A dióda áram-feszültség jellemzői. Félvezető diódák

Áram-feszültség karakterisztika (volt-amper karakterisztika)- az ellenálláson átfolyó áram függése az ezen az ellenálláson lévő feszültségtől, grafikusan kifejezve. Az I-V karakterisztikák lehetnek lineárisak és nemlineárisak, és ettől függően az ellenállásokat és az ezeket az ellenállásokat tartalmazó áramköröket lineárisra és nemlineárisra osztják.

Tehát az áram-feszültség karakterisztikája az elektromos feszültség függése az áramerősségtől egy elektromos áramkörben vagy annak egyes elemeiben (reosztát, kondenzátor stb.). Az elektromos áramkör lineáris elemei esetében az áram-feszültség karakterisztika egy egyenes.

A félvezetőre adott feszültség növekedésével a benne lévő áram sokkal gyorsabban növekszik, mint a feszültség (1. ábra), azaz nemlineáris kapcsolat figyelhető meg az áram és a feszültség között. Ha az U feszültség fordított irányú (-U) változása esetén a félvezető áramának változása azonos jellegű, de ellenkező irányú, akkor egy ilyen félvezető szimmetrikus áram-feszültség karakterisztika.

A különböző típusú (n-típusú és p-típusú) elektromos vezetőképességű félvezetők kiválasztásával elérjük aszimmetrikus áram-feszültség karakterisztika(2. ábra).

Ennek eredményeként egy félhullámú váltakozó feszültséggel a félvezető egyenirányító átengedi az áramot. Ez az Ipr előrefelé irányuló áram, amely gyorsan növekszik a váltakozó feszültség első félhullámának növekedésével.

Amikor a feszültség második félhullámának van kitéve, a két félvezető rendszere (egy sík egyenirányítóban) nem engedi át az áramot az ellenkező irányba Irev. Nagyon kis mennyiségű Irev áram folyik át a p-n átmeneten a félvezetőkben lévő kisebbségi áramhordozók (elektronok a p-típusú félvezetőben és lyukak az n-típusú félvezetőben) miatt. Ennek oka a p-típusú félvezető és az n-típusú félvezető között fellépő átmeneti réteg (p-n átmenet) nagy ellenállása.

A váltakozó feszültség második félhullámának további növekedésével az Irev fordított áram lassan növekedni kezd, és elérheti azokat az értékeket, amelyeknél a gátréteg lebomlik (p-n átmenet).

Rizs. 1. Félvezető áram-feszültség karakterisztikája

Rizs. 2. Félvezető egyenirányító (síkdióda) aszimmetrikus áram-feszültség karakterisztikája

Minél nagyobb az előremenő áram és a fordított áram aránya (azonos feszültségértékeken mérve), annál jobbak az egyenirányító tulajdonságai. Ezt az egyenirányító együttható értékével becsüljük meg, amely az I'rev előremenő áram és az I'rev fordított áram aránya azonos feszültségérték mellett:

A félvezető elemeket széles körben használják az elektronika területén, ezek egyike a dióda. Szinte minden eszközben használják, de gyakrabban különféle tápegységekben és az elektromos biztonság érdekében. Mindegyiknek megvan a maga sajátos célja és műszaki jellemzői. A különböző típusú hibák azonosításához és a műszaki információk megszerzéséhez ismernie kell a dióda áram-feszültség jellemzőit.

Általános információ

Dióda (D) - félvezető elem, amely arra szolgál, hogy az áramot a p-n átmeneten csak egy irányban vezesse át. A D segítségével kiegyenesítheti az U változót, amelyből állandó pulzálót kap. A hullámosság kisimítására kondenzátor vagy induktív szűrőket használnak, és néha kombinálják is őket.

