Обратный ток это. Обратный ток диода: принцип работы, характеристики и применение — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Что такое обратный ток диода. Как он отличается от прямого тока. Каковы основные характеристики обратного тока. Где применяется обратный ток диодов в электронике. Какие бывают неисправности диодов, связанные с обратным током.

Содержание

Что такое обратный ток диода и чем он отличается от прямого

Обратный ток диода — это небольшой ток, протекающий через диод при подаче на него обратного напряжения. Он отличается от прямого тока следующими характеристиками:

Величина обратного тока намного меньше прямого (обычно микроамперы против миллиампер)
Обратный ток течет в направлении, противоположном основному току диода
Обратный ток увеличивается при повышении обратного напряжения и температуры
Обратный ток ограничен параметрами p-n перехода диода

Таким образом, обратный ток является важной характеристикой диода, определяющей его способность блокировать ток в обратном направлении.

Природа возникновения обратного тока в диоде

Обратный ток диода возникает из-за следующих физических процессов:

Тепловая генерация носителей заряда в области p-n перехода
Перенос неосновных носителей через p-n переход
Поверхностная утечка тока по границам кристалла
Туннелирование электронов через потенциальный барьер при высоких напряженностях поля

Основной вклад в обратный ток вносит тепловая генерация носителей. При повышении температуры она усиливается, что приводит к росту обратного тока.

Основные характеристики обратного тока диода

Ключевыми параметрами, характеризующими обратный ток диода, являются:

Величина обратного тока насыщения I_s (обычно единицы-десятки наноампер)
Температурный коэффициент обратного тока (удваивается при повышении температуры на 10°C)
Зависимость от обратного напряжения (слабая до напряжения пробоя)
Максимально допустимое обратное напряжение U_{обр max}

Знание этих характеристик позволяет правильно выбрать и применить диод в электронных схемах.

Влияние температуры на обратный ток диода

Температура оказывает значительное влияние на обратный ток диода:

При повышении температуры на каждые 10°C обратный ток примерно удваивается
У кремниевых диодов обратный ток растет быстрее с температурой, чем у германиевых
При высоких температурах (более 100°C) обратный ток может достигать десятков микроампер
Чрезмерный рост обратного тока при нагреве может привести к тепловому пробою диода

Поэтому при проектировании схем необходимо учитывать температурную зависимость обратного тока и обеспечивать достаточный теплоотвод от диодов.

Применение обратного тока диодов в электронике

Хотя обратный ток обычно рассматривается как паразитный параметр, он находит полезное применение в некоторых схемах:

В генераторах шума на основе обратносмещенных диодов
В температурных сенсорах, использующих температурную зависимость обратного тока
В схемах температурной компенсации для стабилизации рабочей точки транзисторов
В источниках опорного напряжения на стабилитронах
В параметрических стабилизаторах напряжения

Таким образом, понимание природы обратного тока позволяет использовать его в ряде специальных применений.

Влияние обратного тока на работу выпрямительных схем

В выпрямительных схемах обратный ток диодов может оказывать следующее влияние:

Снижает эффективность выпрямления, особенно при высоких температурах
Вызывает дополнительный нагрев диодов в закрытом состоянии
Увеличивает обратное напряжение на закрытых диодах в мостовых схемах
Может привести к пробою диодов при недостаточном запасе по обратному напряжению

Для минимизации влияния обратного тока в выпрямителях применяют диоды с малым обратным током и обеспечивают их эффективное охлаждение.

Методы измерения обратного тока диодов

Для измерения обратного тока диодов используются следующие методы:

Прямое измерение микроамперметром при заданном обратном напряжении
Измерение падения напряжения на известном сопротивлении в цепи диода
Использование специализированных тестеров полупроводниковых приборов
Применение измерительных мостовых схем

При измерениях важно учитывать температурную зависимость обратного тока и влияние освещенности на результаты. Для точных измерений применяют термостатирование и защиту от засветки.

Неисправности диодов, связанные с обратным током

Основные неисправности диодов, связанные с аномальным обратным током:

Пробой p-n перехода из-за превышения максимального обратного напряжения
Тепловой пробой при чрезмерном росте обратного тока с температурой
Поверхностный пробой по границам кристалла

Частичная деградация перехода, вызывающая повышенный обратный ток
Утечки по поверхности кристалла из-за загрязнений

Для диагностики этих неисправностей проводят измерение вольт-амперной характеристики диода в прямом и обратном направлении.

обратный ток — это… Что такое обратный ток?

ОБРАТНЫЙ ТОК — электр. ток, возвращающийся к своему источнику. Технический железнодорожный словарь. М.: Государственное транспортное железнодорожное издательство. Н. Н. Васильев, О. Н. Исаакян, Н. О. Рогинский, Я. Б. Смолянский, В. А. Сокович, Т. С. Хачатуров.… … Технический железнодорожный словарь

обратный ток — — [В.А.Семенов. Англо русский словарь по релейной защите] Тематики релейная защита EN back current … Справочник технического переводчика

обратный ток

— atgalinė srovė statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. back current; inverse current; reverse current vok. Gegenstrom, m; Rückstrom, m; Sperstrom, m rus. обратный ток, m pranc. contre courant, m; courant de retour, m; courant inverse, m … Automatikos terminų žodynas

обратный ток — atgalinė srovė statusas T sritis chemija apibrėžtis Srovė, atsirandanti esant atgalinei įtampai. atitikmenys: angl. back current; inverse current; reverse current rus. обратный ток … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

обратный ток — atgalinė srovė statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. back current; inverse current; reverse current vok. Gegenstrom, m; Rückstrom, m rus. обратный ток, m pranc. courant de retour, m; courant inverse, m … Fizikos terminų žodynas

обратный ток электрода электровакуумного прибора — обратный ток электрода Ток, протекающий от данного электрода, исключая катод, через междуэлектродное пространство электровакуумного прибора. [ГОСТ 13820 77] Тематики электровакуумные приборы Синонимы обратный ток электрода … Справочник технического переводчика

обратный ток коллектор-эмиттер — Ндп. начальный ток коллектора ток коллектора закрытого транзистора Ток в цепи коллектор эмиттер при заданном обратном напряжении коллектор эмиттер. Обозначение IКЭ Примечание При разомкнутом выводе базы IКЭО, ICEO; при коротко замкнутых выводах… … Справочник технического переводчика

обратный ток восстановления тиристора — Обратный ток тиристора, протекающий во время обратного восстановления. Обозначение Iвос,обр Irr [ГОСТ 20332 84] Тематики полупроводниковые приборы EN reverse recovery current FR courant de recouvrement inverse … Справочник технического переводчика

обратный ток базы — Ток в цепи вывода базы при заданных обратных напряжениях коллектор эмиттер и эмиттер база. Обозначение IБЕХ IBEX [ГОСТ 20003 74] Тематики полупроводниковые приборы EN base cut off current DE Basis Emitter Reststrom FR courant résiduel de la base … Справочник технического переводчика

обратный ток диода — Ток, протекающий через диод, обусловленный обратным напряжением. [ГОСТ 25529 82] Тематики полупроводниковые приборы … Справочник технического переводчика

обратный ток коллектора — Ток через коллекторный переход при заданном обратном напряжении коллектор база и разомкнутом выводе эмиттера. Обозначение IКБО ICBO [ГОСТ 20003 74] Тематики полупроводниковые приборы EN collector cut off current DE Kollektorreststrom (bei offenem … Справочник технического переводчика

Что такое обратный ток диода. Что такое обратное напряжение? Основные неисправности диодов

Published Date: 23.12.2017

А Вы знаете, что такое обратное напряжение?

Обратное напряжение

Обратное напряжение — это тип сигнала энергии, создаваемого при изменении полярности электрического тока. Такое напряжение часто возникает, когда обратная полярность подается на диод, заставляя диод реагировать, работая в обратном направлении. Эта обратная функция может также создавать напряжение пробоя внутри диода, так как это часто приводит к поломке схемы, к которой применяется напряжение.

Обратное напряжение возникает, когда источник подключения энергетического сигнала к цепи применяется инвертированным образом. Это означает, что положительный источник свинца подключен к заземленному или отрицательному проводнику цепи и наоборот. Эта передача напряжения часто не предназначена, так как большинство электрических схем не способны обрабатывать напряжения.

Когда минимальное напряжение подается на схему или на диод, это может привести к тому, что схема или диод будут работать в обратном порядке. Это может вызвать реакцию, такую как двигатель вентилятора коробки, вращаясь неправильно. Элемент будет продолжать функционировать в таких случаях.

Когда величина напряжения, приложенного к цепи, слишком велика, сигнал для принимаемой схемы, однако, это называется пробивным напряжением. Если входной сигнал, который был обратный, превышает допустимое напряжение для цепи для поддержания, схема может быть повреждена за пределами остальной используемой. Точка, в которой цепь повреждена, относится к значению напряжения пробоя. Это напряжение пробоя имеет пару других имен, пиковое обратное напряжение или обратное пробивное напряжение.

Обратное напряжение может вызвать напряжение пробоя, которое также влияет на работу других компонентов схемы. За пределами повреждающих диодов и функций цепи обратного напряжения он также может стать пиковым обратным напряжением. В таких случаях схема не может содержать количество входной мощности от сигнала, который был обращен вспять, и может создавать напряжение пробоя между изоляторами.

Это напряжение пробоя, которое может возникать через компоненты схемы, может вызвать пробой компонентов или проволочных изоляторов. Это может превратить их в сигнальные проводники и повредить цепь, проводя напряжение на разные части схемы, которые не должны принимать его, что приводит к нестабильности по всей цепи. Это может вызвать дуги напряжения от компонента к компоненту, что также может быть достаточно мощным, чтобы зажечь различные компоненты схемы и привести к пожару.

Навигация по записям

Полезно

Ремонт интерьер строительство

В течение жизненного цикла здания ремонтные работы в определенный период необходимы, чтобы обновить интерьер. Модернизация также необходима, когда дизайн интерьера или функциональность отстают от современности.

Многоэтажное строительство

В России насчитывается более 100 миллионов единиц жилья, а большинство из них — «односемейные дома» или коттеджи. В городах, в пригородах и в сельской местности, собственные дома являются очень распространенным видом жилья.
Практика проектирования, строительства и эксплуатации зданий чаще всего является коллективной работой различных групп профессионалов и профессий. В зависимости от размера, сложности и цели конкретного проекта здания команда проекта может включать:
1. Разработчик недвижимости, который обеспечивает финансирование проекта;
Один или несколько финансовых учреждений или других инвесторов, которые предоставляют финансирование;
2. Органы местного планирования и управления;
3. Служба, который выполняет ALTA / ACSM и строительные обследования в рамках всего проекта;
4. Руководители зданий, которые координируют усилия различных групп участников проекта;
5. Лицензированные архитекторы и инженеры, которые проектируют здания и готовят строительные документы;

Основные параметры диодов — это прямой ток диода (I пр) и максимальное обратное напряжение диода (U обр). Именно их надо знать, если стоит задача разработать новый выпрямитель для источника питания.

Прямой ток диода

Прямой ток диода можно легко вычислить, если известен общий ток , который будет потреблять нагрузка нового блока питания. Затем, для обеспечения надёжности, необходимо несколько увеличить это значение и получится ток, на который надо подобрать диод для выпрямителя. К примеру, блок питания должен выдерживать ток в 800 мА. Поэтому мы выбираем диод, у которого прямой ток диода равен 1А.

Обратное напряжение диода

Максимальное обратное напряжение диода — это параметр, который зависит не только от значения переменного напряжения на входе, но и от типа выпрямителя. Для объяснения этого утверждения, рассмотрим следующие рисунки. На них показаны все основные схемы выпрямителей.

Рис. 1

Рис. 2

На рисунке 2 изображён двухполупериодный выпрямитель с выводом средней точки. В нём также, как и в предыдущем, диоды надо подбирать с обратным напряжением в 3 раза превышающем действующее значение входного.

Диод является одной из разновидностей приборов, сконструированных на полупроводниковой основе. Обладает одним p-n переходом, а также анодным и катодным выводом. В большинстве случаев он предназначен для модуляции, выпрямления, преобразования и иных действий с поступающими электрическими сигналами.

Принцип работы:

Электрический ток воздействует на катод, подогреватель начинает накаливаться, а электрод испускать электроны.
Между двумя электродами происходит образование электрического поля.
Если анод обладает положительным потенциалом , то он начинает притягивать электроны к себе, а возникшее поле является катализатором данного процесса. При этом, происходит образование эмиссионного тока.
Между электродами происходит образование пространственного отрицательного заряда, способного помешать движению электронов. Это происходит, если потенциал анода оказывается слишком слабым. В таком случае, частям электронов не удается преодолеть воздействие отрицательного заряда, и они начинают двигаться в обратном направлении, снова возвращаясь к катоду.
Все электроны , которые достигли анода и не вернулись к катоду, определяют параметры катодного тока. Поэтому данный показатель напрямую зависит от положительного анодного потенциала.
Поток всех электронов , которые смогли попасть на анод, имеет название анодный ток, показатели которого в диоде всегда соответствуют параметрам катодного тока. Иногда оба показателя могут быть нулевыми, это происходит в ситуациях, когда анод обладает отрицательным зарядом. В таком случае, возникшее между электродами поле не ускоряет частицы, а, наоборот, тормозит их и возвращает на катод. Диод в таком случае остается в запертом состоянии, что приводит к размыканию цепи.

Устройство

Ниже приводится подробное описание устройства диода, изучение этих сведений необходимо для дальнейшего понимания принципов действия этих элементов:

Корпус представляет собой вакуумный баллон, который может быть изготовлен из стекла, металла или прочных керамических разновидностей материала.
Внутри баллона имеется 2 электрода. Первый является накаленным катодом, который предназначен для обеспечения процесса эмиссии электронов. Самый простейший по конструкции катод представляет собой нить с небольшим диаметром, которая накаливается в процессе функционирования, но на сегодняшний день более распространены электроды косвенного накала. Они представляют собой цилиндры, изготовленные из металла, и обладающие особым активным слоем, способным испускать электроны.
Внутри катода косвенного накала имеется специфический элемент – проволока, которая накаливается под воздействием электрического тока, она называется подогреватель.
Второй электрод является анодом, он необходим для приема электронов, которые были выпущены катодом. Для этого он должен обладать положительным относительно второго электрода потенциалом. В большинстве случаев анод также имеет цилиндрическую форму.
Оба электрода вакуумных приборов полностью идентичны эмиттеру и базе полупроводниковой разновидности элементов.
Для изготовления диодного кристалла чаще всего используется кремний или германий. Одна из его частей является электропроводимой по p-типу и имеет недостаток электронов, который образован искусственным методом. Противоположная сторона кристалла также имеет проводимость, но n-типа и обладает избытком электронов. Между двумя областями имеется граница, которая и называется p-n переходом.

Такие особенности внутреннего устройства наделяют диоды их главным свойством – возможностью проведения электрического тока только в одном направлении.

