Диод в 10 характеристики. Характеристики и применение диодов: ключевые параметры для разработчиков — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Какие параметры диодов наиболее важны для разработчиков. Как правильно интерпретировать характеристики в документации. Какие факторы влияют на надежность диодов в реальных устройствах. На что обратить внимание при выборе диодов для проекта.

Содержание

Ключевые параметры диодов: на что обратить внимание

При выборе диодов для электронных устройств разработчикам важно учитывать следующие основные параметры:

Максимальный импульсный ток (Ifsm)
Напряжение пробоя (Vrrm)
Максимальная температура перехода (Tj)
Прямое падение напряжения (Vf)
Обратный ток утечки (Ir)
Тепловое сопротивление

Правильная интерпретация этих характеристик позволяет оценить применимость диода в конкретной схеме и обеспечить его надежную работу.

Импульсный ток и напряжение пробоя: критически важные параметры

Максимальный импульсный ток (Ifsm) и напряжение пробоя (Vrrm) являются ключевыми предельными характеристиками диода. Превышение этих параметров может привести к катастрофическому отказу компонента.

Напряжение пробоя Vrrm тщательно проверяется производителями на этапе производства. Разработчики могут уверенно использовать это значение в расчетах. Однако следует избегать работы диода в режиме лавинного пробоя, если это явно не указано в документации.

Импульсный ток Ifsm обычно не тестируется при серийном производстве, но гарантируется конструкцией диода. Важно учитывать длительность импульсов тока в конкретном применении.

Температура перехода: влияние на надежность и долговечность

Максимальная температура перехода (Tj) играет критическую роль в обеспечении надежности диода. Этот параметр используется для:

Определения допустимого тока через диод
Проведения испытаний на надежность
Оценки долгосрочной надежности с помощью уравнения Аррениуса

Снижение рабочей температуры перехода позволяет существенно повысить надежность и срок службы диода. Например, уменьшение Tj на 10-20°C может в несколько раз снизить интенсивность отказов.

Вольт-амперная характеристика: объективный критерий сравнения диодов

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) является одним из наиболее информативных параметров для сравнения диодов разных производителей. В отличие от номинальных значений тока, которые могут определяться по-разному, ВАХ отражает реальные свойства диода.

При анализе ВАХ следует обращать внимание на:

Прямое падение напряжения при различных токах
Ток утечки в обратном направлении
Крутизну характеристики в прямом направлении

Эти данные позволяют более точно оценить поведение диода в конкретной схеме.

Тепловое сопротивление: ключ к правильному применению диода

Тепловое сопротивление является критически важным параметром, определяющим способность диода рассеивать тепло. От него зависит максимально допустимый ток через диод в конкретных условиях применения.

При анализе теплового сопротивления важно учитывать:

Сопротивление переход-корпус (Rth j-c)
Сопротивление корпус-окружающая среда (Rth c-a)
Условия монтажа диода на печатной плате
Наличие дополнительных теплоотводов

Правильная оценка теплового режима позволяет избежать перегрева и преждевременных отказов диодов.

Ток утечки: реальные значения vs спецификация

Значения обратного тока утечки, указанные в документации (обычно 1-5 мкА), часто не отражают реальных характеристик современных диодов. Фактические токи утечки могут быть на порядки меньше.

Для оценки качества диодов по току утечки рекомендуется:

Запрашивать у производителя результаты PAT-тестирования
Анализировать статистическое распределение токов утечки
Обращать внимание на значения индекса воспроизводимости процесса Cpk

Это позволяет выявить потенциально ненадежные компоненты с аномально высокими токами утечки.

Надежность диодов: факторы влияния и методы оценки

На надежность диодов в реальных устройствах влияет множество факторов:

Рабочая температура перехода
Циклические нагрузки
Броски напряжения и тока
Условия окружающей среды

Для оценки долгосрочной надежности применяются различные методики:

Испытания на высокотемпературное обратное смещение (HTRB)
Термоциклирование
Расчет интенсивности отказов по модели Аррениуса

Важно учитывать, что реальные условия эксплуатации могут существенно отличаться от стандартных тестов. Поэтому рекомендуется проводить дополнительные испытания, моделирующие конкретное применение.

Выбор диодов для ответственных применений: на что обратить внимание

При выборе диодов для ответственных применений, таких как автомобильная электроника или промышленное оборудование, следует обращать внимание на следующие аспекты:

Наличие сертификации по стандарту AEC-Q101 для автомобильных применений
Расширенный диапазон рабочих температур
Стойкость к воздействию влаги и агрессивных сред
Устойчивость к механическим воздействиям и вибрациям
Низкий уровень электромагнитных помех

Также важно оценивать стабильность характеристик диода в течение всего срока службы устройства.

Современные тенденции в производстве диодов

Индустрия производства диодов постоянно развивается. Основные тенденции включают:

Уменьшение размеров корпусов при сохранении электрических характеристик
Снижение прямого падения напряжения для повышения энергоэффективности
Улучшение тепловых характеристик
Повышение устойчивости к электростатическим разрядам
Разработку специализированных диодов для конкретных применений

Следование этим тенденциям позволяет создавать все более компактные и эффективные электронные устройства.

Заключение: комплексный подход к выбору диодов

Выбор оптимального диода для конкретного применения требует комплексного анализа множества параметров. Важно не только ориентироваться на номинальные значения в документации, но и понимать реальное поведение компонента в рабочих условиях.