A D csak egy p-n átmenetet tartalmaz anódnak (+) és katódnak (-) nevezett vezetékekkel. Az áram, amikor áthalad egy vezetőn, hőhatást gyakorol rá. Melegítéskor a katód negatív töltésű részecskéket - elektronokat (E) bocsát ki. Az anód vonzza az elektronokat, mert pozitív töltése van. Ennek során emissziós mező keletkezik, amelyben áram (emisszió) lép fel. A (+) és (-) között negatív térbeli töltés keletkezik, amely megzavarja az elektronok szabad mozgását Az anódot elérő elemek anódáramot alkotnak, azok pedig, amelyek nem érik el, katódáramot. Ha az anód és a katód árama nulla, akkor D zárt állapotban van.

A D tartós dielektromos anyagból készült házból áll. A ház vákuumteret tartalmaz 2 elektródával (anód és katód). Az aktív réteggel rendelkező fémet ábrázoló elektródákat közvetetten melegítik. Az aktív réteg felmelegedéskor elektronokat bocsát ki. A katód úgy van kialakítva, hogy van benne egy huzal, ami izzik és elektronokat bocsát ki, az anód pedig ezek fogadására szolgál.

Egyes forrásokban az anódot és a katódot kristálynak nevezik, amely szilíciumból (Si) vagy germániumból (Ge) készül. Egyik komponensében mesterséges elektronhiány, a másikban felesleg található (1. ábra). E kristályok között van egy határ, amelyet p-n átmenetnek nevezünk.

1. ábra - Egy p-n típusú félvezető sematikus ábrázolása.

Alkalmazási területek

A D-t széles körben használják váltakozó áramú egyenirányítóként tápegységek (PSU-k), diódahidak felépítésében, valamint egy adott áramkör egyetlen elemeként. A D képes megvédeni az áramkört az áramforrás csatlakozásának polaritásának be nem tartásától. Bármely félvezető rész (például tranzisztor) meghibásodása előfordulhat az áramkörben, és a rádióelemek láncának meghibásodásához vezethet. Ebben az esetben több D-ből álló láncot használunk, amely ellentétes irányban kapcsolódik. A kapcsolókat félvezetők alapján hozzák létre a nagyfrekvenciás jelek kapcsolására.

A D-t a szén- és kohászati ​​iparban használják, különösen akkor, ha gyújtószikramentes kapcsolóáramköröket hoznak létre diódasorompók formájában, amelyek korlátozzák az U-t a szükséges elektromos áramkörben. A dióda akadályokat áramkorlátozókkal (ellenállásokkal) együtt használják az I értékek csökkentésére és a védelmi fok növelésére, és ezáltal a vállalkozás elektromos biztonságára és tűzbiztonságára.

Volt-amper jellemzők

Az áram-feszültség karakterisztika egy félvezető elem karakterisztikája, amely a p-n átmeneten áthaladó I függését mutatja U értékétől és polaritásától (1. ábra).

1. ábra - Példa a félvezető dióda áram-feszültség karakterisztikájára.

Az áram-feszültség jellemzők különböznek egymástól, és ez a félvezető eszköz típusától függ. Az áram-feszültség karakterisztika grafikonja egy görbe, amelynek függőlegese mentén az I egyenes értékei vannak jelölve (fent). Az alábbiakban az I értékei láthatók a fordított kapcsolathoz. Az U leolvasások vízszintesen vannak feltüntetve a közvetlen és a fordított csatlakozásnál. A séma 2 részből áll:

1. Felül és jobb - D közvetlen kapcsolatban működik. Az I áteresztőképességet mutatja, a vonal pedig felfelé megy, ami a közvetlen U (Upr) növekedését jelzi.
2. A bal oldali alsó rész - D zárt állapotban van. A vonal szinte párhuzamosan fut a tengellyel, és az Irev (ellenáram) lassú növekedését jelzi.

A grafikonból arra következtethetünk: minél meredekebb a grafikon függőleges része (1. rész), annál közelebb van az alsó vonal a vízszintes tengelyhez. Ez jelzi a félvezető eszköz magas egyenirányító tulajdonságait. Figyelembe kell venni, hogy az áram-feszültség karakterisztikája a környezeti hőmérséklettől függ, amikor a hőmérséklet csökken, az Irev éles csökkenése következik be. Ha a hőmérséklet emelkedik, akkor Irev is emelkedik.

