- Пряме включення діода. Прямий струм.
- Зворотне включення діода. Зворотний струм.
- Пряме і зворотне напруга діода.
- Вольт-амперна характеристика напівпровідникового діода.
- Пробої pn переходу.
- Електричний пробій.
- Тунельний пробій.
- Лавинний пробій.
- Тепловий пробій.
Привіт шановні читачі сайту sesaga.ru . У першій частині статті ми з Вами розібралися, що таке напівпровідник і як виникає в ньому струм. Сьогодні ми продовжимо почату тему і поговоримо про принцип роботи напівпровідникових діодів.
Діод - це напівпровідниковий прилад з одним pn переходом, що має два висновки (анод і катод), і призначений для випрямлення, детектування, стабілізації, модуляції, обмеження і перетворення електричних сигналів.
За своїм функціональним призначенням діоди підрозділяються на випрямні, універсальні, імпульсні, СВЧ-діоди, стабілітрони, варикапи, переключають, тунельні діоди і т.д.
Теоретично ми знаємо, що діод в одну сторону пропускає струм, а в іншу немає. Але як, і яким чином він це робить, знають і розуміють не всі.
Схематично діод можна представити у вигляді кристала складається з двох напівпровідників (областей). Одна область кристала має провідність p-типу, а інша - провідність n-типу.
На малюнку дірки, що переважають в області p-типу, умовно зображені червоними кружками, а електрони, що переважають в області n-типу - синіми. Ці дві області є електродами діода анодом і катодом:
Анод - позитивний електрод діода, в якому основними носіями заряду є дірки.
Катод - анод діода, в якому основними носіями заряду є електрони.
На зовнішні поверхні областей нанесені контактні металеві шари, до яких припаяні дротові висновки електродів діода. Такий прилад може перебувати тільки в одному з двох станів:
1. Відкрите - коли він добре проводить струм;
2. Закрите - коли він погано проводить струм.
Пряме включення діода. Прямий струм.
Якщо до електродів діода підключити джерело постійної напруги: на висновок анода «плюс» а на висновок катода «мінус», то діод виявиться у відкритому стані і через нього потече струм, величина якого буде залежати від прикладеної напруги і властивостей діода.
При такій полярності підключення електрони з області n-типу кинуться назустріч діркам в область p-типу, а дірки з області p-типу рушать назустріч електронів в область n-типу. На кордоні розділу областей, званої електронно-дірковий або pn переходом, вони зустрінуться, де відбувається їх взаємне поглинання або рекомбінація.
Наприклад. Oсновной носії заряду в області n-типу електрони, долаючи pn перехід потрапляють в дірковий область p-типу, в якій вони стають неосновними. Що стали неосновними, електрони будуть поглинатися основними носіями в доречний області - дірками. Таким же чином дірки, потрапляючи в електронну область n-типу стають неосновними носіями заряду в цій області, і будуть також поглинатися основними носіями - електронами.
Контакт діода, з'єднаний з негативним полюсом джерела постійної напруги буде віддавати області n-типу практично необмежену кількість електронів, поповнюючи спадання електронів в цій області. А контакт, з'єднаний з позитивним полюсом джерела напруги, здатний прийняти з області p-типу така ж кількість електронів, завдяки чому відновлюється концентрація дірок в області p-типу. Таким чином, провідність pn переходу стане великою і опір току буде мало, а значить, через діод буде текти струм, званий прямим струмом діода Іпр.
Зворотне включення діода. Зворотний струм.
Поміняємо полярність джерела постійної напруги - діод виявиться в закритому стані.
У цьому випадку електрони в області n-типу стануть переміщатися до позитивного полюса джерела живлення, віддаляючись від pn переходу, і дірки, в області p-типу, також будуть віддалятися від pn переходу, переміщаючись до негативного полюса джерела живлення. В результаті межа областей як би розшириться, від чого утворюється зона збіднена дірками і електронами, яка буде надавати току великий опір.