Назначение

Ниже приводятся основные области применения диодов, на примере которых становится понятно их основное назначение:

Диодные мосты представляют собой 4, 6 или 12 диодов, соединенных между собой, их количество зависит от типа схемы, которая может быть однофазной, трехфазной полумостовой или трехфазной полномостовой. Они выполняют функции выпрямителей, такой вариант чаще всего используется в автомобильных генераторах, поскольку внедрение подобных мостов, а также использование вместе с ними щеточно-коллекторных узлов, позволило в значительной степени сократить размеры данного устройства и увеличить степень его надежности. Если соединение выполнено последовательно и в одну сторону, то это повышает минимальные показатели напряжения, которое потребуется для отпирания всего диодного моста.
Диодные детекторы получаются при комбинированном использовании данных приборов с конденсаторами. Это необходимо для того, чтобы было можно выделить модуляцию с низкими частотами из различных модулированных сигналов, в том числе амплитудно-модулированной разновидности радиосигнала. Такие детекторы являются частью конструкции многих бытовых потребителей, например, телевизоров или радиоприемников.
Обеспечение защиты потребителей от неверной полярности при включении схемных входов от возникающих перегрузок или ключей от пробоя электродвижущей силой, возникающей при самоиндукции, которая происходит при отключении индуктивной нагрузки. Для обеспечения безопасности схем от возникающих перегрузок, применяется цепочка, состоящая из нескольких диодов, имеющих подключение к питающим шинам в обратном направлении. При этом, вход, которому обеспечивается защита, должен подключаться к середине этой цепочки. Во время обычного функционирования схемы, все диоды находятся в закрытом состоянии, но если ими было зафиксировано, что потенциал входа ушел за допустимые пределы напряжения, происходит активация одного из защитных элементов. Благодаря этому, данный допустимый потенциал получает ограничение в рамках допустимого питающего напряжения в сумме с прямым падением показателей напряжение на защитном приборе.
Переключатели , созданные на основе диодов, используются для осуществления коммутации сигналов с высокими частотами. Управление такой системой осуществляется при помощи постоянного электрического тока, разделения высоких частот и подачи управляющего сигнала, которое происходит благодаря индуктивности и конденсаторам.
Создание диодной искрозащиты . Используются шунт-диодные барьеры, которые обеспечивают безопасность путем ограничения напряжения в соответствующей электрической цепи. В совокупности с ними применяются токоограничительные резисторы, которые необходимы для ограничения показателей электрического тока, проходящего через сеть, и увеличения степени защиты.

Использование диодов в электронике на сегодняшний день весьма широко, поскольку фактически ни одна современная разновидность электронного оборудования не обходится без этих элементов.

Прямое включение диода

На p-n-переход диода может оказывать воздействие напряжение, подаваемое с внешних источников. Такие показатели, как величина и полярность, будут сказываться на его поведении и проводимом через него электрическом токе.

Ниже подробно рассмотрен вариант, при котором происходит подключение плюса к области p-типа, а отрицательного полюса к области n-типа. В этом случае произойдет прямое включение:

Под воздействием напряжения от внешнего источника, в p-n-переходе сформируется электрическое поле, при этом его направление будет противоположным относительно внутреннего диффузионного поля.
Напряжение поля значительно снизится, что вызовет резкое сужение запирающего слоя.
Под воздействием этих процессов значительное количество электронов обретет возможность свободно переходить из p-области в n-область, а также в обратном направлении.
Показатели тока дрейфа во время этого процесса остаются прежними, поскольку они напрямую зависят только от числа неосновных заряженных носителей, находящихся в области p-n-перехода.
Электроны обладают повышенным уровнем диффузии, что приводит к инжекции неосновных носителей. Иными словами, в n-области произойдет повышение количества дырок, а в p-области будет зафиксирована повышенная концентрация электронов.
Отсутствие равновесия и повышенное число неосновных носителей заставляет их уходить вглубь полупроводника и смешиваться с его структурой, что в итоге приводит к разрушению его свойств электронейтральности.
Полупроводник при этом способен восстановить свое нейтральное состояние, это происходит благодаря получению зарядов от подключенного внешнего источника, что способствует появлению прямого тока во внешней электрической цепи.

Обратное включение диода

Теперь будет рассмотрен другой способ включения, во время которого изменяется полярность внешнего источника, от которого происходит передача напряжения:

Главное отличие от прямого включения заключается в том , что создаваемое электрическое поле будет обладать направлением, полностью совпадающим с направлением внутреннего диффузионного поля. Соответственно, запирающий слой будет уже не сужаться, а, наоборот, расширяться.
Поле, находящееся в p-n-переходе , будет оказывать ускоряющий эффект на целый ряд неосновных носителей заряда, по этой причине, показатели дрейфового тока останутся без изменений. Он будет определять параметры результирующего тока, который проходит через p-n-переход.
По мере роста обратного напряжения , электрический ток, протекающий через переход, будет стремиться достичь максимальных показателей. Он имеет специальное название – ток насыщения.
В соответствии с экспоненциальным законом , с постепенным увеличением температуры будут увеличиваться и показатели тока насыщения.

Прямое и обратное напряжение

Напряжение, которое оказывает воздействие на диод, разделяют по двум критериям:

Прямое напряжение – это то, при котором происходит открытие диода и начинается прохождение через него прямого тока, при этом показатели сопротивления прибора являются крайне низкими.
Обратное напряжение – это то, которое обладает обратной полярностью и обеспечивает закрытие диода с прохождением через него обратного тока. Показатели сопротивления прибора при этом начинают резко и значительно расти.

Сопротивление p-n-перехода является постоянно меняющимся показателем, в первую очередь на него оказывает влияние прямое напряжение, подающееся непосредственно на диод. Если напряжение увеличивается, то показатели сопротивления перехода будут пропорционально уменьшаться.

Это приводит к росту параметров прямого тока, проходящего через диод. Когда данный прибор закрыт, то на него воздействует фактически все напряжение, по этой причине показатели проходящего через диод обратного тока являются незначительными, а сопротивление перехода при этом достигает пиковых параметров.

Работа диода и его вольт-амперная характеристика

Под вольт-амперной характеристикой данных приборов понимается кривая линия, которая показывает то, в какой зависимости находится электрический ток, протекающий через p-n-переход, от объемов и полярности напряжения, воздействующего на него.

Подобный график можно описать следующим образом:

Ось, расположенная по вертикали: верхняя область соответствует значениям прямого тока, нижняя область параметрам обратного тока.
Ось, расположенная по горизонтали: область, находящаяся справа, предназначена для значений прямого напряжения; область слева для параметров обратного напряжения.
Прямая ветвь вольт-амперной характеристики отражает пропускной электрический ток через диод. Она направлена вверх и проходит в непосредственной близости от вертикальной оси, поскольку отображает увеличение прямого электрического тока, которое происходит при увеличении соответствующего напряжения.
Вторая (обратная) ветвь соответствует и отображает состояние закрытого электрического тока, который также проходит через прибор. Положение у нее такое, что она проходит фактически параллельно относительно горизонтальной оси. Чем круче эта ветвь подходит к вертикали, тем выше выпрямительные возможности конкретного диода.
По графику можно наблюдать , что после роста прямого напряжения, протекающего через p-n-переход, происходит медленное увеличение показателей электрического тока. Однако постепенно, кривая достигает области, в которой заметен скачок, после которого происходит ускоренное нарастание его показателей. Это объясняется открытием диода и проведением тока при прямом напряжении. Для приборов, изготовленных из германия, это происходит при напряжении равном от 0,1В до 0,2В (максимальное значение 1В), а для кремниевых элементов требуется более высокий показатель от 0,5В до 0,6В (максимальное значение 1,5В).
Показанное увеличение показателей тока может привести к перегреву полупроводниковых молекул. Если отведение тепла, происходящее благодаря естественным процессам и работе радиаторов, будет меньше уровня его выделения, то структура молекул может быть разрушена, и этот процесс будет иметь уже необратимый характер. По этой причине, необходимо ограничивать параметры прямого тока, чтобы не допустить перегрева полупроводникового материала. Для этого, в схему добавляются специальные резисторы, имеющие последовательное подключение с диодами.
Исследуя обратную ветвь можно заметить, что если начинает увеличиваться обратное напряжение, которое приложено к p-n-переходу, то фактически незаметен рост параметров тока. Однако в случаях, когда напряжение достигает параметров, превосходящих допустимые нормы, может произойти внезапный скачок показателей обратного тока, что перегреет полупроводник и будет способствовать последующему пробою p-n-перехода.

Основные неисправности диодов

Иногда приборы подобного типа выходят из строя, это может происходить из-за естественной амортизации и старения данных элементов или по иным причинам.

Всего выделяют 3 основных типа распространенных неисправностей:

Пробой перехода приводит к тому, что диод вместо полупроводникового прибора становится по своей сути самым обычным проводником. В таком состоянии он лишается своих основных свойств и начинает пропускать электрический ток в абсолютно любом направлении. Подобная поломка легко выявляется при помощи стандартного , который начинает подавать звуковой сигнал и показывать низкий уровень сопротивления в диоде.
При обрыве происходит обратный процесс – прибор вообще перестает пропускать электрический ток в каком-либо направлении, то есть он становится по своей сути изолятором. Для точности определения обрыва, необходимо использовать тестеры с качественными и исправными щупами, в противном случае, они могут иногда ложно диагностировать данную неисправность. У сплавных полупроводниковых разновидностей такая поломка встречается крайне редко.
Утечка , во время которой нарушается герметичность корпуса прибора, вследствие чего он не может исправно функционировать.

Пробой p-n-перехода

Подобные пробои происходят в ситуациях, когда показатели обратного электрического тока начинают внезапно и резко расти, происходит это из-за того, что напряжение соответствующего типа достигает недопустимых высоких значений.

Обычно различается несколько видов:

Тепловые пробои , которые вызваны резким повышением температуры и последующим перегревом.
Электрические пробои , возникающие под воздействием тока на переход.

График вольт-амперной характеристики позволяет наглядно изучать эти процессы и разницу между ними.

Электрический пробой

Последствия, вызываемые электрическими пробоями, не носят необратимого характера, поскольку при них не происходит разрушение самого кристалла. Поэтому при постепенном понижении напряжения можно восстановить всей свойства и рабочие параметры диода.

При этом, пробои такого типа делятся на две разновидности:

Туннельные пробои происходят при прохождении высокого напряжения через узкие переходы, что дает возможность отдельно взятым электронам проскочить через него. Обычно они возникают, если в полупроводниковых молекулах имеется большое количество разных примесей. Во время такого пробоя, обратный ток начинает резко и стремительно расти, а соответствующее напряжение находится на низком уровне.
Лавинные разновидности пробоев возможны благодаря воздействию сильных полей, способных разогнать носителей заряда до предельного уровня из-за чего они вышибают из атомов ряд валентных электронов, которые после этого вылетают в проводимую область. Это явление носит лавинообразный характер, благодаря чему данный вид пробоев и получил такое название.

Тепловой пробой

Возникновение такого пробоя может произойти по двум основным причинам: недостаточный теплоотвод и перегрев p-n-перехода, который происходит из-за протекания через него электрического тока со слишком высокими показателями.

Повышение температурного режима в переходе и соседних областях вызывает следующие последствия:

Рост колебания атомов , входящих в состав кристалла.
Попадание электронов в проводимую зону.
Резкое повышение температуры.
Разрушение и деформация структуры кристалла.
Полный выход из строя и поломка всего радиокомпонента.

Published Date: 23.12.2017

А Вы знаете, что такое обратное напряжение?

Обратное напряжение

Навигация по записям

Полезно

Ремонт интерьер строительство

Многоэтажное строительство

Для выпрямления низкочастотных переменных токов, то есть для превращения переменного тока в постоянный или пульсирующий, служат , принцип действия которых основан на односторонней электронно-дырочной проводимости p-n-перехода. Диоды данного типа применяются в умножителях, выпрямителях, детекторах и т. д.

Производятся выпрямительные диоды с плоскостным либо с точечным переходом, причем площадь непосредственно перехода может составлять от десятых долей квадратного миллиметра до единиц квадратных сантиметров, в зависимости от номинального для данного диода выпрямленного за полупериод тока.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода имеет прямую и обратную ветви. Прямая ветвь ВАХ практически показывает связь тока через диод и прямого падения напряжения на нем, их взаимозависимость.

Обратная ветвь ВАХ отражает поведение диода при подаче на него напряжения обратной полярности, где ток через переход очень мал и практически не зависит от величины приложенного к диоду напряжения, пока не будет достигнут предел, при котором случится электрический пробой перехода и диод выйдет из строя.

Максимальное обратное напряжение диода — Vr

Первой и главной характеристикой выпрямительного диода является максимально допустимое обратное напряжение. Это то напряжение, приложив которое к диоду в обратном направлении, можно будет еще уверенно утверждать, что диод его выдержит, и что данный факт не скажется отрицательно на дальнейшей работоспособности диода. Но если данное напряжение превысить, то нет гарантии, что диод не будет пробит.

Данный параметр для разных диодов отличается, лежит он в диапазоне от десятков вольт до нескольких тысяч вольт. Например для популярного выпрямительного диода 1n4007 максимальное постоянное обратное напряжение равно 1000В, а для 1n4001 – составляет всего 50В.

Средний ток диода — If

Диод выпрямляет ток, поэтому следующей важнейшей характеристикой выпрямительного диода будет средний ток диода — средняя за период величина выпрямленного постоянного тока, текущего через p-n-переход. Для выпрямительных диодов данный параметр может составлять от сотен миллиампер до сотен ампер.

Например для выпрямительного диода 2Д204А максимальный прямой ток составляет всего 0,4А, а для 80EBU04 — целых 80А. Если средний ток окажется длительное время большим по величине, чем приведенное в документации значение, то нет гарантии что диод выживет.

Максимальный импульсный ток диода — Ifsm (единичный импульс) и Ifrm (повторяющиеся импульсы)

Максимальный импульсный ток диода — это пиковое значение тока, которое данный выпрямительный диод способен выдержать только определенное время, которое указывается в документации вместе с этим параметром. Например, диод 10А10 способен выдержать единичный импульс тока в 600А длительностью 8,3мс.

Что касается повторяющихся импульсов, то их ток должен быть таким, чтобы средний ток уложился бы в допустимый диапазон. Например, повторяющиеся прямоугольные импульсы с частотой 20кГц диод 80EBU04 выдержит даже если их максимальный ток составит 160А, однако средний ток должен оставаться не более 80А.

Средний обратный ток диода — Ir (ток утечки)

Средний обратный ток диода показывает средний за период ток через переход в обратном направлении. Обычно это значение меньше микроампера, максимум — единицы миллиампер. Для 1n4007, к примеру, средний обратный ток не превышает 5мкА при температуре перехода +25°С, и не превышает 50мкА при температуре перехода +100°С.

Среднее прямое напряжение диода — Vf (падение напряжения на переходе)

Среднее прямое напряжение диода при указанном значении среднего тока. Это то напряжение, которое оказывается приложено непосредственно к p-n-переходу диода при прохождении через него постоянного тока указанной в документации величины. Обычно не более долей, максимум — единиц вольт.