Grafikon ábrázolása

Nem nehéz megalkotni egy áram-feszültség karakterisztikát egy adott típusú félvezető eszközhöz. Ehhez tápegységre, multiméterre (voltmérő és ampermérő) és diódára van szükség (bármilyen félvezető eszközhöz építhető). Az áram-feszültség karakterisztika megalkotásának algoritmusa a következő:

1. Csatlakoztassa a tápegységet a diódához.
2. Végezzen U és I méréseket.
3. Írja be az adatokat a táblázatba.
4. A táblázatos adatok alapján készítse el az I U-tól való függésének grafikonját (2. ábra).

2. ábra - Példa egy dióda nemlineáris IV karakterisztikájára.

Az áram-feszültség karakterisztika félvezetőnként eltérő lesz. Például az egyik legelterjedtebb félvezető a Schottky-dióda, amelyet W. Schottky német fizikus nevezett el (3. ábra).

3. ábra - Schottky áram-feszültség karakterisztika.

Az aszimmetrikus grafikon alapján látható, hogy az ilyen típusú diódákra az U kis csökkenése jellemző közvetlen csatlakoztatás esetén. Az I és U exponenciális növekedést mutat. A gátban lévő áramot a negatív töltésű részecskék okozzák fordított és előre előfeszítés mellett. A Schottkik sebessége nagy, mivel nincsenek diffúziós és rekombinációs folyamatok. A töltésátviteli folyamatokban részt vevő hordozók számának változása miatt U-tól függek.

A szilícium félvezetőt széles körben használják az eszközök szinte minden elektromos áramkörében. Áram-feszültség karakterisztikáját a 4. ábra mutatja.

4. ábra - A szilícium D IV jellemzői.

A 4. ábrán az áram-feszültség karakterisztika 0,6-0,8 V-tól kezdődik. A D szilícium mellett van germánium is, amely normál hőmérsékleten normálisan működik. A szilícium Ipr és Irev értéke alacsonyabb, így a germánium D termikus irreverzibilis lebomlása gyorsabban megy végbe (ha magas Urev-t szállítanak), mint a versenytársaé.

A D egyenirányítót a váltakozó U állandóvá alakítására használják, és az 5. ábra mutatja ennek áram-feszültség karakterisztikáját.

5. ábra - D egyenirányító I-V karakterisztikája.

Az ábrán az elméleti (szaggatott görbe) és a gyakorlati (kísérleti) áram-feszültség karakterisztika látható. Nem esnek egybe, mivel az elmélet nem vett figyelembe bizonyos szempontokat:

1. Az R (ellenállás) jelenléte a kristály emitter tartományában, a vezetékekben és az érintkezőkben.
2. Szivárgási áramok.
3. Generációs és rekombinációs folyamatok.
4. Különböző típusú bontások.

Ezenkívül a környezeti hőmérséklet jelentősen befolyásolja a méréseket, és az áram-feszültség jellemzői nem esnek egybe, mivel az elméleti értékeket +20 fokos hőmérsékleten kapjuk. A félvezetőknek vannak más fontos jellemzői is, amelyeket a házon lévő jelölések alapján lehet megérteni.

Vannak további jellemzők is. Ezek szükségesek a D használatához egy bizonyos U-val és I-vel ellátott áramkörben. Ha alacsony teljesítményű D-t használ olyan eszközökben, amelyek U-értéke meghaladja a megengedett legnagyobb Urev-t, akkor az elem meghibásodása és meghibásodása következik be, és ez a más részek meghibásodásának láncolata.

További jellemzők: Irev és Urev maximális értékei; I és U közvetlen értékei; túlterhelési áram; Maximális hőmérséklet; üzemi hőmérséklet és így tovább.

Az áram-feszültség karakterisztika segít azonosítani az ilyen összetett hibákat D: a csomópont meghibásodása és a ház nyomáscsökkenése. Az összetett hibák a drága alkatrészek meghibásodásához vezethetnek, ezért a D táblára történő felszerelése előtt ellenőrizni kell.

