Вольт-амперная характеристика идеального диода и проводника

Прямое включение диода. Прямой ток.

Если к электродам диода подключить источник постоянного напряжения: на выводе анода «плюс» и на выходе катода «минус», диод будет в открытом состоянии и через него будет протекать ток, величина от которого будет зависеть приложенное напряжение и свойства диода.

При такой полярности соединения электроны в области n-типа устремятся к дыркам в области p-типа, а дырки в области p-типа будут перемещаться к электронам в области n-типа. На границе раздела областей, называемой электронно-дырочным или pn-переходом, они встречаются, где происходит их взаимное поглощение или рекомбинация.

Например. Основные носители заряда в области n-типа, электроны, преодолевая pn переход, попадают в дырочную область p-типа, в которой они становятся меньшинством. Став меньшинством, электроны будут поглощаться основными носителями в области дырки: дырками. Точно так же дырки, попадающие в электронную область n-типа, становятся неосновными носителями заряда в этой области и также будут поглощаться основными носителями: электронами.

Контакт диода, подключенный к отрицательному полюсу источника постоянного напряжения, будет излучать практически неограниченное количество электронов из области n-типа, восполняя уменьшение количества электронов в этой области. А контакт, подключенный к положительному полюсу источника напряжения, способен принимать такое же количество электронов из области p-типа, за счет чего восстанавливается концентрация дырок в области p-типа. Таким образом, проводимость p-n перехода станет большой, а сопротивление току будет небольшим, а это означает, что через диод будет протекать ток, называемый прямым током диода Ipr.

Диод Шоттки в ВЧ цепях

Диоды Шоттки также имеют высокую скорость переключения. Это означает, что мы можем использовать их в высокочастотных цепях (RF.

Далее возьмем частотный генератор и установим синусоидальную частоту 60 Гц

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

и мы снимем с них показания

Как видите, они оба отлично справляются с выпрямлением сигнала 60 Гц.

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

Ой! Диод Шоттки более-менее справляется со своей задачей, чего нельзя сказать о простом диоде 1N4007. Простой диод не справляется со своей задачей не пропускать обратный ток, поэтому на осциллограмме мы видим отрицательный пик

Итак, можно сделать вывод: диоды Шоттки рекомендованы для использования в ВЧ схемах.

Обратное включение диода. Обратный ток.

Поменяйте полярность источника постоянного напряжения — диод будет в замкнутом состоянии.

В этом случае электроны в области n-типа будут двигаться к положительному полюсу источника питания, от pn-перехода, а дырки в области p-типа также будут двигаться от pn-перехода, двигаясь в сторону отрицательный полюс источника питания. В результате граница областей как бы расширится, образуя обедненную зону дырок и электронов, которая будет оказывать большое сопротивление току.

Однако, поскольку неосновные носители заряда присутствуют в каждой из областей диода, по-прежнему будет происходить небольшой обмен электронами и дырками между областями. Следовательно, через диод будет протекать ток, во много раз меньший, чем прямой ток, и такой ток называется обратным током диода (Iobr). Как правило, на практике обратным током pn перехода не учитывают и из этого делают вывод, что pn переход имеет только одностороннюю проводимость.

Обратный ток утечки

Но поскольку диоды Шоттки настолько красивы, почему бы не использовать их везде? Почему мы до сих пор используем простые диоды?

Если мы подключим диод в обратном направлении, он заблокирует прохождение электрического тока. Это правда, но не совсем. Через диод все равно будет течь очень небольшой ток. В некоторых случаях это не учитывается. Этот небольшой ток называется током обратной утечки. По-английски это звучит как обратный ток утечки.

он очень маленький, но в нем есть, где остановиться.

Проведем простой эксперимент. Возьмите лабораторный блок питания, установите его на 19В и подайте это напряжение на диод в обратном направлении

Прямое и обратное напряжение диода.

Напряжение, при котором диод открывается и через него протекает прямой ток, называется прямым (Upr), а напряжение обратной полярности, при котором диод закрывается и через него протекает обратный ток, называется обратным (Urev).

При прямом напряжении (Uпр) сопротивление диода не превышает нескольких десятков Ом, а при обратном напряжении (Urev) сопротивление возрастает до нескольких десятков, сотен и даже тысяч килоом. В этом нетрудно убедиться, если измерить обратное сопротивление диода омметром.

Сопротивление pn перехода диода непостоянно и зависит от прямого напряжения (Upr), которое подается на диод. Чем выше это напряжение, тем ниже сопротивление pn перехода, тем больше прямой ток Ipr, протекающий через диод. В закрытом состоянии почти все напряжение падает на диод, поэтому обратный ток, протекающий через него, невелик, а сопротивление pn перехода велико.