Например в документации для диода EM516 приводится прямое напряжение в 1,2В для тока в 10А, и 1,0В при токе 2А. Как видим, сопротивление диода нелинейно.

Дифференциальное сопротивление диода

Дифференциальное сопротивление диода выражает отношение приращения напряжения на p-n-переходе диода к вызвавшему это приращение небольшому приращению тока через переход. Обычно от долей Ома до десятков Ом. Его можно вычислить по графикам зависимости падения напряжения от прямого тока.

Например, для диода 80EBU04 приращение тока на 1А (от 1 до 2А) дает приращение падения напряжения на переходе в 0,08В. Следовательно дифференциальное сопротивление диода в этой области токов равно 0,08/1 = 0,08Ом.

Средняя рассеиваемая мощность диода Pd

Средняя рассеиваемая мощность диода — это средняя за период мощность, рассеиваемая корпусом диода, при протекании через него тока в прямом и обратном направлениях. Данная величина зависит от конструкции корпуса диода, и может варьироваться от сотен милливатт до десятков ватт.

Например, для диода КД203А средняя рассеиваемая корпусом мощность составляет 20 Вт, данный диод можно даже установить при необходимости на радиатор для отвода тепла.

P-N-переход

P-N-переход при обратном включении

При обратном включении к р-области подсоединен “-” источника, а к n-области – “+” источника. Направление поля, которое создается источником внешнего напряжения, совпадает с направлением поля p-n–перехода. Поля складываются и потенциальный барьер между p- и n- областями увеличивается. Диффузионный ток уменьшается и увеличивается дрейфовый ток. Полный ток p-n–перехода определяется только дрейфовым током, т.е. током неосновных носителей заряда. Этот ток называется обратным. Т.о. p-n–переход, включенный в прямом направлении пропускает электрический ток, а включенный в обратном направлении – не пропускает. P-N-переход при обратном напряжении Uобр аналогичен конденсатору со значительным током утечки в диэлектрике. Запирающий слой имеет высокое сопротивление и играет роль диэлектрика, а по обе его стороны расположены два разноименных объемных заряда +Qобр и –Qобр., созданные ионизированными атомами донорной и акцепторной примеси. Поэтому р-n-переход обладает емкостью, подобной конденсатору с двумя обкладками. Эту емкость называют барьерной емкостью. Барьерная емкость, как и емкость обычных конденсаторов, возрастает при увеличении площади р-n–перехода, диэлектрической проницаемости полупроводника и уменьшении толщины запирающего слоя. Особенность барьерной емкости состоит в том, что она нелинейная, т. е. изменяется при изменении напряжения на переходе. Если обратное напряжение возрастает, то толщина запирающего слоя увеличивается и емкость Сб, уменьшается. Характер этой зависимости показывает график на рисунке. Как видно, под влиянием напряжения Uобр емкость Сб изменяется в несколько раз. Зависимость полного тока p-n–перехода от приложенного внешнего напряжения называется статической вольт – амперной характеристикой перехода. При достижении обратным напряжением критического значения Uпр обратный ток резко возрастает. Этот режим называется пробоем p-n–перехода. С практической точки зрения можно выделить два вида пробоя: 1)электрический пробой – он не опасен для p-n–перехода: при отключении источника обратного напряжения вентильные свойства перехода полностью восстанавливаются; 2)тепловой пробой – он может привести к разрушению кристалла и является аварийным режимом. Электрический пробой вызван чрезмерным вырастанием напряженности электрического поля в переходе. Обратный ток вырастает, т.к. электрическое поле большой напряженности вырывает ее из ковалентных связей, и это приводит к увеличению концентрации носителей заряда в переходе. Тепловой пробой вызван нагревом перехода и сопровождается резким увеличением термогенерации носителей заряда в области перехода. Одним из важных параметров полупроводниковых приборов с электронно-дырочными переходами является допустимое обратное напряжение Uобр.max, при котором сохраняется свойство односторонней электропроводности.

Вольт фарадная характеристика

Вольт амперная характеристика P-N перехода

Конструкции и карактеристики диодов, особенности их применения

Диод — двухэлектродный электронный компонент, обладающий различной электрической проводимостью в зависимости от полярности приложенного к диоду напряжения. Диоды обладают нелинейной вольт-амперной характеристикой, но в отличие от ламп накаливания и терморезисторов, у диодов она несимметрична.

Вольтамперная характеристика диода

Вольтамперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода показана на рисунке 1.

Здесь в одном рисунке показаны ВАХ германиевого (синим цветом) и кремниевого (черным цветом) диодов. Нетрудно заметить, что характеристики очень похожи. На координатных осях нет никаких цифр, поскольку для разных типов диодов они могут существенно различаться: мощный диод может пропустить прямой ток в несколько десятков ампер, в то время как маломощный всего несколько десятков или сотен миллиампер.

Диодов разных моделей великое множество, и все они могут иметь разное назначение, хотя основной их задачей, основным свойством является обеспечение односторонней проводимости тока. Именно это свойство позволяет использовать диоды в выпрямителях и детекторных устройствах. Следует, однако, заметить, что в настоящее время германиевые диоды, равно как и транзисторы вышли из употребления.

Рисунок 1. Вольтамперная характеристика диода

Прямая ветвь ВАХ

В первом квадранте системы координат расположена прямая ветвь характеристики, когда диод находится в прямом включении, — к аноду подключен положительный вывод источника тока, соответственно отрицательный вывод к катоду.

По мере увеличения прямого напряжения Uпр, начинает возрастать и прямой ток Iпр. Но пока это возрастание незначительно, линия графика имеет незначительный подъем, напряжение растет значительно быстрее, чем ток. Другими словами, несмотря на то, что диод включен в прямом направлении, ток через него не идет, диод практически заперт.

При достижении определенного уровня напряжения на характеристике появляется излом: напряжение практически не меняется, а ток стремительно растет. Это напряжение называется прямым падением напряжения на диоде, на характеристике обозначено как Uд. Для большинства современных диодов это напряжение находится в пределах 0,5…1В.

На рисунке видно, что для германиевого диода прямое напряжение несколько меньше (0,3…0,4В), чем для кремниевого (0,7…1,1В). Если прямой ток через диод умножить на прямое напряжение, то полученный результат будет не что иное, как мощность, рассеиваемая на диоде Pд = Uд * I.

Если эта мощность будет превышена относительно допустимой, то может произойти перегрев и разрушение p-n перехода. Именно поэтому в справочниках ограничивается максимальный прямой ток, а не мощность (считается, что прямое напряжение известно). Для отведения излишнего тепла мощные диоды устанавливаются на теплоотводы — радиаторы.

Мощность, рассеиваемая на диоде

Сказанное поясняет рисунок 2, на котором показано включение нагрузки, в данном случае лампочки, через диод.

Рисунок 2. Включение нагрузки через диод

Представьте себе, что номинальное напряжение батарейки и лампочки 4,5В. При таком включении на диоде упадет 1В, тогда до лампочки дойдет лишь 3,5В. Конечно, такую схему никто практически собирать не будет, это просто для иллюстрации, как и на что влияет прямое напряжение на диоде.

Предположим, что лампочка ограничила ток в цепи на уровне ровно в 1А. Это для простоты расчета. Также не будем принимать во внимание то, что лампочка является элементом нелинейным, и закону Ома не подчиняется (сопротивление спирали зависит от температуры).

Нетрудно подсчитать, что при таких напряжениях и токах на диоде рассеивается мощность P = Uд * I или 1В * 1А = 1Вт. В то же время мощность на нагрузке всего 3,5В * 1А = 3,5Вт. Получается, что бесполезно расходуется 28 с лишним процентов энергии, больше, чем четвертая часть.

Если прямой ток через диод будет 10…20А, то бесполезно будет расходоваться до 20Вт мощности! Такую мощность имеет маленький паяльник. В описанном случае таким паяльником будет диод.

Диоды Шоттки

Совершенно очевидно, что избавиться от таких потерь можно, если снизить прямое падение напряжения на диоде Uд. Такие диоды получили название диодов Шоттки по имени изобретателя немецкого физика Вальтера Шоттки. Вместо p-n перехода в них используется переход металл – полупроводник. Эти диоды имеют прямое падение напряжения 0,2…0,4В, что значительно снижает мощность, выделяющуюся на диоде.

Единственным, пожалуй, недостатком диодов Шоттки является низкое обратное напряжение, — всего несколько десятков вольт. Максимальное значение обратного напряжения 250В имеет промышленный образец MBR40250 и его аналоги. Практически все блоки питания современной электронной аппаратуры имеют выпрямители на диодах Шоттки.

Обратная ветвь ВАХ

Одним из недостатков следует считать то, что даже при включении диода в обратном направлении через него все равно протекает обратный ток, ведь идеальных изоляторов в природе не бывает. В зависимости от модели диода он может варьироваться от наноампер до единиц микроампер.

Вместе с обратным током на диоде выделяется некоторая мощность, численно равная произведению обратного тока на обратное напряжение. Если эта мощность будет превышена, то возможен пробой p-n перехода, диод превращается в обычный резистор или даже проводник. На обратной ветви ВАХ этой точке соответствует загиб характеристики вниз.

Обычно в справочниках указывается не мощность, а некоторое предельно допустимое обратное напряжение. Примерно так же, как ограничение прямого тока, о котором было сказано чуть выше.

Собственно зачастую именно эти два параметра, а именно прямой ток и обратное напряжение и являются определяющими факторами при выборе конкретного диода. Это на тот случай, когда диод предназначается для работы на низкой частоте, например выпрямитель напряжения с частотой промышленной сети 50…60Гц.

Электрическая емкость p-n перехода

При использовании диодов в высокочастотных цепях приходится помнить о том, что p-n переход, подобно конденсатору имеет электрическую емкость, к тому же зависящую от напряжения, приложенного к p-n переходу. Это свойство p-n перехода используется в специальных диодах – варикапах, применяемых для настройки колебательных контуров в приемниках. Наверно, это единственный случай, когда эта емкость используется во благо.

В остальных случаях эта емкость оказывает мешающее воздействие, замедляет переключение диода, снижает его быстродействие. Такая емкость часто называется паразитной. Она показана на рисунке 3.

Рисунок 3. Паразитная емкость

Конструкция диодов.

Плоскостные и точечные диоды

Чтобы избавиться от вредного воздействия паразитной емкости, применяются специальные высокочастотные диоды, например точечные. Конструкция такого диода показана на рисунке 25.

Рисунок 4. Точечный диод

Особенностью точечного диода является конструкция его электродов, один из которых является металлической иглой. В процессе производства эта игла, содержащая примесь (донор или акцептор), вплавляется в кристалл полупроводника, в результате чего получается p-n переход требуемой проводимости. Такой переход имеет малую площадь, а, следовательно, малую паразитную емкость. Благодаря этому рабочая частота точечных диодов достигает нескольких сотен мегагерц.

В случае, если используется более острая игла, полученная без электроформовки, рабочая частота может достигать нескольких десятков гигагерц. Правда, обратное напряжение таких диодов не более 3…5В, да и прямой ток ограничен несколькими миллиамперами. Но ведь эти диоды и не являются выпрямительными, для этих целей, как правило, применяются плоскостные диоды. Устройство плоскостного диода показано на рисунке

Рисунок 5. Плоскостный диод

Нетрудно видеть, что у такого диода площадь p-n перехода намного больше, чем у точечного. У мощных диодов эта площадь может достигать до 100 и более квадратных миллиметров, поэтому их прямой ток намного больше, чем у точечных. Именно плоскостные диоды используются в выпрямителях, работающих на низких частотах, как правило, не свыше нескольких десятков килогерц.

Применение диодов

Не следует думать, что диоды применяются лишь как выпрямительные и детекторные приборы. Кроме этого можно выделить еще множество их профессий. ВАХ диодов позволяет использовать их там, где требуется нелинейная обработка аналоговых сигналов.

Это преобразователи частоты, логарифмические усилители, детекторы и другие устройства. Диоды в таких устройствах используются либо непосредственно как преобразователь, либо формируют характеристики устройства, будучи включенными в цепь обратной связи.

Широкое применение диоды находят в стабилизированных источниках питания, как источники опорного напряжения (стабилитроны), либо как коммутирующие элементы накопительной катушки индуктивности (импульсные стабилизаторы напряжения).

С помощью диодов очень просто создать ограничители сигнала: два диода включенные встречно – параллельно служат прекрасной защитой входа усилителя, например, микрофонного, от подачи повышенного уровня сигнала.

Кроме перечисленных устройств диоды очень часто используются в коммутаторах сигналов, а также в логических устройствах. Достаточно вспомнить логические операции И, ИЛИ и их сочетания.

Одной из разновидностей диодов являются светодиоды. Когда-то они применялись лишь как индикаторы в различных устройствах. Теперь они везде и повсюду от простейших фонариков до телевизоров с LED — подсветкой, не заметить их просто невозможно.

Ранее ЭлектроВести писали, что в январе 2021 Украина снизила экспорт электроэнергии в 13,4 раза (на 645,3 млн кВт*ч) по сравнению с аналогичным периодом 2020 году – до 51,9 млн кВт*ч.

По материалам: electrik.info.

Выпрямительный диод | Volt-info

Рисунок 1. Вольтамперная характеристика выпрямительного диода.

Вольтамперная характеристика выпрямительного диода

На рисунке в первом квадранте расположена прямая, в третьем – обратная ветвь характеристики диода. Прямая ветвь характеристики снимается при действии прямого напряжения, обратная соответственно – обратного напряжения на диод. Прямым напряжением на диоде называется такое напряжение, при котором на катоде образуется более высокий электрический потенциал по отношению к аноду, а если говорить языком знаков — на катоде минус (-), на аноде плюс (+), как показано на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема для изучения ВАХ диода при прямом включении.

На рисунке 1 приведены следующие условные обозначения:

Iр – рабочий ток диода;

Uд – падение напряжения на диоде;

Uо – обратное напряжение диода;

Uпр – напряжение пробоя;

Iу – ток утечки, или обратный ток диода.

Понятия и обозначения характеристик

Рабочий ток диода (Iр), это прямой электрический ток, длительное время проходящий через диод, при котором прибор не подвергается необратимому температурному разрушению, и его характеристики не претерпевают значительных качественных изменений. В справочниках может указываться как прямой максимальный ток. Падение напряжения на диоде (Uд) – напряжение на выводах диода, возникающее при прохождении через него прямого рабочего тока. В справочниках может быть обозначено как прямое напряжение на диоде.

Прямой ток течёт при прямом включении диода.

Обратное напряжение диода (Uо) – допустимое обратное напряжение на диоде, приложенное к нему длительное время, при котором не происходит необратимое разрушение его p-n перехода. В справочной литературе может называться максимальным обратным напряжением.

Напряжение пробоя (Uпр) – обратное напряжение на диоде, при котором происходит необратимый электрический пробой p-n перехода, и, как следствие, выход прибора из строя.