Lehetséges hibák

A statisztikák szerint a D vagy más félvezető elemek gyakrabban meghibásodnak, mint más áramköri elemek. A hibás elem azonosítható és kicserélhető, de ez néha a funkcionalitás elvesztését eredményezi. Például, amikor egy p-n átmenet meghibásodik, a D közönséges ellenállássá válik, és az ilyen átalakítás szörnyű következményekkel járhat, a többi elem meghibásodásától a tűzig vagy áramütésig. A fő hibák közé tartozik:

1. Bontás. A dióda elveszíti azon képességét, hogy egy irányban áramot továbbítson, és közönséges ellenállássá válik.
2. Szerkezeti károsodás.
3. Egy szivárgás.

Meghibásodás közben a D nem engedi az áramot egy irányba. Több oka is lehet, és ezek az I és U meredek növekedésével járnak, amelyek egy bizonyos D esetében elfogadhatatlan értékek. A p-n átmenet meghibásodásának fő típusai:

1. Termikus.
2. Elektromos.

Termikus szinten, fizikai szinten az atomi rezgések jelentős növekedése, a kristályrács deformációja, az átmenet túlmelegedése és az elektronok bejutása a vezető sávba. A folyamat visszafordíthatatlan, és a rádióalkatrész károsodásához vezet.

Az elektromos meghibásodások átmenetiek (a kristály nem deformálódik), és a normál működéshez való visszatéréskor a félvezető funkciói visszatérnek. A szerkezeti károsodás a lábak és a test fizikai károsodását jelenti. Áramszivárgás akkor következik be, amikor a ház nyomásmentes.

A D ellenőrzéséhez elegendő az egyik lábat kiforrasztani, és multiméterrel vagy ohmmérővel meggyűrűzni a csomópont meghibásodása miatt (csak egy irányban kell csengenie). Ennek eredményeként az egyik irányban a p-n átmenet R értéke jelenik meg, a másikban pedig a készülék a végtelent. Ha két irányba hív, akkor a rádió alkatrésze hibás.

Ha a láb leesik, forrasztani kell. Ha a ház megsérül, az alkatrészt ki kell cserélni egy működőképesre.

Ha a ház nyomásmentes, akkor meg kell rajzolnia az áram-feszültség karakterisztikát, és össze kell hasonlítania a referencia irodalomból vett elméleti értékkel.

Így az áram-feszültség karakterisztika nemcsak referenciaadatok beszerzését teszi lehetővé egy diódáról vagy bármely félvezető elemről, hanem olyan összetett hibák azonosítását is, amelyeket nem lehet eszközzel tesztelni.

Ma a diódák szinte minden háztartási készülékben megtalálhatók. Sokan az otthoni laboratóriumukban is összeállítanak néhány eszközt. De az elektromos áramkör ezen elemeinek helyes használatához tudnia kell, hogy mi a dióda áram-feszültség karakterisztikája. Ez a jellemző, amelyre ez a cikk összpontosít.

Ami

A VAC a dióda félvezető áram-feszültség karakterisztikáját jelenti. A dióda p-n átmenetén áthaladó áram függőségét tükrözi. Az áram-feszültség karakterisztika határozza meg az áram nagyságától való függését, valamint az alkalmazott feszültség polaritását. Az áram-feszültség karakterisztika grafikon (diagram) alakú. Ez a grafikon így néz ki:

I-V karakterisztika diódához

Minden diódatípusnál az áram-feszültség karakterisztikája sajátos megjelenést kap. Mint látható, a grafikon egy görbét tartalmaz. Az előremenő áram (közvetlen csatlakozás) értékei felül függőlegesen, alul pedig fordítottan vannak jelölve. De a vízszintes diagram és grafikon a feszültséget mutatja, hasonlóan előre és hátrafelé. Így az áram-feszültség jelleggörbe két részből fog állni:

• felső és jobb rész - az elem előrefelé működik. Az áthaladó áramot tükrözi. A vonal ebben a részben élesen felfelé megy. Az előremenő feszültség jelentős növekedését jellemzi;
• bal alsó rész - az elem ellenkező irányban működik. Ez a csomóponton áthaladó zárt (fordított) áramnak felel meg. Itt a vonal szinte párhuzamosan fut a vízszintes tengellyel. Ez a fordított áram lassú növekedését tükrözi.