Ключевые рекомендации при выборе диодов:

Тщательно анализировать вольт-амперные характеристики
Учитывать тепловой режим работы в конкретном устройстве
Оценивать долговременную надежность с учетом условий эксплуатации
Запрашивать у производителей дополнительные данные по тестированию
Проводить собственные испытания прототипов

Следование этим рекомендациям позволит создавать надежные и эффективные электронные устройства с оптимальным использованием возможностей современных диодов.

Какие характеристики диодов действительно имеют смысл?

Несмотря на свою простоту, некоторые технические характеристики современных диодов могут вызвать вопросы у неопытных разработчиков. Дело в том, что некоторые модели диодов были созданы 30 — 50 лет назад. Тогда же для них создавалась и сопутствующая документация. По этой причине в отрасли все еще используют многие устаревшие характеристики и определения, даже если речь касается новых моделей диодов. Старая документация создавалась с прицелом на оптимизацию серийного производства и минимизацию брака. В ней не учитывалась стратегия нулевых дефектов. Очевидно, что разница между этими подходами значительна.

В этой статье мы обсудим наиболее важные параметры, которые должны учитывать разработчики при выборе диодов. Мы также объясним, каким образом производители тестируют диоды и определяют их характеристики. В свою очередь, эти знания помогут разработчикам правильно оценивать характеристики, приведенные в документации.

Мы обсудим наиболее важные предельно допустимые параметры, такие как импульсный ток и напряжение пробоя, а также связанные с ними характеристики, например, I2t и ?Vf. Мы также рассмотрим максимальную температуру перехода и другие технические характеристики, которые требуются для оценки допустимого нагрева в различных приложениях, включая факторы, влияющие на тепловое сопротивление, а также уменьшение допустимого тока при разогреве (дирейтинг).

В статье будут предложены способы оценки надежности компонентов, а также будут обсуждаться другие параметры, в частности, ток утечки и значения Cpk. В настоящей статье обсуждаются только стандартные кремниевые диоды и мостовые выпрямители. Аналогичный обзор параметров для диодов Шоттки будет выполнен в следующей статье.

Предельно допустимые характеристики

На самом деле у диодов есть только две предельно допустимых характеристики: максимальный импульсный ток Ifsm и напряжение пробоя Vrrm. Превышение допустимых токов и напряжений может привести к катастрофическому отказу компонента. Существует несколько механизмов пробоя диодов. Чтобы определить конкретный механизм пробоя, используют растровые электронные микроскопы (SEM). Катастрофические отказы можно воспроизвести при испытаниях.

Уровень напряжения пробоя диодов Vrrm в обязательном порядке проверяют на производстве. Более того, такая проверка выполняется неоднократно, чтобы гарантировать нулевой уровень брака. В результате, разработчики могут не сомневаться в этом параметре и использовать его в расчетах. С другой стороны, проблемы могут возникнуть из-за превышения Vrrm. Большинство стандартных диодов имеют много различных исполнений с рабочими напряжениями от 100 В до 1000 В, однако для производства каждого из них используют один и тот же тип кристалла (или два типа кристаллов). Дело в том, что при массовом производстве неизбежны отклонения. Это и объясняет различия в значениях напряжения пробоя.

Устройства, в которых диод сталкивается с превышением рейтинга напряжения Vrrm, могут без отказов отработать в лабораторных условиях и в прототипах. Однако при крупносерийном производстве подобных изделий поставщику вряд ли удастся обеспечить нулевой уровень отказов. Как правило, диоды не предназначены для работы в режиме лавинообразного пробоя (если об этом напрямую не сказано в документации).

Превышение Vrrm не рекомендуется, так как лавинный ток обычно происходит по поверхности кристалла, а не в его объеме. Разумеется, если производитель определяет стойкость диода к лавинному пробою, то это очень хорошо и является признаком надежности компонента. Однако к этому нужно относиться очень осторожно, так как условия испытаний, используемые производителем, могут существенно отличаться от параметров конкретной схемы. Очень часто в документации приводят параметры устойчивости диодов к одиночным выбросам напряжения, в то время как для реальных схем, как правило, характерны повторяющиеся импульсы перенапряжений.

Импульсный ток Ifsm не тестируется при серийном производстве, но гарантируется конструкцией самого диода. Длительность импульсов тока в большинстве AC/DC-преобразователей не превышает 1,5 мс. Переходное тепловое сопротивление является ключевым параметром, который определяет надежность работы диода. Устойчивость диода к импульсам тока длительностью 1,5 мс определяется размером кристалла и качеством его разварки. Качество разварки в свою очередь очень сильно зависит от качества паяных соединений и способности производителя минимизировать количество пустот в объеме припоя.

Обычно в документации приводят значения Ifsm для импульса 8,3 мс или синусоидальной волны 10 мс и резистивной нагрузки, что соответствует работе линейного источника питания 50/60 Гц. Очевидно, что эти условия испытаний были разработаны еще в прошлом веке и являются устаревшими, так как современные источники питания в большинстве своем оказываются импульсными и обычно работают с емкостной нагрузкой. Для них длительность пускового тока существенно меньше, чем 10 мс.

Некоторые разработчики стараются использовать значения I2t, которые обычно приводят в документации. Однако здесь также легко ошибиться. Величина прямого падения напряжения Vf не является постоянной даже для больших токов, кроме того формы сигналов различаются. По этой причине I2t позволяет выполнять только ориентировочные расчеты. Таким образом, разработчику в любом случае потребуется проверять свои расчеты на прототипах.

Большинство производителей диодов контролируют значение ?Vf в ходе заключительной программы испытании. В ходе таких испытаний измеряется прямое падение напряжения на диоде (Vf) до и после воздействия короткого импульса тока. Хорошо известно, что для диодов значение Vf имеет отрицательный температурный коэффициент. Таки образом, по изменению ?Vf можно судить о тепловом сопротивлении компонента и при необходимости отбраковывать диоды с плохим качеством разварки кристалла.

