Как найти обратный ток через диод

Опыт показывает, что обратный ток диода
не остается постоянным и равным
,
как следует из формулы (2-23). Он всегда
более или менее значительно растет с
увеличением обратного напряжения. Но
и при малых напряжениях обратный ток
больше теплового, особенно у кремниевых
диодов, у которых это превышение достигает
2—3 порядков. Главные причины отклонения
реальной обратной характеристики от
идеализированной заключаются в
термогенерации носителей в области
перехода, поверхностных утечках, а также
в явлениях, которые при достаточно
большом обратном напряжении приводят
к пробою перехода. Таким образом, обратный
ток диода состоит из нескольких
компонентов, из которых при выводе
характеристики (2-23) мы познакомились
лишь с одним — тепловым током. Однако
и этот ток следует рассмотреть подробнее.
Тепловой ток. Используя в формуле
(2-26,в) соотношения (1-16), (1-28, 1-29, 1-30) и
(1-35), нетрудно представить тепловой ток
в следующем виде:

где
.
Например, для германиевых и кремниевых
диодов при

= 5 Ом-см,

и
0,01
см² получим
;
,
т. е. различие в токах

составляет около семи порядков. Малый
тепловой ток кремниевых диодов является
одним из их важнейших преимуществ, хотя
полный обратный ток реальных кремниевых
диодов, как будет видно ниже, значительно
больше, чем
.
Запишем формулу (2-24) в несколько иной
форме. Умножим и разделим слагаемые, в
правой части на соответствующие
диффузионные длины, положим

и используем соотношение (1-48). Тогда

(2-30)

Поскольку множители

и

суть скорости генерации дырок в базе
и электронов в эмиттере [см. (1-43)], выражение
(2-30) можно трактовать следующим образом:
тепловой ток обусловлен генерацией
неосновных носителей в объемах
,
прилегающих к переходу, откуда эти
носители диффундируют в область
потенциального барьера и уносятся полем
в другой слой (рис. 2-13). В равновесном
состоянии эти потоки компенсируются
встречными потоками аналогичных
носителей, имеющих достаточную энергию,
чтобы преодолеть потенциальный барьер.

Особый интерес представляет температурная
зависимость теплового тока. Если
пренебречь электронной составляющей,
то согласно выражению (2-25в) тепловой
ток зависит от температуры через
параметры
.
Из них главную роль играет равновесная
концентрация неосновных носителей р₀.
Принимая для нее выражение (1-206), получаем
соотношение
;
подставляя значение

из (1-15), выразим тепловой ток в следующем
виде:

(2-31,а)

Здесь ток

содержит величины, мало зависящие от
температуры. С ростом температуры
примесный полупроводник постепенно
превращается в собственный. Следовательно,
при температурах выше критической [см.
(1-22,6)] можно считать

и соответственно
.
В этом случае с учетом (1-15) выражение
для теплового тока примет вид:

(2-31,6)

На практике всегда известен тепловой
ток при некоторой (обычно «комнатной»)
температуре

и требуется определить его значение
при другой температуре
.
Из формулы (2-31,а) легко получить:

(2-32)

Разность, стоящую в круглых скобках
показателя степени, можно привести к
общему знаменателю и подставить значения

и

из (1-3); тогда

Используя это преобразование и полагая,
что абсолютная температура в рабочем
диапазоне меняется не очень сильно (т.
е.
),
получаем вместо (2-32) простое приближенное
соотношение:

(2-33)

где
;

;

.

Этими значениями коэффициента а можно
пользоваться вплоть до температур
120—150°С для кремния и 70—80°С для германия.
Несмотря на простоту формула (2-45) не
всегда удобна для быстрых «прикидок».
Поэтому целесообразно заменить степень
числа е степенью числа 2, которую
всегда легко вычислить в уме. Заменив
основание степени по известным правилам,
формулу (2-33) можно представить в следующем
виде:

(2-34)

где параметр

можно назвать температурой удвоения
тока; это приращение температуры, при
котором тепловой ток удваивается.
Например, при а = 0,07; 0,09; 0,1; 0,13 получаем
соответственно Т* = 10, 8, 7, 5°С. На
практике распространено правило:
«тепловой ток удваивается на каждые
10°С приращения температуры», что
соответствует значению а = 0,07. Ясно,
что это правило не универсально и обычно
занижает фактические изменения теплового
тока в несколько раз.

Ток термогенерации. В идеализированном
диоде мы считали переход бесконечно
узким и, следовательно, могли пренебречь
генерацией и рекомбинацией носителей
в этой области (см. п. 4 ). Реальный переход
имеет конечную ширину, поэтому указанные
процессы имеют в нем место так же, как
в любом другом слое полупроводника, и
играют немаловажную роль.

Электрическое поле, которое всегда есть
в переходе, быстро уносит генерируемые
носители в соответствующий слой диода,
что вызывает протекание некоторого
тока — тока термогенерации.
В равновесном состоянии диода этот
ток компенсируется равным ему встречным
током — током рекомбинации

. Ток рекомбинации обусловлен теми
носителями, которые непрерывно проникают
в переход из эмиттера и базы, но не имеют
достаточной энергии, чтобы перейти в
смежный слой. Вблизи точки «отражения»
(см. рис. 2-5) такие носители имеют малую
скорость и успевают рекомбинировать.