Обратный ток диода, или ток утечки (Iу) – обратный ток, длительное время не вызывающий необратимого разрушения (пробоя) p-n перехода диода.

При выборе выпрямительных диодов обычно руководствуются указанными выше его характеристиками.

Работа диода

Тонкости работы p-n перехода, тема отдельной статьи. Упростим задачу, и рассмотрим работу диода с позиции односторонней проводимости. И так, диод работает как проводник при прямом, и как диэлектрик (изолятор) при обратном включении. Рассмотрим две схемы на рисунке 3.

Рисунок 3. Обратное (а) и прямое (б) включение диода.

На рисунке изображены два варианта одной схемы. На рисунке 3 (а) положение переключателей S1 и S2 обеспечивают электрический контакт анода диода с минусом источника питания, а катода через лампочку HL1 с плюсом. Как мы уже определились, это обратное включение диода. В этом режиме диод будет вести себя как электрически изолирующий элемент, электрическая цепь будет практически разомкнута, лампа гореть не будет.

При изменении положения контактов S1 и S2, рисунок 3 (б), обеспечивается электрический контакт анода диода VD1 с плюсом источника питания, а катода через лампочку – с минусом. При этом выполняется условие прямого включения диода, он «открывается» и через него, как через проводник, течёт ток нагрузки (лампы).

Если Вы только начали изучать электронику, Вас может немного смутить сложность с переключателями на рисунке 3. Проведите аналогию по приведённому описанию, опираясь на упрощённые схемы рисунка 4. Это упражнение позволит Вам немного понять и сориентироваться относительно принципа построения и чтения электрических схем.

Рисунок 4. Схема обратного и прямого включения диода (упрощённая).

На рисунке 4 изменение полярности на выводах диода обеспечивается изменением положения диода (переворачиванием).

Однонаправленная проводимость диода

Рисунок 5. Диаграммы напряжений до и после выпрямительного диода.

Примем условно, что электрический потенциал переключателя S2 всегда равен 0. Тогда на анод диода будет подаваться разность напряжений –US1-S2 и +US1-S2 в зависимости от положения переключателей S1 и S2. Диаграмма такого переменного напряжения прямоугольной формы изображена на рисунке 5 (верхняя диаграмма). При отрицательной разности напряжений на аноде диода он заперт (работает как изолирующий элемент), при этом через лампу HL1 ток не течёт и она не горит, а напряжение на лампе практически равно нулю. При положительной разности напряжений диод отпирается (действует как электрический проводник) и по последовательной цепочке диод-лампа течёт ток. Напряжение на лампе возрастает до UHL1. Это напряжение немного меньше напряжения источника питания, поскольку часть напряжения падает на диоде. По этой причине, разность напряжений в электронике и электротехнике иногда называют «падением напряжения». Т.е. в данном случае, если лампу рассматривать как нагрузку, то на ней будет напряжение нагрузки, а на диоде — падение напряжения.

Таким образом, периоды отрицательной разности напряжения как бы игнорируются диодом, обрезаются, и через нагрузку течёт ток только в периоды положительной разности напряжений. Такое преобразование переменного напряжения в однополярное (пульсирующее или постоянное) назвали выпрямлением.

Что такое прямое напряжение. Чем отличается прямой диод от обратного диода

Обратный ток диода / 0, если утечки малы, почти не зависит от напряжения на р — / г-переходе, но в сильной степени зависит от температуры. При достижении напряжения пробоя обратный ток резко возрастает за счет лавинного, или Зенеровского, пробоя. Если прибор не рассчитан специально для работы в области пробоя (как, например, стабилитрон и обращенный диод), то вслед за лавинным наступает и тепловой пробой, и диод гибнет. Заметим, что иногда тепловой пробой развивается раньше всех остальных.

Обратный ток диода растет с увеличением обратного напряжения. Главными причинами различия обратных ветвей характеристики реального и идеального диодов являются ток т е р м о — генерации в объеме и на поверхности перехода и ток утечки по поверхности перехода. В германиевых диодах при комнатной температуре ток термогенерации мал и обратный ток близок к току насыщения. В кремниевых диодах при комнатной температуре ток термогенерации является основной составляющей обратного тока.

Обратный ток диода зависит от температуры корпуса еще сильнее и имеет положительный коэффициент. Так, при увеличении температуры на каждые 10 С обратный ток германиевых диодов увеличивается в 2 раза, а кремниевых — 2 5 раза.

Типовая вольт-амперная характеристика диода.

Схема замещения фотодиода.| Семейство вольт-амперных характеристик фотодиода.| Относительная спектральная чувствительность г германиевых и кремниевых фотодиодов.

Обратный ток диода возрастает при освещении p — n — перехода. Этот эффект может использоваться для фотометрических измерений. С этой целью в корпусе фотодиода делается прозрачное окно. На рис. 10.5 показано схемное обозначение фотодиода, на рис. 10.6 приведена его схема замещения, а на рис. 10.7 представлено семейство характеристик. Для фотодиодов характерно наличие тока короткого замыкания, который пропорционален его освещенности, поэтому в отличие от фоторезисторов фотодиод может использоваться без дополнительного источника питания. Чувствительность фотодиодов обычно составляет около 0 1 мкА / лк. При подаче на фотодиод запирающего напряжения фототок практически не изменяется. Такой режим работы фотодиода предпочтителен, когда требуется получить большое быстродействие, так как с ростом запирающего напряжения уменьшается собственная емкость р-п-пе-рехода.

Обратный ток диода изме-ряется микроамперметром ИТ. Выходное сопротивление генератора постоянного напряжения должно быть достаточно малым, так как выходное напряжение ГН не должно меняться более чем на 1 % при изменении величины / обр от нуля до максимального (для испытываемого диода) значения. Вольтметр включают до измерителя тока и его блока защиты БЗ. Поэтому падение напряжения на измерителе тока и токонесущих элементах схемы защиты не должно превышать 2 % от устанавливаемой величины обратного напряжения. Если генератор напряжения питается от сети, то пульсации на его выходе не должны превышать 1 % от выходного напряжения.

А.Н. Морковин

Исследование вольт-амперной характеристики полупроводникового диода

Мариуполь, 2012 г.

Цель работы: Изучить особенности, режимы и принципы функционирования полупроводникового диода.

Теоретическое введение

Полупроводниковые диоды — широкий класс твердотельных приборов, предназначенных для осуществления нелинейных преобразований электрических сигналов (выпрямление, детектирование, генерирование и т.д.), преобразования электрической энергии в излучение (светодиоды, лазеры) и, наоборот, преобразования излучения в электрическую энергию (фотопреобразователи, солнечные элементы).

Принцип работы диодов базируется на процессах, протекающих вследствие образования p-n-перехода.

Изучим терминологический аппарат.

Полупроводник — это материал

Если легировать 4-валентный полупроводник (например, кремний) 5-валентной примесью (например, фосфором) мы получим полупроводник n-типа донорной . Дополнительный пятый электрон донорной примеси проще переходит в свободное состояние и перенос заряда осуществляется свободными электронами.

Для полупроводника n-типа проводимости электроны являются основными носителями заряда . Дырки — неосновные носители заряда .

При легировании 4-валентного полупроводника (например, кремния) 3-валентной примесью (например, бором) получим полупроводник p-типа . В этом случае примесь называется акцепторной . Поскольку 3-валентная примесь, для обеспечения нормальной ковалентной связи в кристаллической решетке, забирает один недостающий электрон кремния, в валентной зоне возникает дырка. Вследствие чего перенос заряда в полупроводнике p-типа имеет дырочную природу.

Для полупроводника p-типа дырки будут являться основными носителями заряда. Электроны — неосновные носители заряда.

Контакт полупроводников n-типа и p-типа, из-за разности концентраций основных носителей заряда, приводит к образованию неподвижного объемного заряда и, как следствие, к нелинейной зависимости тока от подаваемого на p-n-переход напряжения.

Равновесное состояние p-n-перехода

Пусть внутренняя граница раздела двух областей полупроводника с различным типом проводимости является плоскость ММ (см. рис. 2). Слева находится полупроводник p-типа, справа — n-типа.

Т.к. в полупроводнике n-типа концентрация свободных электронов значительно превышает их концентрацию в соседнем полупроводнике p-типа, возникает градиент концентрации, заставляющий основные носители заряда (в данном случае электроны) диффундировать в соседнюю область.

Таким образом, из полупроводника n-типа основные носители заряда (электроны) диффундируют в p-область. Им на встречу, увлекаемые все тем же градиентом концентрации, из p-области в n-область движутся дырки. Мы имеем диффузионные потоки основных носителей заряда через p-n-переход.

При этом электроны, перешедшие из n-области в p-область, рекомбинируют вблизи границы раздела этих областей с дырками p-области; точно также дырки, перешедшие из p-области в n-облатсь, рекомбинируют здесь с электронами этой области. В результате этого в приконтактном слое n-области практически не остается свободных электронов и в нем формируется неподвижный объемный положительный заряд ионизированных доноров.

В приконтактном слое p-области практически не остается дырок и в нем формируется неподвижный объемный отрицательный заряд ионизированных акцепторов.

Неподвижный объемный заряд создает в p-n-переходе контактное электрическое поле с определенной разностью потенциалов, локализованное в области перехода и практически не выходящее за его приделы. Поэтому вне слоя, где поля нет, свободные носители заряда движутся по-прежнему хаотично и число носителей, ежесекундно наталкивающихся на слой объемного заряда, зависит только от их концентрации и скорости теплового движения.

Если в слой объемного заряда влетает неосновной носитель (электрон для p-области или дырка для n-области), то контактное поле подхватывает его и перебрасывает через этот слой. Получается, что каждый неосновной носитель заряда, налетающий на p-n-переход, проходит через него.

Прямое и обратное смещение p-n-перехода
Рассмотрим явления, происходящие в диоде, к которому приложена разность потенциалов от внешнего источника напряжения.
Смещение, при котором плюс источника подсоединен к n-области, а минус — к p-области называется обратным (см. рис. 3).
Рис. 3. Обратное смещение на p-n-переходе.
Внешнее поле Е вн вызывает дрейф основных носителей заряда в направлениях, указанных стрелками на рис. 3. Таким образом, вся масса электронов n-области и дырок p-области отходит от p-n-перехода, обнажая при этом новые слои ионизированных доноров и акцепторов, т. е. расширяя область объемного заряда до размера d 0 + Δd.
При прямом смещении (плюс источника напряжение подсоединяется к p-области, а минус — к n-области) возникающее в объеме n- и p-областей электрическое поле вызывает приток основных носителей к области объемного заряда p-n-перехода. Контактная разность потенциалов при этом уменьшается до значения V k – V.
Прямой и обратный токи p-n-перехода

При обратном смещении на p-n-переходе ток основных носителей заряда, сдерживаемый возросшим потенциальным барьером, уменьшается. Увеличение обратного смещения приведет к дальнейшему росту потенциального барьера и, в конце концов, ток основных носителей заряда через p-n-переход станет равным нулю.
В этом случае на вольт-амперной характеристике будет наблюдаться лишь обратный ток неосновных носителей, попавших в область объемного заряда за счет дрейфа.
Прямое смещение понижает потенциальный барьер для основных носителей заряда, что приводит к росту прямого диффузионного тока. Основные носители заряда, гонимые градиентом концентрации, устремляются через понизившийся потенциальный барьер и прямой диффузионный ток через p-n-переход, в этом случае, значительно превысит обратный ток дрейфа неосновных носителей заряда.
Таким образом, подача внешнего смещения на p-n-переход выводит его из состояния динамического равновесия. Рис. 6. Схема изучения ВАХ диода.
Ход работы:

Изменяя напряжение U вх необходимо снять зависимость обратного тока (амперметр А) от обратного смещения на p-n-переходе (вольтметр V). Количество точек и шаг изменения U вх выбрать таким, чтобы на итоговой ВАХ диода было видно увеличение обратного тока вблизи нулевого смещения, дальнейший выход на плато и пробой. Запрещается выходить в режим глубокого пробоя, чтобы не допустить перегрева диода и выхода из строя прибора.

Переключить напряжение на прямое смещение и снять зависимость тока (амперметр А) от напряжения на p-n-переходе (вольтметр V) в прямом смещении.

В процессе получения точек для построения ВАХ записывать напряжение, подаваемые на вход схемы (U вх).

Данные эксперимента занести в таблицу 1.

Из таблицы 1, учитывая пределы измерения и показания измерительных приборов, преобразовать экспериментальные данные и занести их в таблицу 2.

На основе таблицы 2 построить вольт-амперную характеристику диода (аналогично рис. 5).

Повторить инструкции пунктов 1 — 7 для второго стабилитрона лабораторного стенда.
Для заполнения данными таблиц 1 и 2, а также для построения вольт-амперной характеристики можно воспользоваться компьютерными программами (Excel, Open Office Calc, Google документы). Таблицы и графики должны быть распечатаны, вырезаны и вклеены в лабораторную тетрадь.
Примечание:
Максимально допустимый ток стабилизации I ст.макс. — это наибольший ток через стабилитрон, при котором температура его р-n-перехода не превышает допустимой. Превышение тока I ст.макс. ведет к тепловому пробою р-n-перехода и, естественно, к выходу прибора из строя.
Для стабилитронов лабораторного стенда I ст.макс. = 29 мА (данные взяты из таблицы характеристик данной марки стабилитрона).
Основываясь на максимальном значении тока стабилизации и максимально возможном напряжении лабораторного источника (30 В) необходимо рассчитать номинал сопротивления R исходя из следующих соображений: при максимальном напряжении U вх ток через стабилитрон не должен превысить I стаб. Напряжение на входе (U вх), В

Напряжение на диоде (V), В

Показания амперметра (А)

Придел шкалы амперметра (А), мА

0,1

0,2

…

0,1

0,2

…

0,1

0,2

…

0,1

0,2

…
Таблица 2. Напряжение на диоде, В

Ток в схеме, мА

Диод №1. Полярность на входе (а).

0,1

0,2

…

Диод №1. Полярность на входе (б).

0,1

0,2

…

Диод №2. Полярность на входе (а).

0,1

0,2

…

Диод №2. Полярность на входе (б).

0,1

0,2

…
Контрольные вопросы:

Поясните принцип образования объемного неподвижного заряда на границе p-n-перехода.

Почему обратный ток p-n-перехода не меняется при увеличении обратного смещения до наступления пробоя?

Чем обусловлено увеличение тока при подаче прямого напряжения на p-n-переход?

Какой пробой наблюдается в стабилитроне? Какова его физическая природа?

Что показывает амперметр А в схеме на рис. 6?

Зачем в экспериментальной схеме, изображенной на рис. 6, применяется сопротивление R?

Что показывает вольтметр V в схеме на рис. 6?

На диод подается смещение U вх, при появлении тока в схеме напряжение V, падающее на диоде, уменьшается. Где падает разность напряжений U вх – V? Почему при отсутствии тока в схеме U вх = V?