Для того чтобы свести к нулю число отказов, необходимо обратиться к производителю и обсудить с ним некоторые аспекты производственных процессов и дирейтинг тока с учетом особенностей вашего конкретного приложения.

Температура перехода

Максимально допустимая температура перехода для диода (Tj) необходима для определения рейтинга тока, а также используется при проведении испытаний надежности и при оценке долгосрочной надежности с использованием уравнения Аррениуса.

Диоды – это устройства с сильной температурной зависимостью. Наиболее важное уравнение, используемое для теплового анализа работы диода, имеет вид:

T_j= T_a + P_d*R_thj-a

где T_j – температура перехода, T_a – температура окружающей среды, P_d – рассеиваемая мощность, а R_thj-a– это теплового сопротивление переход – окружающее пространство.

Если не учитывать ток утечки и потери на переключения, то мощность, рассеиваемую на диоде, можно рассчитать как P_d= I_f* V_f. Так как прямое падение на диоде является величиной практически постоянной, то ограничение мощности в первую очередь определяется рейтингом тока. Очевидно, что допустимый ток зависит от температуры кристалла, а значит и от эффективности отвода тепла от кристалла. Уменьшение предельного тока при разогреве называют «дирейтингом». К сожалению, очень часто из маркетинговых соображений график дирейтинга тока, искусственно «приукрашивается». Если выбрать низкое значение Rthj-a (иногда совсем нереальное) можно сдвинуть точку излома графика в сторону более высоких температур, тем самым сделать дирейтинг тока более привлекательным. В качестве примера мы взяли график снижения тока для 1N4007 (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость максимального прямого тока от температуры (дирейтинг) для кремниевого диода общего назначения 1N4007

Как уже было сказано выше, точка излома этой характеристики определяется тепловым сопротивлением кристалл-окружающая среда Rthj-a. Значение Rthj-a может быть выбрано производителем произвольно и очень часто занижается из маркетинговых соображений. Очевидно, что при различных показателях Rthj-a токовая нагрузка диода может изменяться в очень широких пределах. Такой неоднозначности можно избежать, если производитель будет строить график дирейтинга тока в зависимости от температуры корпуса Tc, а не от температуры окружающей среды Ta, и при этом, укажет конкретное значение Rthj-l.

Однако, даже когда производитель указывает дирейтинг с учетом Tc, а не Ta, разработчики все равно должны быть осторожны (особенно в случае с SMD-компонентами). В большинстве устройств тепловое сопротивление состоит из двух частей: тепловое сопротивление переход-корпус (или переход-вывод) и тепловое сопротивление корпус-среда (вывод-среда). Если компонент не имеет внешнего теплоотвода, то основной вклад в общее тепловое сопротивление вносит сопротивление корпус-среда (до 75%). Очевидно, что в таких случаях дирейтинг с учетом Tc становится бессмысленным. Концепция бесконечного радиатора является чисто теоретической – она не может быть реализована на практике.

Производители могут использовать различные условия испытаний, что приводит к тому, что рейтинги тока, представленные в документации, оказываются не столь однозначными и способны вводить в заблуждение разработчиков. Другими словами указание рейтинга тока 2 А или 5 А может не имеет особого практического смысла. Более эффективным будет сравнение диодов по их Vf и по условиям испытаний. Большинство поставщиков включают типовые ВАХ в документацию. Вольт-амперные характеристики являются объективными – их нельзя подстроить по желанию маркетингового отдела. Они позволяют объективно сравнивать диоды.

Максимальная температура перехода также играет очень важную роль с точки зрения надежности. Обратите внимание, что производители диодов могут сами выбирать, как определять максимальную температуру кристалла и как проводить тестирование надежности. Но если компонент сертифицируется согласно требованиям AEC Q101, то условия испытаний становятся четко определенными. Высокотемпературное тестирование с обратным смещением (High-temperature reverse-bias, HTRB) особенно важно для определения надежности. Компоненты, соответствующие требованиям AEC Q101, в обязательном порядке проходят испытания для определения Tj и пробивного напряжения (DC/RMS). Если диод не сертифицирован согласно AEC Q101, то разработчику следует ознакомиться, каким образом производитель выполняет тест HTRB.

Важно понимать, что в документации приводится максимальная температура, однако использование компонента при более низкой температуре позволит снизить количество отказов. Чтобы объяснить эту закономерность, следует изучить факторы ускорения химической реакции в уравнении Аррениуса. Если вы разрабатываете электронику для автомобильной техники с номинальным бортовым напряжением 12 В, то вашими основными инструментами для оценки долгосрочной надежности и вероятности отказов станут модель Коффина-Менсона и испытания с термоциклированием. Однако в случае неавтомобильных приложений, таких как AC/DC- и DC/DC-преобразователи, следует использовать уравнение Аррениуса.

Производители обычно предоставляют значение интенсивности отказов FIT (failures in time) для температуры 55 °C с определенным уровнем достоверности, например, 60% или 90%. Значение FIT определяется как отношение количества отказов на один миллиард устройство-часов. Если разработчик учтет коэффициент ускорения AF, то он сможет определить, каким будет FIT в его устройстве. Коэффициент AF высчитывается для заданной температуры Tj, после чего умножается на значение FIT при 55 °C. В таблице 1 приведены коэффициенты ускорения, рассчитанные с энергией активации 0,7 эВ, которая является стандартной для кремниевых диодов.