В
неравновесном состоянии диода взаимная
компенсация токов

и

нарушается. В случае обратного включения
диода превалирует ток термогенерации,
так как высота потенциального барьера
увеличивается и проникание носителей
в область перехода (с последующей
рекомбинацией) затрудняется. При обратном
смещении

практически остается только ток
термогенерации, пропорциональный объему
«генерирующего» обедненного слоя, т.
е. ширине перехода (рис. 2-14). Ток

накладывается на тепловой ток
,
и результирующий обратный ток оказывается
больше, чем это следует из формулы
(2-24). Более того, ток

растет с расширением перехода, т. е. с
ростом напряжения, что приводит к
конечному наклону обратной ветви
характеристики.

Для того чтобы оценить значение тока
термогенерации, воспользуемся той
трактовкой, которая была дана для
теплового тока в связи с формулой (2-20).
В области перехода при его обратном
смещении концентрации

и

близки к нулю. Если принять
,
т. е положить уровни ловушек расположенными
в середине запрещенной зоны, то скорость
генерации будет равна
,
где
.
Соответственно ток термогенерации по
аналогии с выражением (2-30) запишется в
следующем виде:

(2-35)

где

— ширина перехода.

Пусть, например,
=
0,01 см²;
=
1,25 мкм;
=
4 мкс; тогда из формулы (2-30) для кремниевого
диода получаем
=
0,001 мкА. Для германиевого диода ток

будет в 1000 раз больше, т. е. около 1 мкА.

Сравним токи

и
.
Разделив (2-35) на первый член (2-30), выразив
концентрации через удельные сопротивления
и полагая для простоты

и
,
получим:

.
(2-36)

Для германия при
=
5 Ом-см,
=
1 мкм,
150
мкм и комнатной температуре отношение
токов составит около 0,1. Для кремния при
прочих равных условиях отношение токов
составит около 1000. Таким образом, при
комнатной температуре ток термогенерации
в германиевых диодах пренебрежимо мал
и их обратный ток близок к тепловому; в
кремниевых диодах, наоборот, ток
термогенерации является главным
компонентом обратного тока. В связи с
этим обстоятельством различие в полных
обратных токах у германиевых и кремниевых
диодов получается не столь большим, как
следует из формулы (2-24). Разница в
несколько тысяч раз (при малом напряжении)
— типичная величина.

Что касается зависимости тока
термогенерации от напряжения, то она
получается при подстановке ширины
перехода

из формулы (2-12) в выражение (2-35) и имеет
вид:

.

При этом легко убедиться, что сопротивления
обратной ветви

и

будут тоже пропорциональны величине

.

Ток термогенерации
,
как видно из выражения (2-35), пропорционален
собственной концентрации в первой
степени и, следовательно, с точки зрения
температурной зависимости, описывается
формулой типа (2-31,6). Соответственно
коэффициенты

[см. формулу (2-33)] равны:
;

,
а температуры удвоения тока [см. формулу
(2-34)]
;

.

Заметим, что у кремниевых диодов ток
термогенерации является главным
компонентом обратного тока при комнатной
температуре. С повышением температуры
тепловой ток

растет быстрее (так как для него
)
и в конце концов начинает превышать ток

.
Обычно это происходит при температуре
+100°С и выше. У германиевых диодов при
комнатной температуре доминирует
тепловой ток, а ток термогенерации
начинает играть роль лишь при отрицательной
температуре. Однако в этом диапазоне
значение обратного тока делается вообще
малосущественным.

Ток
утечки. Поверхностные утечки
представляют собой нередко главный
фактор, влияющий на обратную характеристику.
Ток утечки не всегда является второстепенным
результатом «загрязнения» поверхности.
Он обусловлен в первую очередь
поверхностными энергетическими уровнями,
которые способствуют активной генерации
— рекомбинации, а также молекулярными
или ионными пленками, шунтирующими
переход (это могут быть молекулы окислов
основного материала, молекулы газов,
воды, ионы водорода и т. п.). При повышении
напряжения ток утечки растет сначала
почти линейно, а затем более сильно
(рис. 2-26). Почти линейный начальный
участок характеристики

можно охарактеризовать эквивалентным
сопротивлением утечки
.
Характерная черта тока утечки заключается
в его временной нестабильности, которую
часто называют «ползучестью». Ползучесть
проявляется в изменении обратного тока
в течение некоторого времени после
скачкообразного изменения обратного
напряжения, в частности после его
включения. Есть основания считать, что
ползучесть связана главным образом с
адсорбированной пленкой водяных паров.
Времена релаксации при нарастании или
спадании обратного тока оказываются
различными и обычно лежат в пределах
от нескольких секунд до нескольких
часов. В течение указанного времени
обратный ток заметно меняется (изменение
может выражаться в десятках процентов),
причем величина ползучести оказывается
индивидуальной у разных диодов одного
и того же типа.