Меняется ли напряжение на диоде в режиме пробоя c увеличением обратного смещения U вх? Какие выводы из этого следуют?
Существует три вида диодов:
Газонаполненные;
Электровакуумные;
Полупроводниковые диоды, про которые и будет идти речь дальше.
В чистом полупроводнике отсутствуют свободные электроны, поэтому его электропроводность, как и у диэлектрика крайне мала. Если добавить в полупроводник примесь, то проводимость увеличится. Для того чтоб заметить изменение электропроводимости, достаточно в чистый полупроводник добавить очень малое количество примеси – 1 атом примеси на 10 6 атомов полупроводника. Электрическая проводимость любого вещества зависит от наличия в атоме свободных, слабо связанных электронов на внешней орбите.
Если электрон освободился от соседнего атома, то на месте оборванного электрона появилась новая дырка. Электроны двигаются от отрицательного к положительному потенциалу, а дырки можно рассматривать как такие, что двигаются в обратном направлении. Также дырки можно рассматривать как элемент положительного заряда. Примеси, которые образовывают свободные электроны в полупроводнике, называются донорными, а которые делают дырки – акцепторными. Процесс заполнения неполных валентных связей называется рекомбинация.
Рисунок 1 – Проводимость полупроводникового диода
p — n переход – это переходной слой, полученный на границе полупроводников разной проводимости.
Различают два типа перехода:
Плоскостной;
Точечный.
Принцип работы полупроводникового диода основан на особенности p — n перехода — ярко выраженная проводимость, которая зависит от полярности приложенного напряжения (рисунок 1).
На основании представленных характеристик материалов создан полупроводниковый прибор – диод.
Рисунок 2 – Обозначение диода
в электрических схемах – VD .
Основные электрические параметры диода:
1. І ном – максимальное значение действующего тока через диод, которое его не перегревает.
2. Максимальный импульсный ток – І і. max .
3. Обратное максимальное напряжение U обр.

Все полупроводниковые приборы очень чувствительны к примесям в воздухе, поэтому их размещают в герметичном корпусе из стекла или керамики.
Работа диода при прямом приложенном напряжении имеет следующий вид (ток — черная кривая, напряжение — красная):

Рисунок 3 – Ток и напряжение на диоде
С рисунка видно, что при положительном напряжении диод VD открывается и напряжение имеет малое значение, при отрицательном напряжении диод закрывает мгновенно, переставая пропускать через себя ток.
Широко применяются при необходимости преобразования переменного напряжения в постоянное. Выпрямленное напряжение будет иметь пульсирующий вид, как изображено на рисунке 3 – однополупериодное выпрямление, если же применять диодный мост , то будет осуществлено двухполупериодное выпрямление. В полученном пульсирующем напряжении для электрических приборов будет важно действующее значение напряжения . Для трехфазных сетей применяют выпрямитель Ларионова.
Специальные диоды
– разновидность диода, которому характерна вертикально спадающая ВАХ, на которой стабилитрон предназначен продолжительно работать.
Рисунок 4 – Вольт-амперная характеристика (ВАХ) стабилитрона
Предназначается для работы в источниках питания для стабилизации напряжения.
Основные характеристики: U стабилизации , І min , I max – граничные значения тока через стабилитрон.
Туннельный диод – это диод, которому характерно наличие в прямой ветке вольт-амперной характеристики участок с обратным сопротивлением. При увеличении прямого напряжения монотонно увеличивается выходное значение тока. Напряжение пробоя такого полупроводника практически равно нулю.

Рисунок 5 – ВАХ туннельного диода
Используются в схемах переключения и генераторах электрических колебаний.
Динистор – специальный диод, который сохраняет высокое сопротивление до определенного значения прямого напряжения, после чего сопротивление резко спадает и равно величине сопротивления открытого диода.

Рисунок 6 – Вольт-амперная характеристика динистора
Используют в схемах автоматики и генераторах переменно-линейного напряжения.
Варикап – диод, у которого изменяется емкость в зависимости от значения приложенного обратного напряжения.
Рисунок 7 – ВАХ варикапа
Применяются в электрических схемах, где необходима настройка частоты контура колебания, деление или умножение частоты.
Характерные для варикапа параметры:
Общая емкость – измеренная емкость при определенном обратном напряжении;
Коэффициент перекрытия по емкости – при двух некоторых значениях напряжения отношения емкостей варикапа.
Температурный коэффициент емкости – относительное изменение емкости, вызванное сменой температуры.
Предельная частота – та, на которой реактивная составляющая варикапа становится равна активной.
– спец диод, обратная проводимость которого изменяется от величины светового потока Ф.

Рисунок 8 – ВАХ фотодиода
Используются в измерителях светового потока и приборах автоматики.
Светодиод излучает свет при прохождении через него в прямом направлении электрического тока, цвет свечения определяется химическим составом кристалла.
Отличительной особенностью светодиода является экономичность – очень малое потребление тока (2-5мА).
Есть другой способ снижения напряжения на нагрузке, но только для цепей постоянного тока. Про смотри здесь.
Вместо дополнительного резистора используют цепочку из последовательно включенных, в прямом направлении, диодов.
Весь смысл состоит в том, что при протекании тока через диод на нем падает «прямое напряжение» равное, в зависимости от типа диода, мощности и тока протекающего через него — от 0,5 до 1,2 Волта.
На германиевом диоде падает напряжение 0,5 — 0,7 В, на кремниевом от 0,6 до 1,2 Вольта. Исходя из того, на сколько вольт нужно понизить напряжение на нагрузке, включают соответствующее количество диодов.
Чтобы понизить напряжение на 6 В необходимо приблизительно включить: 6 В: 1,0 = 6 штук кремниевых диодов, 6 В: 0,6 = 10 штук германиевых диодов. Наиболее популярны и доступны кремниевые диоды.
Выше приведенная схема с диодами, более громоздка в исполнении, чем с простым резистором. Но, выходное напряжение, в схеме с диодами, более стабильно и слабо зависит от нагрузки. В чем разница между этими двумя способами снижения выходного напряжения?
На Рис 1 — добавочное сопротивление — резистор (проволочное сопротивление), Рис 2 — добавочное сопротивление — диод.
У резистора (проволочного сопротивления) линейная зависимость между током, проходящем через него и падением напряжения на нем. Во сколько раз увеличится ток, во столько же раз увеличится и падение напряжения на резисторе.
Из примера 1: если мы к лампочке подключим параллельно еще одну, то ток в цепи увеличится, с учетом общего сопротивления двух лампочек до 0,66 А. Падение напряжения на добавочном резисторе будет: 12 Ом 0,66 А = 7,92 В. На лампочках останется: 12 В — 7,92 В = 4,08 В. Они будут гореть в пол накала.

Совсем другая картина будет если вместо резистора будет цепочка диодов.
Зависимость между током протекающем через диод и падающем на нем напряжении нелинейная. Ток может увеличиться в несколько раз, падение напряжения на диоде увеличится всего на несколько десятых вольта.
Т.е. чем больше ток диода, тем (сравнительно с резистором) меньше увеличивается его сопротивление. Падение напряжения на диодах мало зависит от тока в цепи.
Диоды в такой цепи выполняют роль стабилизатора напряжения. Диоды необходимо подбирать по максимальному току в цепи. Максимально допустимый ток диодов должен быть больше, чем ток в рассчитываемой цепи.
Падения напряжения на некоторых диодах при токе 0,5 А даны в таблице.
В цепях переменного тока, в качестве добавочного сопротивления можно использовать конденсатор, индуктивность, динистор или тиристор (с добавлением схемы управления).
П олупроводниками являются вещества, занимающие промежуточное положение между проводниками и изоляторами, по своим электропроводящим свойствам.
В полупроводниках, как и в металлах ток представляет из себя упорядоченное движение заряженных частиц.
Однако, вместе с перемещением отрицательных зарядов(электронов) в полупроводниках имеет место упорядоченное перемещение положительных зарядов, т. н. — дырок .
Дырки получаются при участии ионов вещества полупроводника — атомов с сбежавшими электронами. В реальности, ионизированные атомы не покидают своего места, в кристаллической решетке. На самом деле, имеет место поэтапное изменение состояния атомов вещества, когда электроны перескакивают с одного атома, на другой. Возникает процесс, внешне выглядящий, как упорядоченное движение неких условных положительно заряженных частиц — дырок .
В обычном, чистом полупроводнике соотношение дырок и свободных электродов 50%:50%.
Но стоит добавить в полупроводник небольшое количество вещества — примеси, как это соотношение претерпевает значительные изменения. В зависимости от особенностей добавленного вещества полупроводник приобретает либо ярко выраженную электронную проводимость(n-тип), либо его основными носителями становятся дырки(p-тип).
Полупроводниковый переход(p-n) формируется на стыке двух фрагментов полупроводникового материала, имеющих разную проводимость. Он представляет из себя крайне тонкую область, обедненную носителями обоих типов. p-n переход имеет незначительное сопротивление, когда направление тока — прямое, и очень большое, когда направление тока — обратное.
Обычный полупроводниковый диод состоит из одного полупроводникового перехода, снабженного двумя выводами — анодом (положительным электродом) и катодом — отрицательным электродом. Соответственно, диод обладает свойством односторонней проводимости — он хорошо проводит ток в прямом направлении и плохо в обратном.
Что это означает на практике?
Представим себе электрическую цепь, состоящую из батарейки и лампочки накаливания, подключенной последовательно через полупроводниковый диод. Лампочка будет гореть только в том случае, если анод (положительный электрод) подключен к плюсу источника питания (батарейки) а катод (отрицательный электрод) к минусу — через накальную нить лампочки.
Это и является прямым включением полупроводникового диода. Если поменять полярность источника питания, включение диода окажется обратным — лампочка гореть не будет. Обратите внимание как выглядит обозначение полупроводникового диода на схеме — треугольная стрелочка, указывающая прямое включение, совпадает с общепринятым в электротехнике направлением тока — от плюса источника питания, к минусу. Вертикальная черточка примыкающая к ней символизирует преграду для движения тока в обратном направлении.
Существует одно обязательное условие для нормальной работы любого полупроводникового диода. Напряжение источника питания должно превышать некоторый порог (величину потенциала внутреннего смещения p-n перехода). Для выпрямительных диодов он как правило — меньше 1 вольта, для германиевых высокочастотных диодов порядка 0,1 вольта, для светодиодов может превышать 3 вольта. Это свойство полупроводниковых диодов можно использовать при создании низковольтных стабилизированных источников питания.
Если диод подключить обратно и постепенно повышать напряжение источника питания, в некоторый момент обязательно наступит обратный электрический пробой p-n перехода. Диод начнет пропускать ток и в обратном направлении, а переход окажется испорченным. Величина максимального допустимого обратного напряжения (Uобр.и.) широко разнится у различных типов полупроводниковых диодов и является очень важным параметром.
Вторым, не менее важным параметром можно назвать предельное значение прямого тока-Uпр. Этот параметр напрямую зависит от величины падения напряжения на переходе полупроводникового диода, материала полупроводника и теплообменных характеристик корпуса.
Использование каких — либо материалов этой страницы, допускается при наличии ссылки на сайт
Фотодиоды — Club155.ru

Фотодиод* — это фоточувствительный полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом, обратный ток которого зависит от освещенности.

Фотодиоды могут строиться как на базе обычных \(p\)-\(n\)-переходов, так и с переходами типа металл – полупроводник, а также с гетеропереходами. При освещении электрического перехода в нем и в прилегающих к нему областях возникают электронно-дырочные пары. Неосновные носители, возникающие в прилегающих к переходу областях на расстоянии, не превышающем диффузионной длины, диффундируют к переходу и проходят через него под действием электрического поля. К аналогичному результату приводит поглощение квантов света непосредственно в электрическом переходе. Таким образом, при освещении фотодиода обратный ток через него возрастает на величину, называемую фототоком.

Фотодиоды могут использоваться в фотодиодном и фотогальваническом режимах. В первом случае диод смещается в обратном направлении и фототок добавляется к заданному обратному току. Во втором случае прибор работает в режиме генерации фото-ЭДС (ток через диод определяется только значением фототока). Фотодиодный режим характеризуется малой инерционностью, повышенной чувствительностью к длинноволновой части оптического спектра, широким динамическим диапазоном линейности характеристик. Единственным преимуществом фотогальванического режима является отсутствие вредного шумового тока, протекающего через нагрузку.

В рабочем диапазоне обратных напряжений при освещении фотодиода обратные токи практически не зависят от приложенного напряжения, хотя обратная ветвь ВАХ фотодиода в затемненном состоянии может не иметь участка насыщения тока. Световые (энергетические) характеристики фотодиодов в фотодиодном режиме линейны до интенсивности облучения в тысячи (и даже десятки тысяч) люкс для германиевых приборов и более нескольких сотен тысяч люкс — для кремниевых.

Фотодиоды — малоинерционные фотоприемники. Их инерционность зависит от временных характеристик процесса фотогенерации носителей, условий разделения электронно-дырочных пар, емкости перехода, а также сопротивления нагрузки. Особую группу фотодиодов, отличающихся очень малой инерционностью, составляют лавинные фотодиоды.

Лавинные фотодиоды — это полупроводниковые приборы, построенные и действующие на физических принципах аналогичных обычным фотодиодам, однако в них в дополнение к световой генерации электронно-дырочных пар добавляется эффект лавинного размножения носителей в сильном электрическом поле.

Если к фотодиоду приложить достаточно высокое обратное напряжение, то напряженностьполя в области перехода окажется настолько высокой, что начнут развиваться процессы ударной ионизации атомов кристаллической решетки ускоренными электронами (лавинные фотодиоды сконструированы таким образом, что критическое напряжение достигается в них уже при достаточно низких значениях внешнего напряжения смещения). Это приводит к значительному росту обратного тока при стабильном световом потоке. Как темновые, так и фотоэлектроны приобретают в сильном поле энергию, большую, чем они теряют при столкновениях с атомами кристаллической решетки. Если полученная электронами энергия превышает энергию ионизации, то они могут создать новые электронно-дырочные пары. При достаточно протяженной области сильного поля возникшие электроны и дырки также могут ускориться до энергии ионизации и сгенерировать новые пары, т.е. будет наблюдаться лавинообразное нарастание числа носителей заряда (и, соответственно, лавинообразный рост обратного тока фотодиода).

Лавинные фотодиоды в определенном диапазоне обратных напряжений обладают очень крутыми характеристиками. Это означает, что даже совсем незначительные колебания освещенности могут вызвать ощутимые колебания обратного тока через диод. Поэтому такие приборы используются там, где требуется повышенная чувствительность. Кроме того, лавинные фотодиоды обладают наименьшей инерционностью по сравнению с другими видами фотодиодов. К их же недостаткам следует отнести необходимость применения высокостабильных источников напряжения смещения, опасность перегрева при больших значения тока через диод, который увеличивает темновой ток и уменьшает фототок (электрический пробой переходит в тепловой) и как следствие — гораздо более узкий по сравнению с обычными диодами динамический диапазон.