Например. Если вы включите диод в цепь переменного тока, он откроется при положительных полупериодах на аноде, свободно пропуская прямой ток (Ipr), и закроется при отрицательных полупериодах на аноде, почти не пропуская ток через анод анод обратного направления — обратный ток (Ирев). Эти свойства диодов используются для преобразования переменного тока в постоянный, и такие диоды называются выпрямительными диодами.

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода.

Зависимость тока, проходящего через pn переход, от амплитуды и полярности приложенного к нему напряжения представляется кривой, называемой вольт-амперной характеристикой диода.

График ниже показывает эту кривую. По вертикальной оси в верхней части указаны значения прямого тока (Ipr), а в нижней части — обратного тока (Irev).
По горизонтальной оси справа показаны значения прямого напряжения Uпр, а слева — обратного напряжения (Urev).

Вольт-амперная характеристика состоит как бы из двух ветвей: прямая ветвь в правой верхней части соответствует прямому току (пропускной способности) через диод, а обратная ветвь в левой нижней части соответствует току обратный (замкнутый) ток через диод.

Прямая ветвь идет круто вверх, прижимаясь к вертикальной оси, и характеризует быстрый рост прямого тока через диод с увеличением прямого напряжения.
Обратная ветвь проходит практически параллельно горизонтальной оси и характеризует медленный рост обратного тока. Чем круче передняя ветвь к вертикальной оси и чем ближе к горизонтальной обратной ветви, тем лучше выпрямительные свойства диода. Недостатком диодов является наличие небольшого обратного тока. Из вольт-амперной характеристики видно, что прямой ток диода (Ipr) в сотни раз больше обратного тока (Irev).

С увеличением прямого напряжения на pn переходе ток сначала медленно увеличивается, затем начинается участок быстро нарастающего тока. Это связано с тем, что германиевый диод открывается и начинает проводить ток при прямом напряжении 0,1 — 0,2 В, а кремниевый диод — при 0,5 — 0,6 В.

Например. При прямом напряжении Upr = 0,5 В прямой ток Ipr составляет 50 мА (точка «а» на графике), а уже при напряжении Upr = 1 В ток возрастает до 150 мА (точка «b» на графике).

Но такое увеличение тока приводит к нагреву молекулы полупроводника. А если выделяемое количество тепла больше, чем отводимое от кристалла естественным путем или с помощью специальных охлаждающих устройств (радиаторов), то в проводящей молекуле могут происходить необратимые изменения вплоть до разрушения кристаллической решетки. Таким образом, прямой ток pn перехода ограничивается уровнем, исключающим перегрев полупроводниковой структуры. Для этого последовательно с диодом используют ограничительный резистор.

Для полупроводниковых диодов значение прямого напряжения Uпр при всех значениях рабочих токов не превышает:
для германия — 1В;
для кремния — 1,5 В.

С увеличением обратного напряжения (Urev), приложенного к pn переходу, ток незначительно увеличивается, о чем свидетельствует обратная ветвь вольт-амперной характеристики.
Например. Возьмем диод с параметрами: Urev max = 100V, Iobr max = 0,5 мА, где:

Urev max — максимальное постоянное обратное напряжение, В;
Iobr max — максимальный обратный ток, мкА.

При постепенном увеличении обратного напряжения до значения 100 В можно увидеть, насколько незначительно увеличивается обратный ток (точка «б» на графике). Но при дальнейшем повышении напряжения выше максимума, на который рассчитан pn переход диода, происходит резкое увеличение обратного тока (пунктирная линия), нагрев полупроводникового кристалла и, как следствие, пробой полупроводникового кристалла происходит pn переход.

Читайте также: Параллельное и последовательное подключение насосов: зажимы источника тока и схема соединения

Проверка диода цифровым мультиметром

Чтобы определить исправность диода, вы можете использовать следующую процедуру, чтобы проверить его с помощью цифрового мультиметра.

Но сначала давайте вспомним, что такое полупроводниковый диод.

Полупроводниковый диод — это электронное устройство, обладающее свойством однонаправленной проводимости.

У диода два провода. Один называется катодом, он отрицательный. Другой вывод — анод. Он положительный.

Физически диод представляет собой pn переход.

Напомню, что pn переходов в полупроводниковых приборах может быть несколько. Например, у динистора их три! Полупроводниковый диод, по сути, представляет собой простейшее электронное устройство, основанное на одном pn переходе.