Таблица 1. Коэффициенты ускорений для различных температур перехода

Tj (°C)	AF
55	1
100	19
110	34
120	58
130	97
140	158
149	240
150	251
151	263

Во многих компаниях существует правило, согласно которому допустимый перегрев корпусов компонентов не должен превышать 90 °C. Для диодов это обычно соответствует температуре кристалла Tj от 100 °C до 110 °C. Это очень хорошее правило. Мы также включили в таблицу значения AF для 149 °C и 151 °C, чтобы подчеркнуть, что для диодов с максимальной температурой кристалла Tj 150 °C разница в частоте отказов между 149 °C и 151 C не так велика. Однако и в том, и в другом случае уровень отказов оказывается очень высоким.

Другие параметры

Для многих стандартных диодов в документации указывают предельные значения токов утечки (Ir): 1 мкА или 5 мкА. Такие значения были вполне адекватными 30…50 лет назад, однако за эти годы было сделано много технологических улучшений. Сегодня кривая распределения токов утечки ограничивается сотнями нА, в зависимости от размера кристалла. Таким образом, указанные предельные значения 5 мкА или даже 1 мкА не имеют смысла.

В документации обычно указываются значения Cpk (индекса возможностей процесса) от 20 и более. Значение Cpk не характеризует уровень погрешности ppm, но указывает на ошибку указанных значений. На самом деле диоды, для которых ток утечки располагается между нормальным распределением и предельными значениями (от 1 до 5 мкА), являются наиболее вероятными причинами сбоев в работе. Они имеют механические повреждения, проблемы с пассивацией или другие дефекты. Вместо того чтобы полагаться на значения, приведенные в документации, разработчик, стремящийся приблизить количество отказов к нулю, должен спросить у производителя, выполняет ли он PAT-тестирование (part average tested) для своих компонентов (рис. 2).

Рис. 2. PAT-тестирование предназначено для обнаружения явных отклонений

PAT-тестирование оказывается гораздо полезнее, чем табличные предельные значения, и связывает спецификацию теста с нормальным распределением (методология 6 сигм). Это гарантирует, что компоненты с низкой надежностью будут обнаружены. Если диод должен иметь напряжение пробоя 1000 В, но не соответствует этой спецификации, то его либо отбраковывают, либо понижают рейтинг напряжения и продают как 100 В диод. Но первоначальный провал теста показывает, что у компонента есть дефект, и его надежность будет ниже.

Заключение

Диоды производятся миллиардами штук ежегодно. Во время работы им приходится сталкиваться с различными негативными факторами, например бросками напряжения или перегревом. Обычно при исследовании температурного профиля печатной платы оказывается, что именно диоды являются самыми горячими компонентами. В результате риск отказа диодов может быть выше, чем для других компонентов.

Однако, следуя основным правилам и имея представление о процессе производства и программе испытаний, можно минимизировать риск отказа диода при работе в составе реальных устройств.

Источник: http://www.how2power.com

Автор: Йос Ван Лу, Кевин Парментер Перевод: Вячеслав Гавриков (г. Смоленск)

Разделы: Диоды выпрямительные

Опубликовано: 19.12.2019

Диод Д10 — DataSheet

Перейти к содержимому

Корпус диода Д10

Описание

Диоды германиевые, точечные универсальные. Предназначены для преобразования, ограничения и детектирования переменного напряжения частотой до 150 МГц. Выпускаются в стеклянном корпусе с гибкими выводами. Маркируются двумя точками со стороны положительного вывода: Д10 —черной и красной; Д10А —черной и оранжевой; Д10Б —черной и желтой. Масса диода не более 0,3 г.

**Параметры диода Д10**
Параметр	Обозначение	Маркировка	Значение	Ед. изм.
Аналоги		Д10	АА112, SED107
		Д10А	АА130
		Д10Б	1N616
Максимальное постоянное обратное напряжение.	U_{o6p max}, U_{o6p и max}	Д10	10	В
		Д10А	10
		Д10Б	10
Максимальный постоянный прямой ток.	I_{пp max}, I_{пp ср max}, I*_{пp и max}	Д10	16	мА
		Д10А	16
		Д10Б	16
Максимальная рабочая частота диода	f_{д max}	Д10	100	кГц
		Д10А	100
		Д10Б	100
Постоянное прямое напряжение	U_прне более (при I_пр, мА)	Д10	1.5 (3)	В
		Д10А	1.5 (5)
		Д10Б	1.5 (8)
Постоянный обратный ток	I_обрне более (при U_обр, В)	Д10	100 (10)	мкА
		Д10А	200 (30)
		Д10Б	200 (30)
Время обратного восстановления — время переключения диода с заданного прямого тока на заданное обратное напряжение от момента прохождения тока через нулевое значение до момента достижения обратным током заданного значения	t_{вос, обр}	Д10	—	мкс
		Д10А	—
		Д10Б	—
Общая емкость	С_д(при U_обр, В)	Д10	—	пФ
		Д10А	—
		Д10Б	—

Описание значений со звездочками(*) смотрите в буквенных обозначениях параметров диодов.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

ВАХ диода и резистора

Что такое омический?

ВАХ диода и резистора

Цель: Целью этого эксперимента является сравнение I-V характеристики диода с характеристиками резистора. Измеряя напряжение падение на диоде или резисторе при изменении тока, студент будет выявить взаимосвязь между текущим и Напряжение.

Время: 40-50 минут

Обзор научных принципов:

Требования: Чтобы ток протекал через материал, три требования должны быть выполнены.