Jegyzet! Minél meredekebb a grafikon függőleges felső része, és minél közelebb van az alsó vonal a vízszintes tengelyhez, annál jobbak lesznek a félvezető egyenirányító tulajdonságai.

Érdemes megjegyezni, hogy az áram-feszültség karakterisztika erősen függ a környezeti hőmérséklettől. Például a levegő hőmérsékletének emelkedése a fordított áram éles növekedéséhez vezethet.
Az alábbiak szerint készíthet áram-feszültség görbét saját kezével:

• vegye be a tápegységet;
• csatlakoztassa bármely diódához (mínusz a katódhoz, plusz az anódhoz);
• A méréseket multiméterrel végezzük.

A kapott adatokból megszerkesztjük egy adott elem áram-feszültség karakterisztikáját. Diagramja vagy grafikonja így nézhet ki.

Nemlineáris áram-feszültség karakterisztika

A grafikon az áram-feszültség karakterisztikát mutatja, amelyet ebben a kialakításban nemlineárisnak neveznek.
Nézzünk példákat különböző típusú félvezetőkre. Minden egyes esetben ennek a jellemzőnek megvan a saját ütemezése, bár ezek mind azonos jellegűek lesznek, csak kisebb változtatásokkal.

CVC a shotky-hoz

Manapság az egyik legelterjedtebb dióda a Schottky. Ezt a félvezetőt Walter Schottky német fizikusról nevezték el. Schottky esetében az áram-feszültség karakterisztika a következő formában lesz.

Schottky CVC-je

Amint látja, Schottkyt az alacsony feszültségesés jellemzi közvetlen csatlakozási helyzetben. Maga a gráf egyértelműen aszimmetrikus. Az előretolt zónában az áram és a feszültség exponenciális növekedése figyelhető meg. Egy adott elem fordított és előre előfeszítése esetén a gátban lévő áram az elektronoknak köszönhető. Ennek eredményeként az ilyen elemeket gyors hatás jellemzi, mivel nincsenek diffúz és rekombinációs folyamatok. Ebben az esetben az áram-feszültség karakterisztika aszimmetriája lesz jellemző a gát típusú szerkezetekre. Itt az áram feszültségtől való függését a töltésátviteli folyamatokban részt vevő hordozók számának változása határozza meg.

Szilícium dióda és áram-feszültség karakterisztikája

Schottky mellett jelenleg nagyon népszerűek a szilícium félvezetők. Szilícium típusú diódánál az áram-feszültség karakterisztika így néz ki.

A szilícium és a germánium dióda IV karakterisztikája

Az ilyen félvezetők esetében ez a jellemző körülbelül 0,5-0,7 Voltnál kezdődik. Nagyon gyakran a szilícium félvezetőket germánium félvezetőkkel hasonlítják össze. Ha a környezeti hőmérséklet egyenlő, akkor mindkét eszköz sávszélességet mutat. Ebben az esetben a szilícium elem előremenő árama kisebb, mint a germániumból készült elem. Ugyanez a szabály vonatkozik a fordított áramra is. Emiatt a germánium félvezetők általában azonnal hőtörést tapasztalnak, ha magas a fordított feszültség.
Ennek eredményeként azonos hőmérséklet és előremenő feszültség jelenlétében a szilícium félvezetők potenciálgátja magasabb, a befecskendezési áram pedig alacsonyabb lesz.

I-V karakterisztika és egyenirányító dióda

Végezetül szeretném figyelembe venni ezt a jellemzőt egy egyenirányító diódánál. Az egyenirányító dióda a félvezetők egyik fajtája, amelyet a váltakozó áram egyenárammá alakítására használnak.

