то такая структура называется NPT (Non-Punch-Through), данный термин часто применяется в отношении IGBT.

Если размер wB позволяет области заряда распространяться в n+-область, форма поля получается трапециидальной, и диод носит название РТ. На самом деле эта технология не является Punch-Through в полном смысле, поскольку при ее использовании пространственный заряд может проникать в любые другие легированные области; тем не менее этот термин используется достаточно широко.

Рис. 3. Структура слоев диода для 0≤w≤wB: а) при треугольной форме поля (NPT-диод); б) при трапециидальной форме поля (PT-диод)

Для идеального NPT-диода ширина базы выбирается так, чтобы при максимальном обратном напряжении граница распространения треугольного поля находилась в точке wB. При оптимальном легировании минимальная величина wB определяется следующим образом:

где С = 1,8×10–35 см6В–7.

Также рассчитывается и минимальная степень легирования для РТ-диодов. В предельном случае поле будет треугольным, Е1 = Е0 (рис. 3), следовательно:

По сравнению с NPT-диодом здесь справедливо следующее соотношение:

Хотя на практике этот предельный случай недостижим, существующие технологии позволяют подойти к нему достаточно близко:

Для реально используемых значений срока жизни носителей разница прямого напряжения PT- и NPT-диодов составляет примерно 0,8 В, поэтому предпочтение во всех возможных случаях отдается технологии РТ.

Процесс включения

Когда диод переходит в проводящее состояние, он должен преодолеть сопротивление слаболегированной области базы; соответственно, пиковое напряжение включения Von_peak увеличивается пропорционально величине wB.

Этот процесс усложняется в случае, если ширина базы делается большой для обеспечения высокой блокирующей способности (обратное напряжение выше 1200 В).

В данном случае оптимальные характеристики включения также обеспечиваются при использовании РТ-технологии, как было указано выше.

Диоды, используемые совместно с IGBT в качестве антипараллельных (оппозитных), всегда содержат так называемый «центр рекомбинации», позволяющий снизить время жизни носителей заряда.

Этот элемент структуры, получаемый, например, при легировании золотом, увеличивает сопротивление базы, чего стараются избегать у диодов с высоким блокирующим напряжением.

Внедрение центра рекомбинации путем платиновой диффузии, облучения пучком электронов или легких ионов приводит к небольшому увеличению напряжения включения, поэтому данные технологии используются чаще всего.

Когда диод переходит в проводящее состояние, уровень сигнала на нем сначала увеличивается до значения VFRM, после чего падает до величины статического прямого напряжения VF (рис. 4). При большой скорости нарастания тока (di/dt) VFRM может достигать 200–300 В (т. е.

более чем в 100 раз выше статического значения) для не самого высококачественного диода 17 класса. Таким образом, при переходе из блокированного в проводящее состояние формируется намного больший пик прямого сигнала, чем при включении диода из нейтрального положения.

Низкий уровень VFRM является одним из важнейших требований для снабберных диодов, поскольку цепи формирования траектории переключения начинают эффективно работать только после их включения.

Рис. 4. Процесс включения диода

Значение повторяющегося прямого напряжения важно и для антипараллельных диодов, работающих с IGBT выше 12 класса. Всплеск сигнала, образующийся при выключении транзистора из-за наличия паразитных индуктивностей, накладывается на VFRM диода, и результирующее суммарное напряжение может стать критическим.

Однако на самом деле ситуация несколько сложнее, поскольку величина и время действия коммутационного и пикового прямого сигнала должны оцениваться раздельно применительно к конкретной схеме.

Поведение при переходе в проводящее состояние не столь важно для расчета мощности рассеяния, так как потери включения диодов пренебрежимо малы по сравнению с потерями выключения и проводимости.

Процесс выключения

Для перехода диода из проводящего в закрытое состояние необходимо удалить заряд, накопленный в области перехода. Рассасывание этого заряда приводит к появлению реверсивного тока, форма и длительность которого определяет характеристики обратного восстановления диода.

Время спада тока di/dt (рис. 5) зависит от скорости выключения активного IGBT и индуктивности цепи коммутации. В точке t0 ток меняет направление, а в момент времени tw начинается резкий рост напряжения на диоде, при этом p-n-переход уже полностью освобожден от носителей заряда. Ток обратного восстановления достигает своего пика в точке tirm, после чего он спадает до уровня утечки.

Форма токовой кривой полностью зависит от свойств диода, ее крутой спад говорит о резком характере восстановления, а медленный, соответственно, присущ диодам с плавной, или «мягкой», характеристикой. От скорости восстановления dir/dt зависит величина коммутационного перенапряжения, вот почему для антипараллельных/оппозитных диодов так важна плавность.

Как показано на рисунке, время обратного восстановления trr определяется как период между t0 и моментом, когда ток спадает до 20% от пикового значения IRRM.

Рис. 5. Эпюры тока и напряжения при обратном восстановлении диода с «мягкой» характеристикой (схема рис. 15) и определение параметров восстановления

Плавное выключение и коммутационные перенапряжения

Соотношение времен tf и ts (рис. 5) может быть использовано в качестве критерия «плавности»:

Для минимизации уровня коммутационных всплесков «коэффициент плавности» S должен быть больше 1, однако такое определение не является однозначным. В соответствии с ним характеристика на рис. 6а может считаться «резкой», в то время как кривая на рис. 6б может рассматриваться как «плавная».

Однако, несмотря на то, что S>1, мы видим здесь достаточно резкий участок обратного тока, поэтому предпочтительнее было бы определять максимальное значение dif/dt на участке спада тока tf.

Для диодов с мягким характером восстановления показатель dif/dt должен быть близким к величине di/dt на участке ts.

Рис. 6. Токовая характеристика диодов с разными вариантами «резкого» восстановления

Оценка характера восстановления только в области номинальных рабочих режимов не является достаточной, поскольку этот процесс зависит от различных параметров схемы:

Ток: измерения должны быть проведены при низком (

Источник: https://power-e.ru/components/fakty-iz-zhizni-igbt-i-fwd-1/