Ток утечки зависит от температуры
сравнительно слабо. Поэтому по сравнению
с токами

и

ток

можно считать постоянным. Если при
комнатной температуре
,
то ролью тока утечки вообще можно
пренебречь. Однако чаще, особенно у
кремниевых диодов, имеет место соотношение
.

Эквивалентная схема диода при обратном
смещении. Из предыдущих разделов
видно, что полный обратный ток диода
представляет собой сложную функцию
напряжения и возрастает с его ростом
(рис. 2-17, а). Для расчетов удобно представить
полупроводниковый диод,
работающий в обратном направлений, в
виде линейной -эквивалентной схемы,
показанной на рис. 2-17б. Соответствующая
формула для такой идеализированной
характеристики имеет вид:

(2-37)

где

— ток, получаемый путем экстраполяции
характеристики до пересечения с осью
токов (рис. 2-17,а);

— сопротивление,
характеризующее «средний» наклон
кривой.

Несмотря на приближенность формулы
(2-37), она, как и эквивалентная схема на
рис. 2-17,б, позволяет производить полезные
количественные оценки в широком диапазоне
напряжений. Параметры эквивалентной
схемы определяются по данным справочников
или путем измерений.

Пробой перехода.
Под пробоем
-перехода
понимают резкое уменьшение дифференциального
обратного сопротивления, сопровождающееся
резким возрастанием обратного тока при
незначительном увеличении напряжения.
Разумеется, понятие «резких» изменений
условно; по существу те процессы, которые
обусловливают пробой, начинают проявляться
в той или иной мере при напряжениях,
значительно меньших пробивного. Поэтому,
рассматривая причины пробоя, мы тем
самым рассмотрим дополнительные причины,
по которым обратный ток реального диода
превышает тепловой ток
.

Различают
три вида (механизма) пробоя
-перехода
при достаточно больших обратных
напряжениях: туннельный,
лавинный и тепловой. Первые
два связаны с увеличением напряженности
электрического поля в переходе, а третий
— с увеличением рассеиваемой мощности
и соответственно температуры.

В основе туннельного пробоя лежит
туннельный эффект, т.е. «просачивание»
электронов сквозь тонкий потенциальный
барьер (рис. 2.18).

В основе лавинного пробоя лежит
«размножение» носителей в сильном
электрическом поле, действующем в
области перехода. Электрон и дырка,
ускоренные полем на длине свободного
пробега, могут разорвать одну из
ковалентных связей нейтрального атома
полупроводника. В результате рождается
новая пара электрон — дырка и процесс
повторяется уже с участием новых
носителей. Обратный ток при этом,
естественно, возрастает. При достаточно
большой напряженности поля, когда
исходная пара носителей в среднем
порождает более одной новой пары,
ионизация приобретает лавинный характер.
Граничное значение пробивного напряжения,
выше которого пробой лавинный, а ниже
— туннельный, составляет около 5 В.

В основе теплового пробоя
лежит саморазогрев перехода при
протекании обратного тока. С ростом
температуры обратные токи резко
возрастают, соответственно увеличивается
мощность, рассеиваемая в переходе; это
вызывает дополнительный рост температуры
и т.д. Характерной особенностью ВАХ при
тепловом пробое является наличие участка
с отрицательным дифференциальным
сопротивлением:
.

2-5. ПРЯМАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РЕАЛЬНОГО
ДИОДА

При
напряжении

прямая ветвь характеристики согласно
(2-23) должна быть экспоненциальной
функцией. Между тем, реальные характеристики
состоят из нескольких участков с разными
наклонами, так что формула (2-23) представляет
собой лишь некоторое приближение.
Рассмотрим главные причины, по которым
реальная характеристика отличается от
идеализированной характеристики.

Одной из особенностей реальной ВАХ
является омическое падение напряжения
в слое базы. Будем считать, что в отсутствие
инжекции или при малом ее уровне
сопротивление базы определяется обычной
формулой:

,

(2-38)

где

— толщина базы;

— площадь поперечного сечения. Например,
при
=
5 Ом-см;
=
0,02 см;
=
0,01 см² получим
=
10 Ом. При других
параметрах базы сопротивление

обычно лежит в пределах от 1—2 до 20—30
Ом. Падение напряжения на омическом
сопротивлении базы составляет:

.
(2-39)

Это напряжение является
той поправкой, которую, вообще говоря,
следует ввести в формулы (2-23) и (2-27), чтобы
учесть различие между падением напряжения
на переходе

и приложенным
напряжением
:

;
(2-40,а)

.
(2-40,б)

В области малых токов
поправка
.
мала
и ею пренебрегают. Однако с увеличением
тока напряжение

растет линейно, а напряжение

— логарифмически, т.
е. более слабо. Поэтому при достаточно
большом токе всегда превалирует
напряжение

и экспоненциальная
характеристика диода вырождается.
Вырожденный участок,
называемый омическим.
В линейном масштабе омический участок
показан на рис. 2-19.

Оценим значение тока, при
котором наступает вырождение
экспоненциальной характеристики. Для
этого проще всего положить дифференциальное
сопротивление

равным сопротивлению
.
Такое равенство соответствует одинаковым
приращениям, напряжений

и

при изменении тока на
.
Используя (2-28), приходим к соотношению

,
(2-41)

которое
является критерием вырождения. Даже у
мощных диодов, имеющих сопротивление
базы около 1 Ом, ток вырождения не
превышает 20—30 мА, т. е. соответствует
начальному участку характеристики
(рис. 2-19). Отсюда следует, что омический
участок может составлять значительную,
а иногда и основную рабочую часть
характеристики.