1) Должно существовать электрическое поле; 2) должны присутствовать носители заряда в материал; 3) носители заряда должны быть подвижными. Установить электрический поле, на цепь подается напряжение. Носителями заряда являются валентность электроны в проводнике или электроны в зоне проводимости и дыры в валентной зоне полупроводника или изолятора. Мобильность зависит на кристаллическую структуру и температуру.

Проводник: Для проводника, такого как металл, валентность электроны занимают частично заполненные энергетические уровни образуют валентную зону. Кристалл структура металл позволяет валентным электронам в валентной зоне двигаться свободно через кристалл. Однако при повышении температуры атомы вибрировать с большую амплитуду и двигаться достаточно далеко от своего равновесия позиции к мешать движению электронов. Только около абсолютного нуля это подвижность на максимальном уровне.

Полупроводник: для полупроводника или изолятора валентность электроны занимают заполненную валентную зону. Электроны должны уйти из валентной группа к зона проводимости (оставляя дырки, вакансии, в валентной зоне). Оба электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне находятся считаются носителями заряда. Число этих носителей заряда равно зависимый по температуре и материалу. По мере повышения температуры, более у электронов есть энергия, необходимая для «прыжка» в зону проводимости. (Важный: Электроны не перемещаются из места в кристалле, называемого валентная полоса, в другое место, называемое зоной проводимости. Электроны имеют энергия связаны с валентной зоной, и приобретают достаточную энергию, чтобы иметь энергия связан с зоной проводимости. Происходит изменение энергии, а не позиция изменить.)

Легирование: легирование полупроводникового материала путем добавления атомов. с еще одним или на один валентный электрон меньше, чем у основного материала, является одним из методов из увеличение количества носителей заряда (например, добавление Ga с три валентности электронов, или As, с пятью валентными электронами, в Ge или Si, которые имеет четыре валентные электроны). Добавление элемента группы V, такого как As, образует n-тип материал, дающий новые «донорские» энергетические уровни. Добавление Группа III элемент, такой как Ga, образует материал p-типа, который обеспечивает новые «акцептор» энергетические уровни. Энергия, необходимая для перемещения электрона из валентная зона на акцепторный уровень, как в случае с Ga (образуя дырку), или с уровень доноров зона проводимости, как и в случае As (с проводящим электроном), равна меньше, чем энергия, необходимая для первоначального «прыжка» из валентности группа к зона проводимости чистого полупроводникового материала. Таким образом, для легированный полупроводниковый материал по сравнению с чистым полупроводниковым материалом (в при той же температуре), легированный полупроводник будет иметь больше электроны в зона проводимости (n-типа) или несколько дырок в валентной зоне (р-тип). Для и материал n-типа, переносчиком электричества является отрицательный электрон. Для материал p-типа, носитель представляет собой положительное отверстие. Как повышается температура, атомы колеблются с большей амплитудой. Тем не менее, увеличение в количестве носители заряда больше влияют на увеличение проводимость чем восстановление, вызванное вибрирующими атомами.

Резистор: Когда на резистор подается напряжение, электрическое поле Установлено. Это электрическое поле «толкает» носители заряда сквозь резистор. Этот «толчок» дает носителям заряда «дрейф». скорость» в направление от высокой потенциальной энергии к низкой потенциальной энергии. В качестве напряжение увеличивается, скорость дрейфа увеличивается. Поскольку количество текущий течет через резистор прямо пропорциональна скорости дрейфа, ток прямо пропорционален напряжению , которое производит в электрическое поле, создающее дрейфовую скорость. Это происхождение Ома Закон.

Диод: Однако в диоде количество носителей заряда равно зависит от количество электронов, обладающих достаточной энергией, чтобы двигаться вверх энергетический холм и через p-n переход, создавая ток через диод. Размер этот холм, или энергетический барьер, зависит от количества и типа примесей в полупроводниковый материал, из которого изготовлен диод. Как напряжение применены (при прямом смещении) размер холма уменьшается, поэтому больше электроны иметь энергию, необходимую для пересечения p-n перехода с образованием тока поток. количество электронов с энергией, необходимой для движения в гору и через переход экспоненциально увеличивается с ростом напряжения. Таким образом, электрический ток увеличивается экспоненциально с ростом напряжения.

Приложения:

Поведение компонентов в цепи является очень важным аспектом. цепи дизайн. Диоды используются во многих полупроводниковых схемах. Их нелинейный IV поведение делает их весьма полезными для различных приложений. Резисторы часто используется последовательно с другим компонентом схемы, чтобы уменьшить Напряжение через этот компонент или параллельно, чтобы уменьшить ток через компонент.

Материалы и расходные материалы:

Источник питания постоянного тока

Германиевый или стабилитрон

Резисторы 2-1 кОм

6 подводящих проводов (в том числе на блоке питания)

Миллиамперметр или гальванометр

Вольтметр

Общие правила техники безопасности:

* Всегда сбрасывайте шкалу питания на ноль, прежде чем строить или изменение схема.

* Держите руки и рабочую зону сухими, чтобы избежать удара током.

* Следуйте безопасным и правильным процедурам управления питанием. поставлять.