Але, так як в кожній з областей діода присутні неосновні носії заряду, то невеликий обмін електронами і дірками між областями відбуватися все ж буде. Тому через діод буде протікати струм у багато разів менший, ніж прямий, і такий струм називають зворотним струмом діода (Iобр). Як правило, на практиці, зворотним струмом pn переходу нехтують, і звідси виходить висновок, що pn перехід має тільки однобічну провідність.
Пряме і зворотне напруга діода.
Напруга, при якому діод відкривається і через нього йде прямий струм називають прямим (Uпр), а напруга зворотної полярності, при якому діод закривається і через нього йде зворотний струм називають зворотним (Uобр).
При прямій напрузі (U пр) опір діода не перевищує і кількох десятків Ом, зате при зворотній напрузі (Uобр) опір зростає до кількох десятків, сотень і навіть тисяч кіло. У цьому не важко переконатися, якщо виміряти зворотне опір діода омметром.
Опір pn переходу діода величина не постійна і залежить від прямого напруги (U пр), яке подається на діод. Чим більше це напруга, тим менший опір надає pn перехід, тим більший прямий струм Іпр тече через діод. У закритому стані на діоді падає практично всю напругу, отже, зворотний струм, що проходить через нього малий, а опір pn переходу велике.
Наприклад. Якщо включити діод в ланцюг змінного струму, то його можна буде відкрити позитивних напівперіодах на аноді, вільно пропускаючи прямий струм (Іпр), і закриватися при негативних напівперіодах на аноді, майже не пропускаючи струм протилежного напрямку - зворотний струм (Iобр). Ці властивості діодів використовують для перетворення змінного струму в постійний, і такі діоди називають випрямними.
Вольт-амперна характеристика напівпровідникового діода.
Залежність струму, що проходить через pn перехід, від величини і полярності прикладеної до нього напруги зображують у вигляді кривої, яку називають вольт-амперної характеристикою діода.
На графіку нижче зображена така крива. За вертикальної осі у верхній частині позначені значення прямого струму (Іпр), а в нижній частині - зворотного струму (Iобр).
По горизонтальній осі в правій частині позначені значення прямого напруги Uпр, а в лівій частині - зворотної напруги (Uобр).
Вольт-амперна характеристика складається ніби з двох гілок: пряма гілка, в правій верхній частині, відповідає прямому (пропускного) току через діод, і зворотна гілка, в лівій нижній частині, відповідна зворотному (закритому) току через діод.
Пряма гілка йде круто вгору, притискаючись до вертикальної осі, і характеризує швидке зростання прямого струму через діод зі збільшенням прямого напруги.
Зворотній гілка йде майже паралельно горизонтальній осі і характеризує повільне зростання зворотного струму. Чим крутіше до вертикальної осі пряма гілка і чим ближче до горизонтальної зворотна гілка, тим краще випрямні властивості діода. Наявність невеликого зворотного струму є недоліком діодів. З кривої вольт-амперної характеристики видно, що прямий струм діода (Іпр) в сотні разів більше зворотного струму (Iобр).
При збільшенні прямої напруги через pn перехід ток спочатку зростає повільно, а потім починається ділянку швидкого наростання струму. Це пояснюється тим, що германієвого діод відкривається і починає проводити струм при прямій напрузі 0,1 - 0,2 В, а кремнієвий при 0,5 - 0,6.
Наприклад. При прямій напрузі Uпр = 0,5 В прямий струм Іпр дорівнює 50mA (точка «а» на графіку), а вже при напрузі Uпр = 1В струм зростає до 150mA (точка «б» на графіку).
Але таке збільшення струму призводить до нагрівання молекули напівпровідника. І якщо кількість виробленого тепла буде більше відведеного від кристала природним шляхом, або за допомогою спеціальних пристроїв охолодження (радіатори), то в молекулі провідника можуть статися безповоротні зміни аж до руйнування кристалічної решітки. Тому прямий струм pn переходу обмежують на рівні, що виключає перегрів напівпровідникової структури. Для цього використовують обмежувальний резистор, включений послідовно з діодом.
У напівпровідникових діодів величина прямого напруги Uпр при всіх значеннях робочих струмів не перевищує:
для германієвих - 1В;
для кремнієвих - 1,5 В.