Эквивалентная схема диода
при прямом смещении.
Несмотря на сложную структуру прямой
характеристики, для практических
расчетов ее можно аппроксимировать
ломаной линией, как показано на рис.
2-20, а. Погрешность
такой аппроксимации, как видно из
рисунка, существенна лишь на начальном
участке, при малых токах. Формула для
идеализированной характеристики очень
проста:

.
(2-42)

Ей отвечает простая
эквивалентная схема, показанная на рис.
2-20, б. Параметры

и

можно определить либо по справочным
(типовым), либо по специально снятым
(индивидуальным) кривым. Напомним, что
у кремниевых диодов (см. рис. 2-11,б) значение

выражено значительно ярче, чем у
германиевых. Соответственно точнее
оказывается аппроксимация (2-42). В
диапазоне 0,5 — 5 мА для кремниевых диодов
принимают
.

2-6. ПЕРЕХОДНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ДИОДА

Полупроводниковый диод
является инерционным элементом по
отношению к быстрым изменениям тока
или напряжения, поскольку новое
распределение носителей устанавливается
не сразу. Как известно, внешнее напряжение
меняет ширину перехода, а значит, и
величину пространственных зарядов в
переходе. Кроме того, при инжекции (или
экстракции) меняются заряды в
квазинейтральной области базы.
Следовательно, наряду с проводимостью,
которая в первом приближении характеризуется
выражением (2-33), диод
обладает емкостью, которую можно считать
подключенной параллельно р-п переходу.
Эту емкость принято
разделять на две составляющие: барьерную
емкость, отражающую
перераспределение зарядов в переходе,
и диффузионную емкость,
отражающую
перераспределение зарядов в базе. Такое
разделение в общем весьма условно, но
удобно на практике, тем более что
соотношение обеих емкостей различно
при разных полярностях смещения. При
прямом смещении главную роль играют
заряды в базе и соответственно диффузионная
емкость. При обратном смещении (режим
экстракции) заряды в базе меняются мало
и главную роль играет барьерная емкость.

Характеристика инерционных свойств
диода с помощью емкостей особенно удобна
в случае малых переменных сигналов,
действующих на фоне больших постоянных
смещений. При этом емкости оказываются
почти линейными и весьма наглядно
дополняют эквивалентную схему диода.
В случае больших сигналов использование
емкостей, особенно диффузионной,
становится нецелесообразным, так как
их нелинейность проявляется в такой
мере, что эквивалентная схема теряет
свою наглядность, а анализ делается
отнюдь не более простым, чем при
использовании уравнений непрерывности.

После этих предварительных замечаний
мы рассмотрим сначала свойства барьерной
и диффузионной емкостей, а затем исследуем
переходный процесс при большом сигнале.

Барьерная емкость
(емкость перехода). Определим величину
барьерной емкости, считая, что переход
несимметричен и сосредоточен в базе
типа
.

Заряды на пластинах
воображаемого конденсатора — перехода
— одинаковы ().
Найдем один из них, например
,
для случая ступенчатого перехода (см.
рис. 2-3, б):

,

где

— площадь перехода;

— ширина перехода.

Подставляя сюда выражение
(2-12) и дифференцируя

по
,
получаем дифференциальную
барьерную емкость ступенчатого перехода
при обратном смещении
:

.
(2-43,а)

Вторая форма выражения
удобна тем, что ее первый множитель
является емкостью обычного плоского
конденсатора с расстоянием между
обкладками, равным

— равновесной ширине перехода,
определяемой по формуле (2-9,б). Как видим,
емкость перехода представляется
несколько «необычной», потому что ее
величина зависит от приложенного
напряжения. Оценим значение барьерной
емкости для кремниевого диода полагая

= 0,5 мкм;
=
0,75В;
=
0,01 см²
и
=
20 В; тогда

50 пФ.

В общем случае, используя (2-11), для
барьерной емкости будем иметь:

.
(2-43,6)

Эта
формула может давать большую погрешность
при прямых напряжениях более 0,1—0,2 В,
так как в исходных выражениях (2-9) не
учтен заряд подвижных носителей в
переходе, существенный при прямых
смещениях. Необходимо заметить, что
изменение ширины перехода (т. е. перезаряд
емкости) требует притока или отвода
основных (для каждого слоя) носителей.
Отсюда следует, что на высоких
частотах уменьшается коэффициент
инжекции неосновных носителей.
Точнее говоря, коэффициент инжекции в
области высоких частот становится
комплексной величиной.

Зависимость барьерных
емкостей от обратного напряжения
показана на рис. 2-21. Заметим, что емкость
перехода при прочих равных условиях
зависит от концентрации примесей, т. е.
согласно (1-36) от удельного сопротивления
материала. Чем больше
удельное сопротивление слоев, тем меньше
емкость.