Лавинные фотодиоды могут выполняться как на основе обычного p-n-перехода, так и на преходах с поверхностными барьерами Шоттки.

< Предыдущая Следующая >
Защита цепей от обратного тока
— Maxim Integrated
Переключение аккумулятора может быть фатальным для портативного оборудования. Однако многочисленные цепи могут защитить от обратной установки батарей и других условий, вызывающих перегрузку по току.
Оборудование, работающее от батарей, подвержено последствиям установки батарей в обратном направлении, случайных коротких замыканий и других видов небрежного обращения. Последствия перевернутой батареи критичны. К сожалению, от такой ситуации трудно защититься.
Чтобы сделать оборудование устойчивым к батареям, установленным в обратном направлении, вы должны спроектировать либо механический блок для обратной установки, либо электрическую защиту, которая предотвращает вредные эффекты, когда происходит обратная установка. Механическая защита может представлять собой односторонний соединитель, который принимает батарею только при соблюдении правильной полярности.
Например, 9-вольтовые радиобатареи имеют механически разные клеммы, хотя пользователь, возясь с механическим подключением, может на мгновение выполнить обратное электрическое подключение.С другой стороны, вы можете настроить разъемы для аккумуляторных батарей так, чтобы мгновенные обратные соединения были невозможны, если пользователь не изменит разъем.
Однако самая большая проблема возникает в приложениях с питанием от одной или нескольких одноэлементных батарей, таких как щелочные батареи AA, NiCd и никель-металлгидридные батареи. Как правило, эти батареи не предлагают никаких механических средств для предотвращения обратного переключения одного или нескольких элементов. Для этих систем разработчик должен гарантировать, что любой поток обратного тока достаточно низкий, чтобы избежать повреждения цепи или батареи.Эту гарантию могут предоставить различные схемы.
Диоды обеспечивают простейшую защиту
Самая простая форма защиты от переворота батареи — это диод, включенный последовательно с положительной линией питания (, рис. 1а, ). Диод пропускает ток от правильно установленной батареи к нагрузке и блокирует ток в батарею, установленную назад. Это решение имеет два основных недостатка: диод должен выдерживать полный ток нагрузки, а его прямое падение напряжения сокращает время работы оборудования.(Выходной сигнал регулятора падает на один диод ниже напряжения батареи, поэтому регулятор преждевременно отключается.)
Если в приложении требуется щелочная батарея или батарея другого типа с относительно высоким выходным сопротивлением, вы можете предотвратить обратную установку, используя параллельную ( шунт) диод. Схема в Рис. 1b проста, но далека от идеала. Такой подход защищает нагрузку, но потребляет большой ток от закороченной батареи. Как и прежде, диод должен выдерживать большой ток.

Рис. 1. Простейшей защитой от обратного тока батареи является последовательный (а) или шунтирующий (б) диод.
В качестве улучшенной меры по замене батареи вы можете добавить pnp-транзистор в качестве переключателя верхнего плеча между батареей и нагрузкой (, рис. 2а, ). При правильной установке батареи ограничивающий ток резистор в выводе базы смещает в прямом направлении переход база-эмиттер. Батарея, установленная назад, смещает транзистор в обратном направлении, и ток не может течь.Эта схема лучше, чем последовательный диод, потому что насыщенный pnp-транзистор обеспечивает меньшее падение напряжения, чем большинство диодов, и, таким образом, повышает эффективность работы за счет снижения рассеиваемой мощности.
Проверка на недостатки
Более низкое падение напряжения на pnp-транзисторах также увеличивает время работы, поскольку позволяет разряжать аккумулятор до более низкого уровня. Эти транзисторы имеют низкую стоимость и низкое напряжение насыщения, но у них есть и недостатки. Например, базовый ток рассеивает часть полезной энергии батареи в виде V _IN × I _B, а бета (примерно 50 максимум) большинства мощных pnp-транзисторов требует значительного базового тока для данного тока нагрузки.
Вы должны рассчитать базовый ток, соответствующий комбинации максимальной нагрузки и минимального напряжения V _IN. Это фиксирует значение базового тока, а затем приводит к снижению эффективности при более легких нагрузках, если вы не предоставите сложную схему для модуляции базового тока в зависимости от тока нагрузки. Эти критерии также применимы к использованию переключателя npn между нагрузкой и возвратом батареи (, рис. 2b, ), но с одним существенным отличием: гораздо более высокие бета-значения мощности npn-транзисторов снижают их потери по базовому току при заданном токе нагрузки.

Рис. 2. Поскольку его прямое падение ниже, pnp-транзистор верхнего плеча (a) обеспечивает лучшую защиту от обратного тока, чем диод. Еще лучше использовать npn-транзистор с низкой стороны (b), более высокое значение бета которого означает меньший базовый ток и меньшие потери мощности.
Замена биполярных транзисторов на полевые МОП-транзисторы
При заданном токе нагрузки низкое сопротивление полностью усовершенствованного MOSFET снижает напряжение намного меньше, чем у эквивалентного биполярного транзистора. Результатом является более низкая рассеиваемая мощность, что позволяет МОП-транзистору выдерживать гораздо более высокие токи нагрузки, чем это возможно с биполярным транзистором того же размера.Это преимущество привело к производству n- и p-канальных МОП-транзисторов с логическим уровнем для работы при 5 В и 3 В и даже при более низких напряжениях питания. Полевые транзисторы NMOS включают Motorola MTP-3055EL, Harris RFD14N05L и Siliconix Si9410DY. Примерами полевых МОП-транзисторов являются Siliconix Si9433DY и Si9434DY и National Semiconductor NDS9435.
Обратите особое внимание на ориентацию полевого МОП-транзистора в схеме. МОП-транзисторы имеют внутренний диод, который проводит ток в условиях прямого смещения. Этот ток течет от стока к истоку для полевого транзистора PMOS и от истока к стоку для полевого транзистора NMOS.Независимо от того, используете ли вы NMOS или PMOS FET в качестве переключателя высокого или низкого уровня, сориентируйте диод на корпусе устройства в направлении нормального тока. Затем перевернутая батарея смещает диод в обратном направлении и блокирует прохождение тока.
Полевые транзисторы NMOS более привлекательны, чем полевые транзисторы PMOS для сильноточных приложений, поскольку полевые транзисторы NMOS предлагают меньшее сопротивление в открытом состоянии, чем их аналоги на PMOS того же размера. Поскольку вы должны подтянуть напряжение затвора полевого транзистора NMOS выше источника для полного улучшения, полевой транзистор NMOS относится к пути возврата батареи (, рис. 3, ).Таким образом, если вы установите батарею правильно, напряжение батареи выше 10 В (5 В для полевых МОП-транзисторов с логическим уровнем) полностью включит полевой МОП-транзистор. Переключение батареи приводит к низкому уровню клеммы затвора и отключению полевого МОП-транзистора.

Рис. 3. NMOS-транзистор нижнего логического уровня для защиты от обратного тока выдерживает больший ток, чем эквивалентный биполярный транзистор.
Переключатель нижнего уровня имеет один недостаток: токи заземления, протекающие через переключатель, вызывают небольшие падения напряжения, которые могут мешать работе схемы.Альтернатива — выключатель верхнего плеча. Однако использование полевого транзистора NMOS в качестве переключателя на стороне высокого напряжения по-прежнему требует возбуждения затвора, превышающего напряжение источника, то есть возбуждения затвора выше, чем напряжение батареи. На рис. 4 показано одно решение, в котором устройство накачки заряда (IC ₁) повышает напряжение затвора значительно выше источника. Эта схема полностью улучшает МОП-транзистор, если батарея установлена правильно.

Рис. 4. Чтобы обеспечить защиту от обратного тока без нарушения токов возврата на землю, добавьте полевой МОП-транзистор верхнего плеча, управляемый ИС с накачкой заряда.
На рисунке 4 IC ₁ принимает напряжение батареи от 3,5 В до 16,5 В и регулирует выход батареи до (В _BATT + 10 В). Эта схема позволяет стандартным полевым транзисторам NMOS в расширенном режиме работать от напряжения батареи до 3,5 В. Поскольку зарядный насос работает от напряжения батареи и, следовательно, также нуждается в защите от реверсирования батареи, схема подключает диод между положительной клеммой батареи и клеммой V _CC микросхемы.
PMOS FET работают на стороне высокого напряжения и не требуют дополнительных схем для управления затвором.Однако переключатель PMOS, как правило, в два раза дороже и почти в три раза выше сопротивления в открытом состоянии, чем устройство NMOS с сопоставимой мощностью управления мощностью, работающее с аналогичным напряжением сток-исток. Вы можете улучшить доступные в настоящее время PMOS-транзисторы с помощью управляющего затвора 5 В или даже 3 В.
Если напряжение батареи вашей схемы составляет не менее 10 В, вы можете подключить затвор полевого транзистора PMOS непосредственно к возврату батареи (, рис. 5, ). Как и раньше, вы должны подключить транзистор назад (в соответствии с обычной практикой), чтобы сориентировать его основной диод в направлении нормального протекания тока.Это соединение прикладывает напряжение батареи между затвором и стоком, но напряжение между затвором и истоком регулирует сопротивление канала. Однако внутренний диод создает напряжение истока на один диод ниже стока, когда вы впервые применяете V _BATT. Результатом является жесткое напряжение затвор-исток, равное — (V _BATT -V _DIODE), которое быстро увеличивает полевой транзистор, доводя падение VDS до желаемого минимума.

Рис. 5. Этот переключатель PMOS FET верхнего плеча предлагает простую защиту от обратного тока в обмен на более высокое сопротивление в открытом состоянии и более высокую стоимость.
Проблема низкого напряжения батареи
Для напряжений батареи ниже 10 В, но выше 2,7 В можно использовать низковольтный полевой МОП-транзистор, например Siliconix Si9433DY или Si9435DY. С другой стороны, обеспечение защиты от переворота батареи при напряжении ниже 2,7 В может оказаться сложной задачей. Одним из решений является использование биполярного транзистора, что влечет за собой потери по базовому току. Другой вариант — использование низкопорогового полевого МОП-транзистора с зарядным насосом для управления напряжением затвора ниже уровня земли (, рис. 6, ).Эта схема может работать с выходным напряжением 5 В или 3,3 В. Хотя схема предназначена для работы с двумя ячейками, она обычно начинается с входного напряжения всего 1,5 В.

Рис. 6. Для использования переключателя PMOS FET со стороны высокого напряжения при низком напряжении батареи требуется зарядный насос (D ₁, D ₂ и C ₁) для управления напряжением затвора ниже уровня земли.
Один или два элемента батареи не обязательно вырабатывают достаточно напряжения затвор-исток для полного включения полевого транзистора.Однако переключающий узел повышающего преобразователя постоянного тока в постоянный ток IC1 управляет простым зарядным насосом, состоящим из C ₁, D ₁ и D ₂, который генерирует более чем достаточно возбуждения для этой цели. Для V _IN = 2V, привод затвора составляет приблизительно — (V _IN + V _OUT) = -7V.
Переключение батареи делает КМОП-преобразователь постоянного тока в постоянный, похожим на диод с прямым смещением; преобразователь выключает переключатель, поднимая напряжение затвора по крайней мере на одно падение напряжения на диоде над источником.Понижающий резистор на 100 кОм разряжает емкость затвора в течение 140 мсек, но при этом слегка нагружает зарядный насос и не мешает усилению MOSFET. Опять же, схема соединяет полевой МОП-транзистор в обратном направлении, чтобы предотвратить прямое смещение основного диода полевого транзистора во время реверсирования батареи.
Вы также можете использовать переключатель нижнего уровня NMOS для защиты, используя выход преобразователя постоянного тока в постоянный для повышения напряжения затвора (, рис. 7, ). При нормальном регулировании преобразователь (IC1) поднимает затвор полевого МОП-транзистора над его истоком.Если вы установите батарею задом наперед, сопротивление нагрузки разряжает конденсатор выходного фильтра, который отключает полевой МОП-транзистор, удерживая затвор и исток под одним и тем же потенциалом.

Рис. 7. Выход повышающего преобразователя IC1 управляет этим переключателем NMOS FET нижнего плеча.
С другой стороны, если нагрузка небольшая и вы сначала устанавливаете батарею правильно, а затем быстро реверсируете ее, заряд выходного конденсатора удерживает полевой МОП-транзистор включенным и позволяет обратному току течь через регулятор.Для показанных компонентов это состояние сохраняется в течение примерно 100 мс, пока конденсатор разряжается через регулятор. Затем MOSFET выключается и после этого блокирует прохождение тока.
Аналогичная версия этой статьи появилась в номере EDN от 1 марта 1996 г.
3: Обратное смещение — Engineering LibreTexts
Когда на диод с p-n переходом подается внешнее напряжение, мы говорим, что на диоде имеется смещение . Когда напряжение на стороне n выше, чем напряжение на стороне p , мы говорим, что диод находится под обратным смещением .Одно из применений диодов с обратным смещением — это стабилитроны .