Помните, что рабочие свойства диода проявляются только при прямом подключении. Что значит прямая трансляция? Это означает, что на выход анода подается положительное (+) напряжение, а на катод — отрицательное напряжение, например (-). В этом случае диод открывается и через его pn переход начинает течь ток.

При обратном подключении, когда отрицательное (-) напряжение подается на анод, а положительное (+) напряжение подается на катод, диод закрывается и ток не проходит.

Это будет продолжаться до тех пор, пока напряжение на вновь подключенном диоде не достигнет критического значения, после чего полупроводниковый кристалл будет поврежден. Это главное свойство диода — односторонняя проводимость.

Подавляющее большинство современных цифровых мультиметров (тестеров) имеют возможность проверять диод в своей функциональности. Эту функцию также можно использовать для проверки биполярных транзисторов. Обозначается в виде диодного символа рядом с маркировкой переключателя режимов мультиметра.

Небольшая заметка! Следует понимать, что при проверке диодов при прямом включении на дисплее отображается не переходное сопротивление, как многие думают, а его пороговое напряжение! Это также называется падением напряжения на pn переходе. Это напряжение, выше которого pn переход полностью открывается и начинает течь ток. По аналогии, это количество прямого усилия, чтобы открыть «дверь» для электронов. Это напряжение составляет от 100 до 1000 милливольт (мВ). Затем он отображается на дисплее устройства.

При обратном подключении, когда отрицательный (-) выход тестера подключен к аноду, а положительный (+) выход — к катоду, на дисплее не должно отображаться никаких значений. Это указывает на то, что переход работает и не передает ток в обратном направлении.

В документации (даташитах) на импортные диоды пороговое напряжение упоминается как Прямое падение напряжения (сокращенно Vf), что дословно переводится как «падение напряжения прямого подключения».

Само по себе падение напряжения на pn переходе нежелательно. Если мы умножим ток, протекающий через диод (прямой ток), на падение напряжения, мы не получим ничего, кроме мощности рассеяния, той мощности, которая без необходимости расходуется на нагрев элемента.

Проверка диода.

Чтобы было понятнее, проверим выпрямительный диод 1N5819. Это диод Шоттки. Скоро мы убедимся.

Проверим это с помощью мультитестера Victor VC9805 +. Также для удобства используется беспаечный макет.

Обращаю внимание, что во время измерения нельзя удерживать обеими руками кабели испытуемого объекта и металлические щупы. Это грубая ошибка. В этом случае мы измеряем не только параметры диода, но и сопротивление нашего тела. Это может существенно повлиять на результат теста.

Беритесь за измерительные провода и кабели элементов только одной рукой! В этом случае в измерительную цепь включается только сам измерительный прибор и испытуемый объект. Эта рекомендация действительна также при измерении сопротивления резисторов, а также при испытании конденсаторов. Не забывайте это важное правило!

Итак, проверим диод при прямом включении. В этом случае положительный (красный) щуп мультиметра подключается к аноду диода. Отрицательный (черный) зонд подключен к катоду. На фото выше видно, что цилиндрический корпус диода имеет белое кольцо с одной стороны. Именно с этой стороны он имеет катодный выход. Поэтому у большинства импортных диодов катодный вывод имеет маркировку.

Как видите, на дисплее цифрового мультиметра отображалось значение порогового напряжения для 1N5819. Поскольку это диод Шоттки, его значение невелико: всего 207 милливольт (мВ).

Теперь проверим диод при обратном подключении. Напоминаем, что при обратном подключении диод не пропускает ток. Забегая вперед, заметим, что при обратном подключении небольшой ток все еще течет через pn переход. Это так называемый обратный ток (Ирев). Но он настолько мал, что обычно не считается.

Меняем подключение диода к измерительным щупам мультиметра. Подключаем красный зонд к катоду, а черный к аноду.

На дисплее будет отображаться цифра «1» в самом старшем разряде дисплея. Это говорит о том, что диод не пропускает ток и его сопротивление велико. Поэтому мы проверили диод 1N5819 и он оказался полностью исправным.

Многие задаются вопросом: «А можно ли проверить диод, не снимая его с платы?» Да, ты можешь. Но в этом случае необходимо убрать с платы хотя бы один его выход. Это необходимо сделать, чтобы исключить влияние других частей, подключенных к проверяемому диоду.

Если этого не сделать, измерительный ток будет проходить через все, включая связанные с ним элементы. В результате проверки показания мультиметра будут неверными!

В некоторых случаях это правило можно упустить, например, когда хорошо видно, что на печатной плате нет деталей, которые могли бы повлиять на результат теста.