Диффузионная емкость. При прямом
смещении диода переход, как известно,
сужается, и соответственно растет
барьерная емкость. Однако барьерная
емкость оказывается менее существенной,
чем емкость, обусловленная возрастающим
зарядом носителей в базовом слое, которую
называют диффузионной, так как этот же
самый заряд лежит в основе диффузии
носителей в базе. Диффузионная
емкость

«заряжается» как инжектированными
дырками, так и электронами, компенсирующими
заряд инжектированных дырок. Поскольку
избыточные заряды электронов и дырок
одинаковы, найдем один из них, а именно
заряд дырок, исходя из распределения
(2-20):

Подставляя сюда

из (2-18,а), ток

из (2-25,а) и учитывая соотношения (2-23) и
,
получаем:

.
(2-44)

Если поделить этот заряд
на напряжение
,
то интегральная
диффузионная емкость запишется в
следующем виде:

,

где
—
сопротивление диода
постоянному току (2-29). Дифференциальная
диффузионная емкость будет иметь
аналогичную форму:

,
(2-45)

где

сопротивление диода
переменному току (2-28).

Как видим, диффузионная
емкость (2-45) является
функцией прямого тока, подобно
тому как барьерная
емкость (2-43а) является
функцией обратного напряжения. Кроме
того, диффузионная емкость находится
в прямой зависимости от толщины базы,
уменьшаясь с уменьшением отношения
.

Для толстой базы, когда

и
,
получаем:

;
(2-46,а)

.

(2-46,6)

Например, если
=
5 мкс;
=
10 мА, то
=
2 мкФ. Такие значения на несколько
порядков превосходят величину барьерной
емкости.

Для тонкой базы, когда
,
выражения (2-46) приводятся к виду:

;
(2-47а)

,

(2-476)

где

(2-48)

есть среднее время
диффузии, т. е. среднее
время пролета носителей через тонкую
базу при диффузионном механизме движения.
Время диффузии является
столь же фундаментальным параметром
полупроводниковых приборов в случае
тонкой базы, как время жизни для толстой
базы. Например, сравнивая формулы (2-46)
и (2-47), видим, что они имеют одинаковую
структуру и различаются только тем, что
место параметра

в первых занимает параметр

во вторых. Поскольку
случай тонкой базы характерен для
транзисторов и многих других приборов,
их динамические параметры в решающей
степени определяются именно временем
диффузии, даже если наряду с диффузией
имеет место дрейф.

Нормально все. Так и должно быть. Дело в том, что в целях снижения затрат диоды на заводах проверяются лишь выборочно.

Выпускается партия, например, 1000шт. Из этой партии выбираются наугад штук 10 диодов, у которых и замеряются параметры. Далее по результатам замеров вся партия объявляется годной или бракованной. Если диоды признаны годными, то всей партии присваивается определенная буква. Иными словами, буква на 99% диодов выставлена, в общем-то, наугад. Да, в партии могут быть и неисправные диоды. Однако процент их невелик и это никого не волнует. Проще и дешевле обменять изделие по гарантии. Это же ширпотреб.

В магазины для радиолюбителей диоды идут вообще без какой-либо проверки. Купил я как-то горсть подозрительно очень дешевых тиристоров КУ202Н. У них такой ток утечки был, что они даже в закрытом состоянии нагревались так, что дотронуться нельзя было. Не проработав и года, вышли из строя все.

Есть на заводах радиодеталей и такое понятие, как марочный брак. Просто по ошибке ставили другую букву и все. Такие диоды раньше продавались по бросовым ценам в ларьках рядом с заводами с сопроводительной бумажкой. Разумеется, коммерсанты эту бумажку выбрасывали, а диоды перепродавали потом с большим наваром.

Только военная приемка тестирует КАЖДЫЙ диод. В этом случае на маркировке диодов можно найти либо буквы ВП, либо пятиконечную звездочку. Но такая проверка часто обходится дороже, чем выпуск диода. Отсюда и очень высокая цена военной техники.

Короче, всегда разбирай только военную технику, медицинскую аппаратуру, системы жизнеобеспечения, аппаратуру самолетов и т.п. Взятые там детали, скорее всего, сильно удивят своими параметрами даже спустя десятилетия работы.

Здравствуйте уважаемые читатели сайта sesaga.ru. В первой части статьи мы с Вами разобрались, что такое полупроводник и как возникает в нем ток. Сегодня мы продолжим начатую тему и поговорим о принципе работы полупроводниковых диодов.

Диод – это полупроводниковый прибор с одним p-n переходом, имеющий два вывода (анод и катод), и предназначенный для выпрямления, детектирования, стабилизации, модуляции, ограничения и преобразования электрических сигналов.

По своему функциональному назначению диоды подразделяются на выпрямительные, универсальные, импульсные, СВЧ-диоды, стабилитроны, варикапы, переключающие, туннельные диоды и т.д.

Теоретически мы знаем, что диод в одну сторону пропускает ток, а в другую нет. Но как, и каким образом он это делает, знают и понимают не многие.

Схематично диод можно представить в виде кристалла состоящего из двух полупроводников (областей). Одна область кристалла обладает проводимостью p-типа, а другая — проводимостью n-типа.

