Вольтамперная характеристика P-N перехода

 

Способность вещества проводить ток обычно оценивают сопротивлением R или проводимостью Q. В случае P-N перехода пользоваться этими параметрами было бы неудобно, так как и сопротивление, а следовательно и проводимость сами сильно зависят от приложенного напряжения и от тока (хота такие характеристики можно построить и закон ома для них справедлив; просто сопротивление становится не числом а функцией). Поэтому пользуются прямой зависимостью тока от напряжения, которая называется вольтамперная характеристика.

Для вольтамперной характеристики P-N перехода имеется математическое выражение полученное на основе уравнений квантовой физики [ 3 ] [ 4 ]. Вывод данного уравнения не входит в программу заочного обучения, однако его можно найти в указанных источниках.

В общем виде оно выглядит следующим образом:

4.1

где

I – ток через переход;

I₀ – тепловой ток, вызванный неосновными носителями. Его иногда называют обратным током насыщения;

U- приложенное к переходу напряжение;

е,q_е – заряд электрона (q_e=1,6*10^-19Кл);

е во втором варианте формулы – основание натурального логорифма (2,73);

k- постоянная Больцмана (к=1,38*10^-23Дж/⁰К);

Т- абсолютная температура;

m – коэффициент, зависящий от типа полупроводника (для кремния m=2).

 

Данное выражение определяет кривую - экспоненту с положительным показателем. Вольтамперная характеристика диода приведена на рис. 3.7.

 

 

Из рис. 3.7. видно, что обратная ветвь ВАХ, лежащая в III квадранте системы координат, идет практически по оси абсцисс. Поэтому, для более наглядного представления прямой и обратной ветвей обычно устанавливают неодинаковые масштабы отрицательной и положительной части оси:

-

 

 

Полупроводниковые диоды

Общие сведения

Диодом называется полупроводниковый прибор, содержащий один P-N переход. Диод может иметь отдельный корпус, либо не иметь корпуса вообще, например, если диод входит в кристалл интегральной микросхемы. По назначению диоды делятся на выпрямительные и специальные; в свою очередь выпрямительные диоды могут быть силовыми и слаботочными.

Условное обозначение диода (рис.4.1.) следующее:

Технология производства диодов и виды их конструкции подробно изложены в [1] с.46-48.

Слаботочные выпрямительные диоды часто объединяются в так называемые диодные сборки (по 4 штуки, соединенные между собой схемой моста). Силовые мощные диоды как правило дискретные, т.е. в одном корпусе только один диод. По конструкции силовые диоды как правило штыревые, таблеточные или прижимные. В последнее время широкое распространение получили прижимные диоды с изолированным основанием. Такая классификация показывает, каким образом диод крепится к радиатору, или охладителю. Охладитель представляет собой устройство, увеличивающее теплоотдачу в окружающую среду, а следовательно, снижающее температуру диода. На рис. 4.2. представлены слаботочные диоды, не требующие охладителя,.

Для того, чтобы определить катод и анод диода, на его корпус наносится специальная метка, либо изображение маленького диода. Определить выводы, а также исправность диода можно также с помощью многопредельного цифрового или аналогового прибора – тестера (мультиметра),

Единственное требование состоит в том, чтобы источник питания мультиметра обеспечивал напряжение, более высокое, чем пороговое напряжение диода (более 2,5В). Так , мультиметром с напряжением питания 9 В диоды проверять можно, а с напряжением питания 1,5 В – нельзя. Если на переключателе мультиметра нет позиции «диод», то его надо поставить в режим измерения сопротивления, желательно с пределом десятки или сотни килоОм, так как при этом в измерительной цепи выше напряжение. При прямом и обратном подключении исправного диода показания должны быть различными: При обратном включении мультиметр покажет очень высокое сопротивление, или бесконечность (переполнение шкалы), а при прямом - вполне конкретное сопротивление. Не надо пугаться, что его величина может быть большой – измерения производятся при низких напряжениях, близких к пороговому значению (см. ниже). Если диод неисправен (пробит), то в обеих направлениях сопротивление будет одинаковое.

Некоторые типы мультиметров, например английский серии UNIT-T имеют специальные позиции для проверки полупроводниковых приборов, в частности диодов. В этом случае переключатель прибора надо поставить на символ «диод» ( ) При этом свидетельство исправности диода – разность показаний прибора: если диод включен в прямом направлении (т.е. анод к клемме “+”, а катод к клемме “сом”), мультиметр покажет ток примерно 1 mA, в некоторых моделях приборов включается звуковой сигнал. При обратном включении – обратное напряжение примерно до 3 В. Главный признак – показания прибора должны различаться в прямом и обратном направлениях.Если показания одинаковы при прямом и обратном включении – диод пробит или имеет место обрыв.