Экспериментальные установки:

Процедура:
Настройка цепи:
1. Соберите схему, как показано на рисунке 1. Не включайте питание. поставлять.
2. Убедитесь, что подводящие провода источника питания подключен к ДК
терминалы.
3. Поверните шкалу напряжения и тока (если применимо) на ноль. Поверните текущий набрать один
четверть оборота по часовой стрелке.
4. Теперь включите блок питания.
5. Медленно вращайте диск напряжения по часовой стрелке и следите за миллиамперметр и циферблаты вольтметра.
Если стрелка движется вправо, счетчики установлены правильно. связано. Если игла движется
влево, поменяйте местами провода на этом измерителе.
Резистор (вперед):
6. Медленно вращайте диск напряжения по часовой стрелке, пока миллиамперметр не игла показывает полный
отклонение. Запишите это показание миллиметра и вольтметра как максимальное, I _макс. и V _макс.
7. Разделите значение I _max на 5. Это приращение I, на которое вы увеличите ток. (Вы соберете 5 наборов данных.)
8. Поверните диск напряжения на ноль.
9. Медленно вращайте шкалу напряжения по часовой стрелке, пока миллиамперметр не покажет И.
10. Запишите значения I и V в таблицу данных резисторов.
11. Увеличивайте напряжение до тех пор, пока миллиамперметр не покажет 2И.
12. Запишите значения I и V в таблицу данных в строках 1-5.
13. Продолжайте увеличивать напряжение и записывать I и V, пока не достичь я _макс .
14. Поверните диск напряжения на ноль.
Резистор (обратный):
15. Переверните резистор, чтобы ток протекал через него в противоположный направление.
16. Повторите шаги 10-16, записав значения I и V как отрицательные числа в резистор
таблица данных в строках 6-10.
Диод (вперед):
17. Удалите резистор из цепи и замените его диод как показано на рис. 2.
18. Убедитесь, что положительный конец диода подключен к положительный вывод
источник питания.
19. Повторите шаги 6-14, но на этот раз разделите I _max на 10, и запишите данные в
таблица данных диодов.
Диод (обратный):
20. Переверните диод и повторите шаги 9-14, используя те же значения. из [[Delta]]I как в шаге 19. Запишите эти значения I и V как отрицательные числа.
21. Выключите питание.
22. Отсоедините подводящие провода и замените оборудование на их место. соответствующий места.
Данные и анализ:
Таблица данных резисторов
V (volts) I ( mA ) V/I

Разделите значение V (вольты) на значение I (амперы), чтобы найти значения V/I (), и заполните таблицу данных.
Таблица данных диода
В (вольт) I (10 ^-6 A ) V/I