На рисунке дырки, преобладающие в области p-типа, условно изображены красными кружками, а электроны, преобладающие в области n-типа — синими. Эти две области являются электродами диода анодом и катодом:

Анод – положительный электрод диода, в котором основными носителями заряда являются дырки.

Катод – отрицательный электрод диода, в котором основными носителями заряда являются электроны.

На внешние поверхности областей нанесены контактные металлические слои, к которым припаяны проволочные выводы электродов диода. Такой прибор может находиться только в одном из двух состояний:

1. Открытое – когда он хорошо проводит ток;
2. Закрытое – когда он плохо проводит ток.

Прямое включение диода. Прямой ток.

Если к электродам диода подключить источник постоянного напряжения: на вывод анода «плюс» а на вывод катода «минус», то диод окажется в открытом состоянии и через него потечет ток, величина которого будет зависеть от приложенного напряжения и свойств диода.

При такой полярности подключения электроны из области n-типа устремятся навстречу дыркам в область p-типа, а дырки из области p-типа двинутся навстречу электронам в область n-типа. На границе раздела областей, называемой электронно-дырочным или p-n переходом, они встретятся, где происходит их взаимное поглощение или рекомбинация.

Например. Oсновные носители заряда в области n-типа электроны, преодолевая p-n переход попадают в дырочную область p-типа, в которой они становятся неосновными. Ставшие неосновными, электроны будут поглощаться основными носителями в дырочной области – дырками. Таким же образом дырки, попадая в электронную область n-типа становятся неосновными носителями заряда в этой области, и будут также поглощаться основными носителями – электронами.

Контакт диода, соединенный с отрицательным полюсом источника постоянного напряжения будет отдавать области n-типа практически неограниченное количество электронов, пополняя убывание электронов в этой области. А контакт, соединенный с положительным полюсом источника напряжения, способен принять из области p-типа такое же количество электронов, благодаря чему восстанавливается концентрация дырок в области p-типа. Таким образом, проводимость p-n перехода станет большой и сопротивление току будет мало, а значит, через диод будет течь ток, называемый прямым током диода Iпр.

Обратное включение диода. Обратный ток.

Поменяем полярность источника постоянного напряжения – диод окажется в закрытом состоянии.

В этом случае электроны в области n-типа станут перемещаться к положительному полюсу источника питания, отдаляясь от p-n перехода, и дырки, в области p-типа, также будут отдаляться от p-n перехода, перемещаясь к отрицательному полюсу источника питания. В результате граница областей как бы расширится, отчего образуется зона обедненная дырками и электронами, которая будет оказывать току большое сопротивление.

Но, так как в каждой из областей диода присутствуют неосновные носители заряда, то небольшой обмен электронами и дырками между областями происходить все же будет. Поэтому через диод будет протекать ток во много раз меньший, чем прямой, и такой ток называют обратным током диода (Iобр). Как правило, на практике, обратным током p-n перехода пренебрегают, и отсюда получается вывод, что p-n переход обладает только односторонней проводимостью.

Прямое и обратное напряжение диода.

Напряжение, при котором диод открывается и через него идет прямой ток называют прямым (Uпр), а напряжение обратной полярности, при котором диод закрывается и через него идет обратный ток называют обратным (Uобр).

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

Сопротивление p-n перехода диода величина не постоянная и зависит от прямого напряжения (Uпр), которое подается на диод. Чем больше это напряжение, тем меньшее сопротивление оказывает p-n переход, тем больший прямой ток Iпр течет через диод. В закрытом состоянии на диоде падает практически все напряжение, следовательно, обратный ток, проходящий через него мал, а сопротивление p-n перехода велико.

Например. Если включить диод в цепь переменного тока, то он будет открываться при положительных полупериодах на аноде, свободно пропуская прямой ток (Iпр), и закрываться при отрицательных полупериодах на аноде, почти не пропуская ток противоположного направления – обратный ток (Iобр). Эти свойства диодов используют для преобразования переменного тока в постоянный, и такие диоды называют выпрямительными.

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода.

Зависимость тока, проходящего через p-n переход, от величины и полярности приложенного к нему напряжения изображают в виде кривой, называемой вольт-амперной характеристикой диода.

На графике ниже изображена такая кривая. По вертикальной оси в верхней части обозначены значения прямого тока (Iпр), а в нижней части — обратного тока (Iобр).
По горизонтальной оси в правой части обозначены значения прямого напряжения Uпр, а в левой части – обратного напряжения (Uобр).

Вольт-амперная характеристика состоит как бы из двух ветвей: прямая ветвь, в правой верхней части, соответствует прямому (пропускному) току через диод, и обратная ветвь, в левой нижней части, соответствующая обратному (закрытому) току 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 идет почти параллельно горизонтальной оси и характеризует медленный рост обратного тока. Чем круче к вертикальной оси прямая ветвь и чем ближе к горизонтальной обратная ветвь, тем лучше выпрямительные свойства диода. Наличие небольшого обратного тока является недостатком диодов. Из кривой вольт-амперной характеристики видно, что прямой ток диода (Iпр) в сотни раз больше обратного тока (Iобр).