Слаботочные диоды

Маркировка слаботочных диодов

Для распознания типа прибора и его характеристик на корпус диода (не всегда!) наносится маркировка в виде букв и цифр. По маркировке можно быстро узнать только некоторые основные параметры, более подробная информация – в справочной литературе или интернете.

Для диодов Российского производства принята следующая маркировка, соответствующая отраслевому стандарту ОСТ11336.919-81. Обозначения состоят из пяти элементов:

Первый элемент обозначения полупроводниковых приборов - буква или цифра - определяет исходный полупроводниковый материал из которого изготовлен прибор:

1 или Г - германий или соединения германия,

2 или К - кремний или соединения кремния,

3 или А - соединения галлия,

4 или И - соединения индия.

Второй элемент обозначения - буква - обозначающая подкласс (или группу) приборов:

Д - диоды выпрямительные, импульсные, диодные преобразователи (магнитодиоды, термодиоды и др.),

Ц - выпрямительные столбы и блоки,

В - варикапы,

И - диоды туннельные и обращенные,

А - диоды сверхвысокочастотные,

Ж - стабилизаторы тока,

С - стабилизаторы напряжения (стабилитроны, стабисторы, ограничители напряжения),

Г - генераторы шума,

Л - излучающие оптоэлектронные приборы,

О - оптопары,

Третий элемент обозначения - цифра - определяющая назначение или принцип действия прибора.

Диоды:

1 - выпрямительные со средним значением прямого тока I_пр.ср< 0,3 А,

2 - выпрямительные со средним значением прямого тока I_пр.ср> 0,3 А,

4- универсальные (f<1ГГц),

5 - импульсные (t_{вос.обр.}>150 нс),

(Для других типов приборов обозначения смотреть в справочнике)

 

Четвертый элемент обозначения - двухзначные числа от 01 до 99 - указывают порядковый номер разработки. Допускается использование трехзначных чисел от 101 до 999 при условии что порядковый номер разработки превышает число 99.

 

Пятый элемент обозначения - буква - условно определяющая классификацию (разбраковку по параметрам) приборов, изготовленных по единой технологии. В качестве классификационной литеры применяются буквы русского алфавита (за исключением З, О, Ч, Ы, Ш, Щ, Ю, Я, Ь, Ъ, Э).

Например, про прибор КД-202А можно сказать, что это выпрямительный диод, он выполнен на основе кремния, максимальный ток > 0,3 А (уточнить можно в справочнике), разработка 02, параметры классифицированы буквой А.

Силовые диоды

Силовые диоды, рассчитанные на токи от 10 до нескольких тысяч ампер, имеют принципиально иную конструкцию и иное обозначение. Так как при протекании больших токов в структуре диода выделяется большое количество тепла, такие приборы эксплуатируются с охладителями (радиаторами). Охладители обеспечивают отдачу тепла в окружающую среду и могут быть различных типов – воздушными, термосифонными, жидкостными.

Конструкция основных типов силовых диодов приведена на рис. 4.3.

 

Внешний вид корпусов, показанный на рис.4.3. содержит внутри структуру с P-N переходом, к которой подведены выводы. Таблеточные диоды выпускаются более мощными.

 

 

Маркировка силовых диодов

Маркировка силовых диодов существенно отличается от маркировки диодов слаботочных

Новая редакция ГОСТ 20859-79 устанавливает обозначение унифицированных силовых полупроводниковых приборов.

В соответствии с этим стандартом в обозначении типа приборов первый элемент - буква, обозначающая подкласс (вид) прибора:

Д - выпрямительный диод;
Второй элемент (может отсутствовать) обозначения - буква, определяющая функциональное назначение (свойство) приборов:

Ч - высокочастотный диод, для диодов с временем обратного восстановления менее 5 мкС (для низкочастотных приборов дополнительное буквенное обозначение не применяется);
И - импульсный диод, с временем включения менее 4 мкС.

Л - лавинный диод.

Третий элемент обозначения - цифра от 1 до 9, определяющая порядковый номер модификации прибора.

Четвертый элемент обозначения - цифра от 1 до 9, указывающая основной размер корпуса в соответствии с таблицей:

 

Таблица 4.1