При збільшенні зворотної напруги (Uобр), прикладеного до pn переходу, струм збільшується незначно, про що говорить зворотна гілка вольтамперной характеристики.
Наприклад. Візьмемо діод з параметрами: Uобр max = 100В, Iобр max = 0,5 mA, де:
Uобр max - максимальне постійна зворотна напруга, В;
Iобр max - максимальний зворотний струм, мкА.
При поступовому збільшенні зворотної напруги до значення 100В видно, як незначно зростає зворотний струм (точка «в» на графіку). Але при подальшому збільшенні напруги, понад максимального, на яке розрахований pn перехід діода, відбувається різке збільшення зворотного струму (пунктирна лінія), нагрів кристала напівпровідника і, як наслідок, наступає пробій pn переходу.
Пробої pn переходу.
Пробоєм pn переходу називається явище різкого збільшення зворотного струму при досягненні зворотною напругою певного критичного значення. Розрізняють електричний і тепловий пробої pn переходу. У свою чергу, електричний пробій розділяється на тунельний і лавинний пробої.
Електричний пробій.
Електричний пробій виникає в результаті впливу сильного електричного поля в pn переході. Такий пробій є оборотний, тобто він не призводить до пошкодження переходу, і при зниженні зворотної напруги властивості діода зберігаються. Наприклад. У такому режимі працюють стабілітрони - діоди, призначені для стабілізації напруги.
Тунельний пробій.
Тунельний пробій відбувається в результаті явища тунельного ефекту, який проявляється в тому, що при сильній напруженості електричного поля, що діє в pn переході малої товщини, деякі електрони проникають (просочуються) через перехід з області p-типу в область n-типу без зміни своєї енергії . Тонкі pn переходи можливі тільки при високій концентрації домішок в молекулі напівпровідника.
Залежно від потужності і призначення діода товщина електронно-діркового переходу може перебувати в межах від 100 нм (нанометрів) до 1 мкм (мікрометр).
Для тунельного пробою характерний різке зростання зворотного струму при незначному зворотному напрузі - зазвичай кілька вольт. На основі цього ефекту працюють тунельні діоди.
Завдяки своїм властивостям тунельні діоди використовуються в підсилювачах, генераторах синусоїдальних релаксаційних коливань і перемикаючих пристроях на частотах до сотень і тисяч мегагерц.
Лавинний пробій.
Лавинний пробій полягає в тому, що під дією сильного електричного поля неосновні носії зарядів під дією тепла в pn переході прискорюються на стільки, що здатні вибити з атома один з його валентних електронів і перекинути його в зону провідності, утворивши при цьому пару електрон - дірка. Утворилися носії зарядів теж почнуть розганяти і стикатися з іншими атомами, утворюючи такі пари електрон - дірка. Процес набуває лавиноподібний характер, що призводить до різкого збільшення зворотного струму при практично незмінній напрузі.
Діоди, в яких використовується ефект лавинного пробою використовуються в потужних випрямних агрегатах, що застосовуються в металургійній і хімічній промисловості, залізничному транспорті та в інших електротехнічних виробах, в яких може виникнути зворотна напруга вище допустимого.
Тепловий пробій.
Тепловий пробій виникає в результаті перегріву pn переходу в момент протікання через нього струму великого значення і при недостатньому теплоотводе, що не забезпечує стійкість теплового режиму переходу.
При збільшенні прикладеного до pn переходу зворотної напруги (Uобр) розсіює потужність на переході зростає. Це призводить до збільшення температури переходу та сусідніх з ним областей напівпровідника, посилюються коливання атомів кристала, і слабшає зв'язок валентних електронів з ними. Виникає ймовірність переходу електронів в зону провідності і утворення додаткових пар електрон - дірка. При поганих умовах тепловіддачі від pn переходу відбувається лавиноподібне наростання температури, що призводить до руйнування переходу.
На цьому давайте закінчимо, а в наступного частини розглянемо пристрій і роботу випрямних діодів, діодного моста.
Успіхів!
джерело:
1. Борисов В.Г - Юний радіоаматор. 1985р.
2. Горюнов М.М. Носов Ю.Р - Напівпровідникові діоди. Параметри, методи вимірювань. 1968р.