При увеличении прямого напряжения через p-n переход ток вначале возрастает медленно, а затем начинается участок быстрого нарастания тока. Это объясняется тем, что германиевый диод открывается и начинает проводить ток при прямом напряжении 0,1 – 0,2В, а кремниевый при 0,5 – 0,6В.

Например. При прямом напряжении Uпр = 0,5В прямой ток Iпр равен 50mA (точка «а» на графике), а уже при напряжении Uпр = 1В ток возрастает до 150mA (точка «б» на графике).

Но такое увеличение тока приводит к нагреванию молекулы полупроводника. И если количество выделяемого тепла будет больше отводимого от кристалла естественным путем, либо с помощью специальных устройств охлаждения (радиаторы), то в молекуле проводника могут произойти необратимые изменения вплоть до разрушения кристаллической решетки. Поэтому прямой ток p-n перехода ограничивают на уровне, исключающем перегрев полупроводниковой структуры. Для этого используют ограничительный резистор, включенный последовательно с диодом.

У полупроводниковых диодов величина прямого напряжения Uпр при всех значениях рабочих токов не превышает:
для германиевых — 1В;
для кремниевых — 1,5В.

При увеличении обратного напряжения (Uобр), приложенного к p-n переходу, ток увеличивается незначительно, о чем говорит обратная ветвь вольтамперной характеристики.
Например. Возьмем диод с параметрами: Uобр max = 100В, Iобр max = 0,5 mA, где:

Uобр max – максимальное постоянное обратное напряжение, В;
Iобр max – максимальный обратный ток, мкА.

При постепенном увеличении обратного напряжения до значения 100В видно, как незначительно растет обратный ток (точка «в» на графике). Но при дальнейшем увеличении напряжения, свыше максимального, на которое рассчитан p-n переход диода, происходит резкое увеличение обратного тока (пунктирная линия), нагрев кристалла полупроводника и, как следствие, наступает пробой p-n перехода.

Пробои p-n перехода.

Пробоем p-n перехода называется явление резкого увеличения обратного тока при достижении обратным напряжением определенного критического значения. Различают электрический и тепловой пробои p-n перехода. В свою очередь, электрический пробой разделяется на туннельный и лавинный пробои.

Электрический пробой.

Электрический пробой возникает в результате воздействия сильного электрического поля в p-n переходе. Такой пробой является обратимый, то есть он не приводит к повреждению перехода, и при снижении обратного напряжения свойства диода сохраняются. Например. В таком режиме работают стабилитроны – диоды, предназначенные для стабилизации напряжения.

Туннельный пробой.

Туннельный пробой происходит в результате явления туннельного эффекта, который проявляется в том, что при сильной напряженности электрического поля, действующего в p-n переходе малой толщины, некоторые электроны проникают (просачиваются) через переход из области p-типа в область n-типа без изменения своей энергии. Тонкие p-n переходы возможны только при высокой концентрации примесей в молекуле полупроводника.

В зависимости от мощности и назначения диода толщина электронно-дырочного перехода может находиться в пределах от 100 нм (нанометров) до 1 мкм (микрометр).

Для туннельного пробоя характерен резкий рост обратного тока при незначительном обратном напряжении – обычно несколько вольт. На основе этого эффекта работают туннельные диоды.

Благодаря своим свойствам туннельные диоды используются в усилителях, генераторах синусоидальных релаксационных 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 зарядов под действием тепла в p-n переходе ускоряются на столько, что способны выбить из атома один из его валентных электронов и перебросить его в зону проводимости, образовав при этом пару электрон — дырка. Образовавшиеся носители зарядов тоже начнут разгоняться и сталкиваться с другими атомами, образуя следующие пары электрон – дырка. Процесс приобретает лавинообразный характер, что приводит к резкому увеличению обратного тока при практически неизменном напряжении.

Диоды, в которых используется эффект лавинного пробоя используются в мощных выпрямительных агрегатах, применяемых в металлургической и химической промышленности, железнодорожном транспорте и в других электротехнических изделиях, в которых может возникнуть обратное напряжение выше допустимого.

Тепловой пробой.

Тепловой пробой возникает в результате перегрева p-n перехода в момент протекания через него тока большого значения и при недостаточном теплоотводе, не обеспечивающем устойчивость теплового режима перехода.

При увеличении приложенного к p-n переходу обратного напряжения (Uобр) рассеиваемая мощность на переходе растет. Это приводит к увеличению температуры перехода и соседних с ним областей полупроводника, усиливаются колебания атомов кристалла, и ослабевает связь валентных электронов с ними. Возникает вероятность перехода электронов в зону проводимости и образования дополнительных пар электрон — дырка. При плохих условиях теплоотдачи от p-n перехода происходит лавинообразное нарастание температуры, что приводит к разрушению перехода.

На этом давайте закончим, а в следующей части рассмотрим устройство и работу выпрямительных диодов, диодного моста.
Удачи!

Источник:

1. Борисов В.Г — Юный радиолюбитель. 1985г.
2. Горюнов Н.Н. Носов Ю.Р — Полупроводниковые диоды. Параметры, методы измерений. 1968г.