Разделите V (вольт) на I (ампер), чтобы найти V/I (), и заполните таблицу данных.
Вопросы:
1. Постройте график зависимости напряжения (горизонтальная ось) от тока (вертикальная ось). оси) от резистор и
таблица данных диодов на миллиметровой бумаге.
2. Какова форма графика данных для резистора?
3. Какова форма графика данных для диода?
4. Если форма линейная, определите наклон и уравнение линия.
5. Сравните наклон со значениями V/I.
6. Согласно закону Ома, V/I представляет собой измеримое количество?
7. Какую измеряемую величину представляет наклон линии I/V?
8. Как изменились значения V/I для нелинейного графика? как значения В
вырос?
9. Какое устройство проводит электричество в обоих направлениях?
10. Какое устройство проводит электричество только в одном направлении?
11. Назовите 2 типа носителей заряда.
12. Что в металле проводит электричество (переносит заряд)?
13. Что в полупроводнике несет заряд?
14. Как влияет на заряд резистора повышенное напряжение перевозчики?
15. Что меняется в диоде, чтобы позволить большему току течь по мере увеличения? напряжение вырос?
Добавочный номер:
Постройте V (вольт) по оси x и ln I (натуральный логарифм значений я в амперах, не миллиампер) по оси Y, для данных диодной секции для эксперимент (в прямом смещении). Уравнение для этой зависимости это:
I = I _o (exp ^эВ/кт -1)
где значения переменных и констант:
e = 1 электрон-вольт/вольт
В = вольт
k = 8,62 х 10 ^-5 электрон-вольт / К
T = температура в K
I _или = текущее значение при V = 0
I = ампер
Решите это уравнение, взяв натуральный логарифм обеих сторон.
ln I = ln I _o + ln ( exp ^эВ/кТл -1)
подстановка значений e, k и T в уравнение докажет что значение эВ/кТ будет около 100В. Следовательно, exp ^эВ/кТл будет exp ^100V, что намного больше 1, так что мы можем игнорируйте 1. Теперь уравнение:
ln I = ln I _o +эВ/кТл
Наклон графика (линия) равен e/kT. По графику найдите склон. Установлен значение наклона равно e/kT. Наклон = e/kT, используя значения k и e, найдите значение T. Сравните это значение T с температура в К.
Заметки учителя:
*Время подготовки учителя составляет примерно 30 минут.
*Этот эксперимент предназначен для использования в электрическом единица физики класс со студентами
которые уже научились настраивать схемы и использовать тестовые метры.
*Для шагов процедуры:
1. Учитель должен продемонстрировать надлежащую процедуру подключение амперметр и
вольтметр в цепи.
2. Учитель должен продемонстрировать надлежащую процедуру действующая сила поставлять.
3. Если на блоке питания есть шкала тока, учащийся может иметь установите этот диск на
позвольте достаточному току течь через цепь, так как напряжение вырос.
4. Если используются цифровые мультиметры, используйте напряжения от 0 до 2 В, как показано на рисунке. в образец.
Ответы на вопросы:
1. Используйте отдельные миллиметровки, потому что масштаб каждой из них будет разным. другой.
2. Это должна быть прямая линия. Убедитесь, что ученики нарисовали лучшая линия через данные
точки; они не должны «соединять точки».
3. Это должно быть экспоненциальным. Предложите учащимся использовать линейку (прямой край) к приблизительно
наклон графика по мере увеличения V, рисуя касательную линия в различные точки на
изгиб.
4. Предложите учащимся нарисовать большой прямоугольный треугольник, [[Дельта]]Я и [[Delta]]V, стороны
треугольник. Единицы должны быть частью описания склон. Единицы могут помочь
учащиеся связывают наклон с измеримой величиной, которую он представляет собой.
5. Поскольку наклон равен I/V, его значение должно быть обратный V/I.
6. Сопротивление.
7. Проводимость обратно пропорциональна сопротивлению.
8. Значения V/I уменьшались по мере увеличения V.
9. Резистор
10. Диод
11. Электроны и дырки.
12. Электроны в валентной зоне.
13. Электроны, перескочившие в зону проводимости и соответствующий отверстия в
валентная полоса.
14. Повышенное напряжение вызывает более сильное электрическое поле, которое толкает электроны тверже в
направление, противоположное полю, что увеличивает скорость дрейфа; так больше тока
течет.
15. При увеличении напряжения размер холма (энергетического зазора) увеличивается. уменьшилось, так больше
электроны (при этой температуре) могут двигаться в гору и через р-н узел.
Данные и анализ:
Таблица данных образца резистора
(forward same as reverse)
V (volts) I ( mA ) V/I
0. 21 0.21 1000
0.41 0.41 1000
0,61 0,61 1000
0.81 0.81 1000
1.09 1.09 1000
1.20 1.20 1000
Sample Diode Data Table
V (volts) I (10 ^-6 A ) V/I
.14 50 2800
.18 100 1800
. 20 150 1300
.22 200 1000
.24 250 960
.26 300 870
.27 350 770
.28 400 700
.29 450 760
.14 0
.18 0
.20 0
. 22 0
.24 0
.26 0
.27 0
.28 0
.29 0
*Нет тока в обратном смещении
Следующая лаборатория
Полупроводниковое содержимое
Главная страница MAST
Диод с p-n переходом
– определение, конструкция, характеристики, применение
Электропроводность полупроводникового материала находится между электропроводностью проводника, такого как металлическая медь, и электропроводностью изолятора, такого как стекло. Его удельное сопротивление уменьшается с повышением температуры, в то время как металлы имеют обратный эффект. Добавляя примеси (легирование) в структуру кристалла, его проводящие характеристики могут быть изменены выгодным образом. Полупроводниковый переход образуется, когда в одном и том же кристалле возникают две различные легированные области. Диоды, транзисторы и большая часть современной электроники построены на поведении носителей заряда, таких как электроны, ионы и электронные дырки, в этих соединениях.
Кремний, германий, арсенид галлия и элементы так называемой металлоидной лестницы периодической таблицы являются примерами полупроводников. Арсенид галлия является вторым по распространенности полупроводником после кремния и используется в лазерных диодах, солнечных элементах, интегральных схемах микроволнового диапазона и других устройствах. Кремний является важнейшим компонентом в производстве большинства электрических цепей.
p-n переход
Внутри полупроводника p-n переход представляет собой интерфейс или границу между двумя типами полупроводниковых материалов, а именно p-типа и n-типа.
Сторона p или положительная сторона полупроводника имеет избыток дырок, тогда как сторона n или отрицательная сторона имеет избыток электронов. Процесс легирования используется для создания p-n перехода в полупроводнике.
Формирование P-N-перехода
Когда мы используем различные полупроводниковые материалы для формирования p-n-перехода, будет граница зерен, которая будет препятствовать движению электронов с одной стороны на другую за счет рассеяния электронов и дырок, поэтому мы используем процедура допинга.
Например, Рассмотрим очень тонкий лист кремниевого полупроводника р-типа. Часть Si p-типа будет заменена кремнием n-типа, если добавить небольшое количество пятивалентной примеси. Этот лист теперь будет иметь области как p-типа, так и n-типа, а также соединение между ними. Диффузия и дрейф — это два вида процессов, происходящих после образования p-n перехода. Как мы все знаем, концентрация дырок и электронов на двух сторонах перехода различается: дырки с p-стороны диффундируют на n-сторону, а электроны с n-стороны диффундируют на p-сторону. Это вызывает диффузионный ток, протекающий через соединение.