p — n переходной диод при обратном смещении. Сторона p синяя; сторона n красная.
Обратное смещение
При обратном смещении сторона n удерживается под более высоким напряжением, чем сторона p . Если приложенное напряжение составляет В , то полная разность потенциалов на диоде становится равной В _{обратное} _{смещение} = В ₀ + В (где В ₀ — потенциал барьера ).
Следовательно, на рисунке выше свободные электроны на стороне n (отрицательный заряд) будут испытывать силу дрейфа вправо (к положительному катоду). Как и прежде, они также испытывают диффузную силу слева. Электроны, которые находятся рядом с областью пространственного заряда, будут испытывать наибольшую диффузионную силу, так как они находятся ближе всего к месту диффузии; эти электроны диффундируют в область пространственного заряда. Электроны, находящиеся дальше от области пространственного заряда, будут испытывать большую силу дрейфа, чем диффузионную силу, и поэтому будут дрейфовать вправо.В то же время отверстия на стороне p будут испытывать силу сноса к левому и силу рассеивания к правому . Тогда произойдет обратное с электронами на стороне n: дырки, расположенные ближе всего к центру, будут диффундировать в область пространственного заряда, где они будут рекомбинировать с диффундирующими электронами. Дырки, наиболее удаленные от области объемного заряда, будут дрейфовать к аноду. Усиленная рекомбинация из-за диффузии и миграция носителей из области пространственного заряда из-за дрейфа объединятся, чтобы произвести общий эффект более широкой области пространственного заряда.
Теперь рассмотрим неосновных носителей в их соответствующем материале. Для свободного электрона в материале p-типа сила дрейфа направлена вправо. Диффузионная сила ничтожна, потому что плотность неосновных носителей мала (по определению!). Когда этот электрон движется вправо, он, вероятно, рекомбинирует с дыркой. Однако некоторые электроны пересекают сторону p без рекомбинации и попадают в область пространственного заряда, где их толкает электрическое поле.[Противоположное произойдет для отверстий на стороне n ] Результатом является небольшой ток, направленный влево, называемый током насыщения . Для диодов с переходом p — n , изготовленных из кремния, ток насыщения составляет порядка наноампера, 10 ^-9 A.
Пока диод смещен в обратном направлении, ток насыщения обычно не зависит от звездная величина V ; однако, если В станет слишком большим, диод выйдет из строя и пропустит практически любое количество тока.Эта характеристика называется пробоем , и она обычно разрушает переходные диоды p — n . p — переходные диоды n , которые предназначены для использования при пробое, называются стабилитронами .
Стабилитроны
Стабилитроны — это просто диоды с обратным смещением, которые могут выдерживать работу в условиях пробоя. По мере увеличения напряжения обратного смещения стабилитроны продолжают проводить постоянный ток (ток насыщения), пока не будет достигнуто определенное напряжение.При этом напряжении, известном как напряжение пробоя , , В, _Z, диод выйдет из строя и пропустит почти любое количество тока. Поэтому при пробое величина тока определяется другими элементами схемы (действующим сопротивлением, источниками тока и т. Д.). Напряжения пробоя могут находиться в диапазоне от 1 до 100 В.
Условное обозначение цепи для стабилитрона
Пробой в стабилитронах вызывается двумя разными, но похожими способами: лавинным эффектом и эффектом стабилитрона.Лавинный эффект возникает, когда разность потенциалов на переходе p — n становится настолько большой, что свободные электроны, пересекающие переход, получают достаточно энергии, чтобы выбить другие ковалентно связанные электроны из своих связей, столкнувшись с ними. Это столкновение создает новую пару электрон-дырка. Затем процесс повторяется, вызывая цепную реакцию; почти мгновенно может образоваться огромная «лавина» носителей заряда. Этот поток новых носителей заряда представляет собой очень внезапное увеличение тока через диод.
Эффект Зенера возникает, когда электрическое поле, создаваемое областью пространственного заряда, становится настолько сильным, что может оторвать ковалентно связанные электроны от их связей. Это также создает новую пару электрон-дырка, которая будет быстро разделена сильным электрическим полем. Когда электрическое поле становится достаточно сильным, чтобы разделять много электронов и дырок одновременно, в результате возникает большой скачок тока.
Стабилитроны находят полезное применение в электронике. Поскольку они пропускают большой ток, они могут рассеивать большое количество энергии ( P = IV ).Стабилитроны также используются в регуляторах напряжения, устройствах, которые принимают переменное входное напряжение и выдают постоянное напряжение. Простейший регулятор напряжения можно создать, включив стабилитрон последовательно с резистором.
Защита от обратного тока с использованием диода
В прошлом посте мы обсуждали различные типы диодов. В этом посте мы узнаем о защите от обратного тока с помощью диодов. Это основное, но важное применение диода.
Концепция: обратный ток

< Предыдущая		Следующая >

Когда напряжение на выходе системы больше входного, ток течет от выхода к входу через цепь.Этот ток известен как обратный ток. Это увеличивает рассеиваемую мощность в цепи. Это может повредить внутреннюю схему, схему источника питания, кабели и разъемы. Простейшая защита от обратного тока — это диод, включенный последовательно с питанием.

Защита от обратного тока с использованием диода

Рассмотрим схему выше. Когда батарея подключена с правильной полярностью, диод загорится, и цепь будет работать нормально. Когда батарея подключена с обратной полярностью, прямого напряжения недостаточно для включения диода.В этом случае диод действует как разомкнутая цепь, разрывая цепь. Это привело к защите нагрузки от обратного тока.

Диод свободного хода

Внезапное изменение тока питания индуктивной нагрузки (например, реле, двигателя) вызывает скачки напряжения на ней. Эти (отрицательные) скачки напряжения приводят к обратному ходу, который может повредить близлежащие компоненты схемы. Для защиты компонента от обратного хода используется диод. Этот диод дает сигнал отрицательного напряжения безопасный путь к разряду (т.е.е. пиковый сигнал проходит через индуктивность и диод снова и снова, пока не станет равным нулю).

Диод в схеме на основе микроконтроллера

Рассмотрим схему с обычным диодом, реле на 12 В и транзистором, выполняющим роль переключателя. Уменьшение тока уменьшает магнитное поле, как только реле выключается. Это изменение магнитного поля вызывает ток. Индукционный ток генерирует высокое напряжение на транзисторе при отсутствии диода на реле. Для защиты транзистора используется диод, называемый диодом свободного хода.Его также называют возвратным диодом или демпфирующим диодом .

Ограничение диодов для защиты от обратного тока

Использование диода последовательно с батареей — простое и дешевое средство защиты от обратного тока. Но у этого есть обратная сторона. Тепло, выделяемое в диоде при защите схемы от обратного тока, может быть достаточно высоким, чтобы его перегореть.

Вырабатываемая мощность = В _F x Ток

Для обычного диода 1N4007, имеющего В _F = 1.1 В и в предположении нагрузки с током 1,5 Ампер.

Выработанная мощность = 1,1 x 1,5 = 1,65 Вт

Итак, мы имеем дело с теплом 1,65 Вт (потраченная впустую мощность) . При разработке электроники мы должны ограничивать рассеиваемую мощность до минимально возможного значения. Итак, давайте сделаем это более эффективно.

Теперь рассмотрим диод Шоттки MBD101 с типичным В _F = 0,5 В вместо обычного диода. Сейчас,

Выработанная мощность = 0.5 x 1,5 = 0,75 Вт

Чем выше прямое напряжение, тем больше выделяется тепла. Следовательно, диод Шоттки является разумным выбором для защиты от обратного тока. При выборе диода Шоттки следует позаботиться о его обратном токе утечки. Величина обратного тока утечки должна быть как можно меньше. Следовательно, уменьшение прямого напряжения приведет к уменьшению рассеиваемой мощности, а с диодом Шоттки рассеиваемая мощность будет минимальной (например, 0,2 Вт или ниже).

Диод для защиты от обратного тока хорош, когда нет проблемы рассеивания мощности. Очень скоро мы увидим другой эффективный метод защиты от обратного тока. Это все для этого поста. Спасибо за прочтение.

Новый переключатель нагрузки подчеркивает место «истинной блокировки обратного тока»

Растущая потребность в высоковольтной электронике (например, в центрах обработки данных и электромобилях) изменила определение того, что нужно ЭЭ, от интегрального компонента, полевого транзистора.Например, приложения с высокой мощностью создали огромный спрос на полевые транзисторы с минимально возможным R _{DS (on)}, которые будут использоваться в качестве переключателей нагрузки.

Понижение R _{DS (on)} помогает минимизировать энергопотребление в виде потерь ИК-излучения — факт, который вызвал большой интерес к полупроводникам с широкой запрещенной зоной.

Полупроводники с широкой запрещенной зоной исследуются для мощных и высокочастотных приложений. Изображение предоставлено Texas Instruments

Тем не менее, проблемы на этом не заканчиваются.Высоковольтная электроника представляет еще одну серьезную проблему для полевых транзисторов в качестве переключателей нагрузки: защита от обратного тока. Diodes Incorporated стремится решить эту проблему с помощью своего новейшего продукта: силового полевого транзистора с p-каналом, разработанного с «настоящей блокировкой обратного тока».

Датчики нагрузки в высоковольтной электронике

В высоковольтных приложениях разработчики должны найти способ экономии энергии любым возможным способом. Один из способов добиться этого — встроить в схему переключатели нагрузки.

Выключатели нагрузки

— это просто средство подключения или отключения нагрузки от шины напряжения по мере необходимости, гарантируя, что нагрузка не потребляет мощность, когда она не используется. Обычно это реализуется с помощью одного или двух полевых МОП-транзисторов между шиной напряжения и нагрузкой, управляемых внешним логическим сигналом.

Пример схемы переключателя нагрузки. Изображение предоставлено ON Semiconductor

В приведенном выше примере схемы переключатель нагрузки PMOS смещен R1, так что, когда сигнал разрешения низкий, PMOS выключен, что означает, что V _IN и V _OUT изолированы друг от друга.Когда разрешающий сигнал становится высоким, затвор PMOS заземляется, эффективно соединяя нагрузку на V _OUT с шиной напряжения на V _IN.

Проблемы с высоким напряжением

Понимая, как выглядят эти схемы, мы можем понять, как высоковольтные приложения могут создавать дополнительные проблемы.

Ссылаясь на пример схемы, по мере увеличения напряжения (а затем и тока) тот же проходной полевой транзистор будет потреблять больше энергии при том же R _{DS (on)}.Эта проблема с питанием вдохновила на крупные инвестиции в новое поколение полевых транзисторов с более низким сопротивлением в канале, чтобы снизить энергопотребление в таких приложениях.

Механизм обратного тока в приложении проходного переключателя. Изображение предоставлено ROHM Semiconductor

Другой проблемой в высоковольтных приложениях является обратный ток. Из-за физической схемы полевого МОП-транзистора паразитный диод существует между стоком устройства и выводом истока.Следовательно, если V _OUT когда-либо становится больше, чем V _IN, этот паразитный диод становится смещенным в прямом направлении и вызывает огромный скачок тока от V _OUT к V _IN, известный как обратный ток.

Обратный ток стал более серьезной проблемой в этих приложениях, поскольку более высокие напряжения приводят к более высоким обратным токам, которые могут оказаться катастрофическими для электрических систем.

Концепция истинной блокировки обратного тока от Diodes Incorporated

Чтобы решить обе эти проблемы, Diodes Incorporated выпустила на этой неделе новый продукт: полевой транзистор с p-каналом, специально предназначенный для приложений переключения проходов с низким энергопотреблением.

Новый полевой транзистор, получивший название AP22916, отличается уменьшенным сопротивлением R _{DS (on)} до 60 миллиом при 5 В, током покоя 0,5 мкА, а также функцией, называемой «истинной блокировкой обратного тока» (TRCB).

Функциональная блок-схема AP22916. Изображение предоставлено Diodes Incorporated

Согласно Toshiba, TRCB отличается от традиционной блокировки обратного тока, потому что TRCB блокирует поток обратного тока, когда переключатель нагрузки включен или отключен, тогда как традиционные методы обеспечивают защиту только тогда, когда переключатель нагрузки отключен.

Diodes Incorporated утверждает, что это реализовано в ее новом коммутаторе посредством внутреннего компаратора обратного напряжения, постоянно сравнивая V _IN и V _OUT и позволяя «истинную» блокировку обратного тока.

Как найти место в портативных приложениях

С R _{DS (on) на} ниже, чем у предыдущих решений, и встроенным TRCB, новый продукт от Diodes Incorporated может быть полезным решением для инженеров, занимающихся проектированием в областях с высокой мощностью.

Типовая прикладная схема для AP22916. Изображение предоставлено Diodes Incorporated

В корпусе размером с микросхему (0,78 мм x 0,78 мм x 0,45 мм) AP22916, по-видимому, обеспечивает высокую удельную мощность в портативных приложениях, в том числе мобильных устройствах, носимых устройствах и устройствах GPS.

Изображение предоставлено Diodes Incorporated

Исследование взаимосвязи между обратным током солнечных элементов из кристаллического кремния и проводимостью шунтирующего диода

В процессе производства солнечных элементов из кристаллического кремния существуют некоторые солнечные элементы, обратный ток которых превышает 1.0 А из-за кремниевых материалов и процесса. Если такие солнечные элементы инкапсулировать в солнечные модули, возникнет явление «горячей точки». В данной работе исследовалось влияние обратного тока на надежность солнечных модулей из кристаллического кремния. На основе экспериментов, учитывая разную степень закрашивания ячеек, впервые была исследована связь между обратным током солнечных элементов из кристаллического кремния и проводимостью байпасного диода. Чтобы избежать образования горячих точек и выхода из строя солнечных модулей, обратный ток должен быть меньше 1.0 A для солнечных элементов из монокристаллического кремния 125 мм × 125 мм при напряжении смещения −12 В.

1. Введение

Все больше и больше людей убеждены, что технология солнечных элементов — это решение для нашего будущего энергоснабжения. Солнечные элементы из кристаллического кремния долгое время были рабочей лошадкой фотоэлектрической промышленности. Хотя испытания на выносливость в горячих точках для экстремальных внешних условий используются для процедур квалификационных испытаний, а байпасные диоды также встроены в солнечный модуль из кристаллического кремния, явление горячих точек все еще часто возникает на солнечных электростанциях.Это очень вредно для молодой фотоэлектрической промышленности.

Нагрев горячей точки в солнечных модулях из кристаллического кремния происходит, когда рабочий ток модулей превышает ток короткого замыкания слаботочного элемента. Сниженный ток короткого замыкания ячеек становится обратным смещением, что приводит к рассеянию мощности, что приводит к увеличению температуры поверхности [1–3].

Во избежание возникновения горячих точек на солнечной электростанции одним из технических требований к солнечным модулям из кристаллического кремния является выполнение критериев прохождения испытания на долговечность в горячих точках [4].Но на практике инфракрасная камера обнаруживает, что в некоторых модулях происходит нагрев горячей точки, даже если встроены обходные диоды. Одна из причин явления горячей точки заключается в том, что некоторые элементы имеют большой обратный ток в солнечных модулях из кристаллического кремния. Хотя некоторые специалисты по фотоэлектрической энергии исследовали обратный ток солнечных элементов из кристаллического кремния [5–8], никто не дает стандарта, который определяет величину обратного тока в процессе производства солнечных модулей, исходя из теоретических исследований или экспериментов.Этот вопрос все еще обсуждается в фотоэлектрической области. В этой статье анализируется происхождение обратного тока. Учитывая разную степень закрашивания ячеек, впервые была исследована связь между обратным током солнечных элементов из кристаллического кремния и проводимостью байпасного диода. Чтобы избежать образования горячих точек и выхода из строя солнечных модулей, обратный ток должен быть меньше 1,0 А для солнечных элементов из монокристаллического кремния 125 мм × 125 мм, когда напряжение смещения равно -12 В.

2. Происхождение обратного тока для солнечных элементов из кристаллического кремния

На рисунке 1 показана модель обратного смещения и обратная характеристика солнечных элементов из кристаллического кремния.

(a) Модель обратного смещения
(b) Обратные характеристики
(a) Модель обратного смещения
(b) Обратные характеристики

Рисунок 1 (a), ток протекает через солнечный элемент можно выразить как где — обратный ток кристаллического силиконового солнечного элемента при напряжении обратного смещения, которое ниже напряжения пробоя силиконового диода, — обратный ток утечки диода, и — сопротивление шунта.

Ток утечки P-N перехода при обратном смещении включает вклады диффузионного тока, тока генерации пространственного заряда; межзонный туннельный ток и ток термоэлектронной эмиссии. Эти типы шунтов вызваны обработкой, вызванной вросшими дефектами материала. Вызванные процессом шунты возникают из-за сильных участков рекомбинации на врастающих дефектах и инверсионных слоях, вызванных микроскопическими выделениями (SiC) на границах зерен [9]. Поскольку напряжение обратного смещения невелико, ток утечки может быть выражен как функция тока насыщения кремниевого диода и сопротивления шунта.Либо увеличение, либо уменьшение, обратный ток увеличивается с переменной, и эти два параметра определяют тип солнечного элемента.