Выпрямительные диоды и их параметры

Выпрямительные диоды являются составной частью таких устройств, как детекторы, умножители, выпрямители и т.п. Выпрямительные диоды производятся с плоскостным точечным переходом, площадь которого зависит от номинального выпрямленного за полупериод электрического тока. Вольтамперная характеристика (пример) полупроводникового диода изображена на рисунке ниже.

Прямая ветвь характеристики демонстрирует связь протекающего через диод тока и падения напряжения на нем. Обратная ветвь характеристики отражает поведение диода в случае подачи на него напряжения обратной полярности, ток через переход очень мал и почти никак не зависит от величины напряжения приложенного к диоду, до тех пор, пока не будет достигнут предел, в результате которого произойдет пробой перехода (диод выйдет из строя).

К основным параметрам выпрямительных диодов относятся:

1. Максимальное обратное напряжение диода.
2. Средний ток диода.
3. Максимальный импульсный ток диода — единичный импульс и повторяющиеся импульсы.
4. Средний обратный ток диода.
5. Среднее прямое напряжение диода.
6. Дифференциальное сопротивление диода.
7. Средняя рассеиваемая мощность диода.

Максимальное обратное напряжение диода является основным параметром выпрямительного диода. Его можно определить опытным путем. Для этого к диоду прилагают напряжение в обратном направлении и измеряют максимальное его значение, которое он может выдержать. Так же оно может быть рассчитано следующим образом:

$Uо.обр = 1,045*Ucр$

Средний ток диода представляет собой среднюю за период величину выпрямленного постоянного тока, который протекает через p-n-переход. Диодом должно проводиться половина общего тока, поэтому его среднее значение рассчитывается по формуле:

$Iср = I/2$

Максимальный импульсный тока представляет собой пиковое значение тока, которое он способен выдерживать определенное время. Данный параметр указывается в технической документации и задается на заводе-изготовителе. Средний обратный ток демонстрирует средний за период ток через переход в обратном направлении. Данный параметр определяется экспериментально, измеряется при помощи специальных приборов, а его значение невелико и может составлять максимум единицы миллиампер.

Среднее прямое напряжение диода — это напряжение, которое прикладывается к переходу при прохождении через него тока, допустимого согласно технической документации, оно определяется посредством измерения специальными приборами. Дифференциальным сопротивлением диода выражается отношение приращения напряжения на переходе к вызвавшему данное приращение приращению тока через переход, таким образом формула для его расчета имеет следующий вид:

$Rдиф = dU/dI$

Средняя рассеиваемая мощность диода представляет собой среднюю за период мощность, которая рассеивается корпусом диода, когда через него протекает ток в обоих направлениях. Этот параметр зависит от конструкции корпуса измеряется специальными приборами, при необходимости (так как указан в технической документации).

Определение параметров биполярных транзисторов

Биполярные транзисторы используются в разнообразных электронных устройствах для того, чтобы усилить и генерировать электрические колебания, а также, как коммутирующий элемент, например, в схемах транзисторно-транзисторной логики.

На практике часто пользуются вторичными параметрами транзисторов, которые характеризуют его, как четырехполюсник — прибор с двумя входными и выходными зажимами. Вторичные параметры связывают между собой входные и выходные переменные токи и напряжения. Линейные четырехполюсники характеризуются двумя уравнениями, которые связывают токи и напряжения на выходе и входе. Всего можно составить шесть пар таких уравнений, определяющих шесть систем параметров. Самое широкое распространение получила система h-параметров. Такая система, позволяет определить входное напряжение U1 и выходной ток I2 по известным I1 и U2.

$U1 = f1(I1, U2) $ или $Uвх = f1(Iвх, Uвых)$

$I2 = I2 (I1, U2)*Iвых = f2(Iвх, Uвых)$

Формулы для расчета параметров биполярных транзисторов зависят от схемы включения, которая может быть с общим эмиттером, коллектором или базой. В общем случае формула для расчета коэффициента усиления по электрическому току выглядит следующим образом:

$к = Iвых/Iвх$

При включении транзистора по схеме с общей базой формула для расчета коэффициента усиления по току будет иметь вид:

$k = Ik/Iэ$

где: Ik — электрический ток коллектора; Iэ — электрический ток эмиттера.

В случае, когда биполярный транзистор включен по схеме с общим эмиттером, коэффициент усиления по электрическому току можно рассчитать по формуле:

$к = Ik/Iб = Ik /(Iэ-Ik)$

где Iб — электрический ток базы транзистора.

При включении транзистора по схеме с общим коллектором формула имеет следующий вид:

$к = Iэ/Iб = Iэ/(Iэ-Ik)$

От схемы включения также зависит формула расчета входного сопротивления:

В общем виде:

$Rвх = Uвх/Iвх$

С общей базой:

$Rвх = Uэб/Iэ$

С общим эмиттером:

$Rвх = Uбэ/Iб$

С общим коллектором:

$Rвх = (Uбэ+Uкэ) / Iб$

где: Uэб — напряжение база-эмиттер; Uкэ — напряжение коллектор — эмиттер

Определение основных параметров биполярных транзисторов трудоемкий процесс, зависящий от многих факторов — схемы включения, технических характеристик, указанных в соответствующей документации и т. д.