Когда электрон диффундирует с n-стороны на p-сторону, он оставляет ионизированный донор на n-стороне, которая остается неподвижной. На n-стороне перехода по мере развития процесса образуется слой положительного заряда. Когда дырка перемещается с p-стороны на n-сторону, ионизированный акцептор остается на p-стороне, вызывая образование слоя отрицательных зарядов на p-стороне перехода. Зона истощения определяется как область положительного и отрицательного заряда на каждой стороне соединения. Направление электрического поля от положительного заряда к отрицательному заряду создается благодаря этой области положительного пространственного заряда на каждой стороне перехода. Электрон на p-стороне перехода перемещается на n-сторону перехода под действием электрического поля. Дрейф — это название, данное этому движению. Мы можем заметить, что дрейфовый ток течет в направлении, противоположном диффузионному току.
Условия смещения для диода с p-n переходом
В диоде с p-n переходом есть две рабочие области:
p-тип
n-тип
Прикладываемое напряжение определяет одно из трех условий смещения для диода с p-n переходом :
На диод с p-n переходом не подается внешнее напряжение, пока он находится в нулевом смещении .
Прямое смещение: P-тип подключается к положительной клемме потенциала напряжения, а n-тип подключается к отрицательной клемме.
Обратное смещение: P-тип подключается к отрицательной клемме потенциала напряжения, а n-тип подключается к положительной клемме.
Прямое смещение
Говорят, что p-n переход смещен в прямом направлении, когда p-тип подключен к положительному выводу батареи, а n-тип — к отрицательному. Встроенное электрическое поле в p-n-переходе и приложенное электрическое поле имеют противоположные направления, когда p-n-переход смещен в прямом направлении.
Результирующее электрическое поле меньше, чем встроенное электрическое поле, когда оба электрических поля суммируются. В результате зона истощения становится менее стойкой и тоньше. При высоком приложенном напряжении сопротивление зоны обеднения становится незначительным. При 0,6 В сопротивление области обеднения в кремнии становится совершенно незначительным, позволяя току свободно течь по ней.
Обратное смещение
Говорят, что p-n переход имеет обратное смещение, когда p-тип соединен с отрицательной клеммой батареи, а n-тип подключен к положительной стороне. Приложенное электрическое поле и встроенное электрическое поле в этой ситуации имеют одинаковое направление.
Результирующее электрическое поле имеет то же направление, что и встроенное электрическое поле, что приводит к более резистивной и толстой зоне истощения. Если приложенное напряжение увеличивается, область истощения становится более устойчивой и толще.
Формула p-n перехода
Формула p-n перехода, основанная на встроенной разности потенциалов, создаваемой электрическим полем, выглядит следующим образом:0096 [ N _D – N _A / n _i ² ]
где,
Напряжение перехода при нулевом смещении равно
19020 E
При комнатной температуре В _T _{тепловое напряжение 26 мВ.}
Концентрации примесей обозначаются буквами N _D и N _A .
Собственная концентрация обозначается n _i
Протекание тока в диоде p-n перехода
При увеличении напряжения электроны перемещаются с n-стороны на p-сторону перехода. Миграция дырок с p-стороны на n-сторону перехода происходит аналогичным образом при повышении напряжения. В результате между терминалами с обеих сторон существует градиент концентрации.
Произойдет перемещение носителей заряда из областей с более высокой концентрацией в области с более низкой концентрацией в результате развития градиента концентрации. Протекание тока в цепи обусловлено движением носителей заряда внутри p-n перехода.
ВАХ диода с p-n переходом
Кривая между напряжением и током в цепи определяет ВАХ диода с p-n переходом. Ось x представляет напряжение, а ось y представляет ток. Кривая ВАХ диода с p-n переходом показана на графике выше. С помощью кривой мы видим, что диод работает в трех разных областях, а именно:
Смещение нуля
Смещение вперед
Обратное смещение
На диод с p-n переходом не подается внешнее напряжение, пока он находится при нулевом смещении, что означает, что потенциальный барьер на переходе препятствует прохождению тока.
Когда диод p-n перехода находится в прямом смещении, p-тип подключается к положительной клемме внешнего напряжения, а n-тип подключается к отрицательной клемме. Потенциальный барьер уменьшается при таком размещении диода. При напряжении 0,7 В для кремниевых диодов и 0,3 В для германиевых диоды потенциальные барьеры падают и протекает ток.
Ток медленно растет, пока диод находится под прямым смещением, и образующаяся кривая становится нелинейной по мере того, как напряжение, подаваемое на диод, преодолевает потенциальный барьер. Как только диод пересекает потенциальный барьер, он работает нормально, и кривая быстро растет по мере увеличения внешнего напряжения, образуя линейную кривую.
Когда диод PN-перехода находится под отрицательным смещением, p-тип подключается к отрицательной клемме внешнего напряжения, а n-тип подключается к положительной клемме. В результате потенциальный барьер становится выше. Поскольку в переходе присутствуют неосновные носители, сначала возникает обратный ток насыщения.
При повышении приложенного напряжения увеличивается кинетическая энергия второстепенных зарядов, что влияет на основные заряды. Это точка, в которой диод выходит из строя. В результате диод может выйти из строя.
Применение диода с PN-переходом
Когда диод с p-n-переходом имеет обратное смещение, диод можно использовать в качестве фотодиода, поскольку он чувствителен к свету.
Его можно использовать в качестве солнечной батареи.
Диод можно использовать в светодиодном освещении, если он смещен в прямом направлении.
Во многих электрических схемах он используется в качестве выпрямителя, а в варакторах — в качестве генератора, управляемого напряжением.
Пример вопроса
Вопрос 1: Что такое обратное сопротивление?
Ответ:
Сопротивление, создаваемое диодом с p-n переходом при обратном смещении, называется обратным сопротивлением.
Вопрос 2: Что такое динамическое сопротивление диода?
Ответ:
Отношение изменения напряжения к изменению тока называется динамическим сопротивлением диода.
Вопрос 3: Что такое статическое сопротивление диода?
Ответ:
Отношение постоянного напряжения, подаваемого на диод, к постоянному току, протекающему через него, называется статическим сопротивлением диода.
Вопрос 4: Что такое обратное смещение?
Ответ:
Когда p-тип подключен к отрицательной клемме батареи, а n-тип подключен к положительной стороне, говорят, что p-n переход смещен в обратном направлении. В этом случае приложенное электрическое поле и встроенное электрическое поле указывают в одном направлении. Поскольку генерируемое электрическое поле имеет то же направление, что и встроенное электрическое поле, зона истощения становится более резистивной и толстой. Область истощения становится более резистивной и толстой по мере увеличения приложенного напряжения.
Вопрос 5: Что такое прямое смещение?
Ответ:
Когда p-тип подключен к положительной клемме батареи, а n-тип к отрицательной клемме, говорят, что p-n переход смещен в прямом направлении. Когда p-n переход смещен в прямом направлении, встроенное электрическое поле и приложенное электрическое поле имеют противоположные направления. Когда оба электрических поля складываются вместе, результирующее электрическое поле меньше, чем встроенное электрическое поле. В результате зона истощения сужается и становится менее резистивной. Сопротивлением зоны обеднения становится пренебрежимо мало, когда приложенное напряжение велико.