Spirito и Abergamo различают клетки A-типа, в которых преобладает обратное смещение за счет лавинного умножения, и клетки B-типа, в которых преобладают эффекты шунтирующего сопротивления при обратном смещении [1]. Уравнение обратного смещения для ячеек A-типа: где, и имеют их обычное значение, — напряжение пробоя, — показатель Миллера.

В случае элементов B-типа уравнение, используемое авторами:

Характеристики различных типов солнечных элементов показаны на рисунке 1 (b).Обратные ВАХ отдельных ячеек в основном определяют мощность, рассеиваемую в одной ячейке при обратном смещении.

3. Влияние обратного тока на надежность солнечных модулей из кристаллического кремния

В общем случае обратный ток солнечных элементов из кристаллического кремния возникает из-за дефектов элементов и примесных центров в материалах и может быть представлен шунтирующим сопротивлением. . Мы выбрали 71 ячейку (125 мм × 125 мм), обратный ток которой меньше единицы.0 А при В и сопротивление шунта больше 20 Ом. И одна ячейка имеет обратный ток 2,008 А и шунтирующее сопротивление 12,88 Ом. Эти 72 одиночных кремниевых солнечных элемента соединены одним последовательно соединенным модулем, в который встроены три диода Шоттки. 24 ячейки были последовательно соединены байпасным диодом через каждую цепочку. Модули были замкнуты накоротко в течение нескольких дней при естественном солнечном свете; элемент, который имеет обратный ток 2,008 А при -12 В, частично затемнен, и после примерно 20 кВтч / м ² · день солнечного облучения в этом модуле образовалась горячая точка, как видно из рисунка 2.

(a) Схема солнечного модуля
(b) Явление горячей точки
(a) Схема солнечного модуля
(b) Явление горячей точки

Из рисунка 2 это ясно показывает, что нагрев фокуса на участках горячих точек вызывает необратимое разрушение структуры солнечного модуля из кристаллического кремния, даже если в этом солнечном модуле использовались байпасные диоды; это связано с тем, что затемненная ячейка рассеивала мощность в виде тепла и приводила к ухудшению герметичности.

На рис. 3 показана рассеиваемая мощность затененного элемента в солнечном модуле, показанном на рис. 2 (а).

Как показано на рисунке 3, чем меньше сопротивление шунта, тем больше мощности рассеивает заштрихованный элемент.
4. Исследование порога обратного тока при проводимости байпасного диода
Для изучения порога обратного тока, который может избежать появления горячей точки, эксперимент, разработанный нами, представлен на рисунке 4. Ячейки, используемые в этом эксперименте: 125 мм × 125 мм (154.8 см ²) солнечные элементы из монокристаллического кремния, а обратный ток двух вышеуказанных рядов элементов составляет менее 1,0 А при напряжении смещения −12 В. Обратный ток остальных элементов показан на рисунке 4.

На рисунке 5 пунктирная часть представляет одну ячейку, которая имеет другой обратный ток (0,8–3,0 А) и подключена соответственно.

В таблице 1 приведены значения напряжения на клеммах байпасного диода с разной степенью затемнения.
Обратный ток ячеек при напряжении смещения -12 В Напряжение на клеммах, когда ячейка не закрашена (В) Напряжение на клеммах, когда ячейка наполовину затенена (В) Напряжение на клеммах, когда ячейка полностью затенена (В)
0.8 А -5,83 0,23 0,25
0,9 A -5,83 0,18 0,25
1,0 A -5,83 0,15 0,25
1,1 A -5,83 0,09 0,14
1,2 A -5,84 0.05
1,3 А -5,82 -0,24
1,4 А -5,83
1,5 A -5,83
1,6 A -5,84
1,8 A -5,83 −1.12
2,0 А -5,82 −1,25
2,2 А -5,84 -1,47
2,4 А -5,85
2,6 A -5,83
2,8 A −5.82
3,0 А -5,83
Из таблицы 1 можно сделать вывод, что байпасный диод легко становится проводящим, когда обратный ток солнечных элементов меньше 1,0 А при напряжении смещения −12 В, так что мы можем объяснить, почему байпасный диод не работал, на рисунке 2.
Сравнивая таблицу 1 с нашими предыдущими экспериментальными результатами [10], мы обнаруживаем, что проводимость байпасного диода также имеет отношение к площади солнечного элемента из кристаллического кремния.
На рисунке 6 показаны ВАХ затененного фотоэлектрического модуля; ток модуля определяется точками пересечения между обратным I-V затененных ячеек и прямым I-V остальных ячеек.

(a) IV затененной ячейки 75%
(b) IV затененной ячейки 25%
(a) IV затененной ячейки 75%
(b) IV затененной ячейки 25%
Из этого эксперимента мы обнаружили, что чем больше обратный ток, тем больше рассеивается ячейка с обратным смещением, и это не способствует большей проводимости байпасного диода.Наклон ВАХ в режиме обратного смещения дает информацию о свойствах pn-перехода элемента в шунтирующем сопротивлении и влияет на наклон ВАХ элемента при обратном смещении, что приводит к высокому рассеянию мощности.
Для элементов с большим обратным током, помимо уровня освещенности и обратного тока, рассеиваемая мощность в затемненном солнечном элементе из кристаллического кремния сильно зависит от скорости затенения.
5. Выводы
В общем, чтобы избежать образования горячих точек для солнечных модулей из кристаллического кремния, подстроки ячеек внутри схемы межсоединения модулей перекрываются байпасными диодами, но проводимость байпасного диода определяется обратным током и скорость затенения заштрихованной ячейки.
Когда обратный ток больше 1,0 А при напряжении смещения -12 В для солнечных элементов из монокристаллического кремния 125 мм × 125 мм, затененный элемент не становится обратным смещением и байпасный диод не проводит; это приведет к необратимому повреждению клеток в горячих точках.
Экспериментально мы рекомендовали, чтобы обратный ток был меньше 1,0 А для солнечных элементов из монокристаллического кремния 125 мм × 125 мм, когда напряжение смещения равно -12 В.
Благодарности
Авторы хотели бы поблагодарить за поддержку Бюро науки и технологий по проекту №CXY 1123 и фонд американской компании Applied Materials Co. 201005. Это исследование также было поддержано фондами фундаментальных исследований для центральных университетов.
Обратные вольт-амперные характеристики металло-силицидных диодов Шоттки
Abstract
Мягкое поведение диодов с барьером Шоттки с обратным смещением часто трудно интерпретировать количественно. Разработка металло-силицидных устройств с диффузными защитными кольцами дала возможность экспериментально проверить развитую теоретическую модель.Обратные характеристики теперь можно точно предсказать в широком диапазоне тока, напряжения, высоты барьера и температуры. Теоретическое описание учитывает анизотропию эффективных масс, рассеяние на оптических фононах, а также квантово-механическое отражение и туннелирование на границе раздела металл-полупроводник. Эти соображения дают практические константы Ричардсона, равные 112 для электронов и 32 для дырок в кремнии. Отсутствие истинного насыщения на обратной характеристике обусловлено зависимостью эффективной высоты барьера от электрического поля.В дополнение к обычной коррекции силы изображения, высота барьера снижается за счет недавно признанного эффекта, приписываемого электростатическому дипольному слою на границе раздела металл-полупроводник. Экспериментальные устройства были изготовлены с использованием контактов RhSi, ZrSi ₂ и PtSi, образующих барьеры в кремнии типа n — и p . Полученные в результате структуры оказались чрезвычайно стабильными и однородными; кроме того, считается, что поверхность раздела металл-полупроводник, образованная химической реакцией твердое тело-твердое тело, не содержит промежуточных слоев оксида и других загрязняющих веществ.Когда необходимо исключить усиление поля на периферии электрода, в конструкции встраиваются диффузионные защитные кольца. Согласие между экспериментальными данными и теорией достигается примерно на пять порядков величины обратного смещения и одиннадцать порядков величины обратного тока плотности, обычно со среднеквадратичным отклонением менее 10%.
Резюме
Комплект двух диодов барьера Шоттки для инверсной поляризации и сложного результата для количественного анализа.Разработка диспозитивов металлических силикатов с диффузными защитными покрытиями и допуском к экспериментальной проверке в современной теоретической модели. Les caractéristiques d’inversion sont maintenant précisément prévisibles sur des gammes étendues de courant, de voltage, de hauteur de barrière, et de température. Теория описания, исследующая анизотропию эффективных масс, оптическую дисперсию фононов, оптическое восприятие и количественное механическое отражение в проводнике металла-деми.Сюда не входит рассмотрение постоянных требований Ричардсона égales à 112 для электронов и 32 для твердых веществ в кремнии. Отсутствие подлинной насыщенности в художественной выразительности и инверсии происходит из-за зависимости от электрического чемпиона высокого эффективного барьера. En plus de la corrective image-force, la hauteur de barrière est réduite par un effet nouvellement reconnu attribuéà une couche dipolaire électrostatique à l’interface métal-semi conducteur. Эксперименты на этих фабриках с контактами на RhSi, на ZrSi ₂ и на PtSi, образующие барьеры на основе кремния типа n aussi bien que du type p .Les Structures Qui en Resultent sont Trouvees être extrêmement stables et uniformes; Кроме того, интерфейс металл-полупроводник, производящий химическое соединение с твердым и твердым веществом, является очищающим средством для удаления оксидов и других загрязняющих веществ. Lorsqu’il est nécessaire d’éliminer des Caps sur la périphérie des électrodes, des cercles protecteurs diffusés sont incorporés dans les структур. On Obtient un Accord Entre les Données Expérimentales et la theorie sur près de cinq ordres de grandeur en polarization inverse et onze ordres de grandeur en densité de courant inverse, нормальное изменение de la racine moyenne carrée pour de moins de 10 cent.
Zusammenfassung
Der weiche Durchbruch von Schottky-Dioden ist meist schwierig Quantitativ zu beschreiben. Die Entwicklung von Metallsilizid-Strukturen mit eindiffundiertem Schutzeringhates nun ermöglicht ein verbessertes Modell Experimentell zu prüfen. Die Sperrcharakteristiken können jetzt sehr genau vorhergesagt werden in einem weiten Bereich für Strom, Spannung, Barrierenhöhe und die Temperatur. Теоретические основы работы с анизотропией эффективных массен, световые эффекты и оптические фононные звуковые эффекты, количественные механические отражения и туннельные эффекты на Grenzfläche zwischen Metall und Halbleiter.Die Betrachtungen liefern praktische Werte für die Richardson Konstante von 112 für Elektronen und 32 für Löcher в Силициуме. Die fehlende Sättigung in der Sperrkennlinie wird durch die Feldabhängigkeit derffektiven Barrierenhöhe hervorgerufen. Zur gewohnten Bildkraftkorrektur kommt noch eine Barrier-enabsenkung durch den neuerlich erkannten Einfluss einer elektrostatischen Dipolschicht an der Metall-Halbleiter-Grenzfläche. Proben wurden hergestellt mit RhSi-, ZrSi ₂ — und PtSi-Kontakten, die sowohl mit n — als auch mit p -Typ-Silizium eine Barriere bilden.Die gewonnenen Strukturen waren extrem stable und gleichmässig und es wird vermutet, dass die durch chemische Festkörperreaktion gebildete Metall-Halbleiter-Grenzfläche frei ist von Zwischenschichten aus Oxiden und anderen Verunreinigungung. Wenn es nötig war, wurde die Felderhöhung an der Randzone der Elektroden durch einen in die Struktur eindiffundierten Schutzring beseitigt. Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment ergab sich über einen Bereich von nahezu fünf Grössenordnungen für die Sperrspannung und von elf Grössenordnungen für die Sperrstromdichte bei einer Abwezen von mens.
Рекомендуемые статьиЦитирующие статьи (0)
Полный текст
Copyright © 1970 Издатель Elsevier Ltd.
Рекомендуемые статьи
Цитирующие статьи
Реле обратного тока типа 32
Общие
Реле обратного тока Swartz тип 32 — это изолированный датчик тока, который используется с положительными или отрицательными проводниками в распределительных сетях постоянного тока. Основная функция детектора — контролировать низкие уровни обратного тока фидера.Все органы управления на передней панели откалиброваны в милливольтах, поэтому детектор можно использовать с любым шунтом.
Тест
Встроенный контроль калибровки (CAL) с переменными настройками от 0 до 20 мВ и кнопочный переключатель мгновенного действия (TEST) позволяют функциональную проверку обратного порога. Тестовый ток можно считать на измерителе или на тестовых разъемах «SIG OUT», где 0,5 В на тестовых разъемах равняется 50 мВ на шунте. Испытательный ток добавляется к любому току, уже присутствующему на шунтирующих выводах.
Цифровой измеритель
Измеритель показывает от 0 до 20 мВ
Мощность
Зеленый светоизлучающий диод (LED) показывает, что извещатель подключен к питанию и работает.Если этот светодиод не горит, либо входное питание отключено, либо перегорел внутренний предохранитель на 1 А. В любом случае выход является отказоустойчивым и должен вызвать отключение подстанции.
Ноль
Эта регулировка компенсирует небольшие смещения в высоковольтном изоляторе и требует регулировки только тогда, когда на подстанции изначально установлен блок максимального тока. При нулевом шунтирующем токе (размыкатель постоянного тока или нулевые нагрузки) измерьте напряжение «SIG OUT» с помощью цифрового вольтметра Fluke 8024A или аналогичного. Отрегулируйте ноль для.000 + 0,002 вольт. Для достижения наилучших результатов следует выделить пятиминутный или более длительный период разминки. Обратите внимание, что смещение незначительно варьируется в зависимости от установки. Например, смещение изменится на величину до 1 мВ, когда детектор испытывается на стенде вне его корпуса.
Канал мгновенного максимального тока
Этот канал реагирует на обратные «мгновенные» уровни тока от 0 до 20 мВ, установленные системой управления. Вход из изолятора подвергается RC-фильтру, так что всплески тока или шум подавляются во избежание ложных срабатываний.Буферизованный тестовый разъем предназначен для высокоточной регулировки порога срабатывания с помощью цифрового вольтметра. Красный светодиод загорается, указывая на то, что произошло отключение.
Настройка порога «срабатывания»
Подключите общий провод цифрового вольтметра к «SIG OUT-COM». Подключите положительный провод (+) к разъему мгновенного тестирования. Используя диапазон 200 мВ на DVM, отрегулируйте датчик срабатывания для желаемого уровня срабатывания. Обратите внимание, что калибровка ручки для этого элемента управления является приблизительной (+ 10%). В качестве альтернативного метода настройки этого элемента управления примените уровень срабатывания к шунтирующим проводам или с помощью элементов управления «КАЛИБРОВКА / ТЕСТ».Нажимая переключатель CAL / TEST, отрегулируйте ручку PICKUP до тех пор, пока мгновенно не загорится светодиодный индикатор. Нажмите RESET для сброса светодиода
.
Получите полную информацию в описании продукта ниже
.