Пробои p-n перехода.

Пробой pn перехода — это явление резкого увеличения обратного тока при достижении обратным напряжением некоторого критического значения. Различают электрическое и тепловое повреждение pn перехода. В свою очередь, электрическое повреждение делится на туннельные и лавинные.

Электрический пробой.

Электрический пробой происходит из-за действия сильного электрического поля в pn переходе. Этот разрыв обратимый, т.е он не повреждает переход и при уменьшении обратного напряжения свойства диода сохраняются. Например. В этом режиме работают стабилитроны — диоды, предназначенные для стабилизации напряжения.

Туннельный пробой.

Разрыв туннеля происходит из-за явления туннельного эффекта, который проявляется в том, что при сильном электрическом поле, действующем в pn переходе малой толщины, часть электронов проникает (утекает) через переход из области p-типа в область области n-типа без изменения своей энергии… Тонкие pn переходы возможны только при высокой концентрации примесей в молекуле полупроводника.

В зависимости от мощности и назначения диода толщина электронно-дырочного перехода может составлять от 100 нм (нанометров) до 1 микрона (микрометра).

Разрыв туннеля характеризуется резким увеличением обратного тока до незначительного обратного напряжения, обычно нескольких вольт. На основе этого эффекта работают туннельные диоды.

Благодаря своим свойствам туннельные диоды используются в усилителях, генераторах синусоидальных колебаний и переключающих устройствах на частотах до сотен и тысяч мегагерц.

Лавинный пробой.

Лавинный пробой заключается в том, что под действием сильного электрического поля неосновные носители заряда под действием тепла в pn-переходе ускоряются настолько, что могут оторвать один из его валентных электронов от атома и перебросить его в зону проводимости, образуя электронно-дырочную пару. Образовавшиеся носители заряда также начнут ускоряться и сталкиваться с другими атомами, образуя последующие электронно-дырочные пары. Процесс принимает лавинообразный характер, что приводит к резкому увеличению обратного тока до практически неизменного напряжения.

Диоды, использующие эффект лавинного пробоя, используются в мощных выпрямительных установках, применяемых в металлургической и химической промышленности, на железнодорожном транспорте и других электротехнических изделиях, где может возникать обратное напряжение, превышающее допустимое.

Падение напряжения на диоде Шоттки

Если мы подадим на диод постоянный ток, напряжение на диоде «стабилизируется». Это падение напряжения называется прямым падением напряжения на диоде. В технических данных он обозначен как Vf, то есть падение напряжения.

прямое падение напряжения на диоде

Если через такой диод пропускать постоянный ток, мощность, которая будет на нем рассеиваться, будет определяться по формуле:

где это находится

P — мощность, Вт

Vf — прямое падение напряжения на диоде, В

I — ток через диод, А

Таким образом, одним из основных преимуществ диода Шоттки является то, что его прямое падение напряжения намного меньше, чем у простого диода. В результате он будет рассеивать меньше тепла или, проще говоря, меньше тепла.

Давайте посмотрим на пример. Возьмем диод 1N4007. Его прямое падение напряжения составляет 0,83 В, что типично для простого полупроводникового диода.

падение напряжения на диоде при прямом включении

На данный момент по нему протекает ток 0,5 А. Подсчитаем его мощность, рассеиваемую на данный момент. P = 0,83 x 0,5 = 0,415 Вт.

Если вы посмотрите на этот чемодан через тепловизор, то увидите, что температура его тела составляла 54,4 градуса по Цельсию.

Теперь проделаем тот же эксперимент с диодом Шоттки 1N5817. Как видите, его прямое падение напряжения составило около 0,35 В.

падение напряжения на диоде Шоттки при прямом включении

При прохождении тока 0,5 А через диод Шоттки мы получаем рассеиваемую мощность P = 0,5 х 0,35 = 0,175 Вт. В этом случае тепловизор покажет нам, что температура корпуса уже будет 38,2 градуса.

В результате диод Шоттки намного эффективнее простого полупроводникового диода с точки зрения пропускания тока через себя, поскольку он имеет меньшее падение напряжения и, следовательно, меньше рассеивает тепла в окружающее пространство и меньше нагревается.

Прямое падение напряжения также можно увидеть в таблицах данных. Например, прямое падение напряжения на диоде Шоттки 1N5817 можно найти из графика зависимости прямого тока от падения напряжения на диоде Шоттки

график зависимости постоянного тока от напряжения

В нашем случае, если следовать графо-аналитическому методу, мы получим только значение 0,35 В