I-V karakterisztika egyenirányító diódához

A diagram a kísérleti áram-feszültség karakterisztikát és az elméleti karakterisztikát mutatja (szaggatott vonal). Amint látja, nem egyeznek. Ennek az az oka, hogy néhány tényezőt nem vettek figyelembe az elméleti számításoknál:

• ohmos ellenállás jelenléte a kristály alap- és emitterrégiójában;
• megállapításai és kapcsolatai;
• a szivárgó áramok lehetősége a kristályfelület mentén;
• rekombinációs és generációs folyamatok előfordulása a hordozók átmenetében;
• különböző típusú meghibásodások stb.

Mindezek a tényezők eltérő hatással lehetnek, ami az elméletitől eltérő valós áram-feszültség karakterisztikát eredményezhet. Ezenkívül a környezeti hőmérséklet jelentős hatással van a grafikon megjelenésére ebben a helyzetben.
Az egyenirányító dióda áram-feszültség karakterisztikája az eszköz nagy vezetőképességét mutatja, ha előrefelé feszültséget kapcsolunk rá. Ellenkező irányban alacsony vezetőképesség figyelhető meg. Ilyen helyzetben az áram gyakorlatilag nem folyik át az elemen az ellenkező irányba. De ez csak bizonyos fordított feszültségparamétereknél fordul elő. Ha túllépi, akkor a grafikon az áram lavinaszerű növekedését mutatja az ellenkező irányba.

Következtetés

A diódaelemek áram-feszültség karakterisztikáját fontos paraméternek tekintik, amely tükrözi a fordított és előre irányú áramvezetés sajátosságait. Meghatározása a feszültség és a környezeti hőmérséklet függvényében történik.

Bekapcsoláskor villódzó LED-szalagok problémájának megoldása „Angyalszemek” egy saját kezű autóhoz Tartószerkezetek kültéri világításhoz: amit tudnia kell

U el.prob. = 10 ÷1000 V – elektromos áttörési feszültség.

Te minket. = 0,3 ÷ 1 V – telítési feszültség.

I a és U a – anódáram és feszültség.

I. szakasz: – munkaszakasz (az áram-feszültség karakterisztika közvetlen ága)

II., III., IV. szakasz, - az áram-feszültség karakterisztika fordított ága (nem a munkaszakasz)

II. szakasz: Ha a diódára fordított feszültséget kapcsolunk, akkor a dióda zárva van, de ennek ellenére egy kis fordított áram (drift áram, termikus áram) fog átfolyni rajta, a nem többségi hordozók mozgása miatt.

III. szakasz: Elektromos meghibásodási terület. Ha kellően nagy feszültséget alkalmazunk, a kisebbségi hordozók felgyorsulnak, és a kristályrács csomópontjaival való ütközéskor ütközés ionizáció következik be, ami viszont lavina letöréshez vezet (aminek következtében az áramerősség meredeken növekszik)

Az elektromos meghibásodás megfordítható a feszültség eltávolítása után, a P-N átmenet helyreáll.

IV. szakasz: Termikus bontási terület. Az áramerősség növekszik, ezért a teljesítmény növekszik, ami a dióda felmelegedéséhez vezet, és kiég.

A hőbontás visszafordíthatatlan.

Az elektromos meghibásodást nagyon gyorsan követi a hőbontás, így a diódák nem működnek elektromos meghibásodáskor.

Ideális dióda (szelep) áram-feszültség karakterisztikája

A félvezető eszközök alapvető paraméterei

1. Maximális megengedett átlagos előremenő áram egy időszak alatt(I PR. SR.)

Ez az az áram, amelyet a dióda előre tud haladni.

Az előremenő áramperiódus megengedett átlagának értéke a termikus áttörési áram 70%-a.

Az előremenő áram szerint a diódákat három csoportra osztják:

1) Kis teljesítményű diódák (I PR.SR< 0,3 А)

2) Közepes teljesítményű diódák (0.3

3) Nagy teljesítményű diódák (I PR.SR > 10 A)