Основные параметры полупроводникового диода. Основные параметры и характеристики полупроводниковых диодов — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Какие основные параметры характеризуют работу полупроводникового диода. Что такое прямое и обратное напряжение диода. Как влияет температура на характеристики диода. Какие типы диодов существуют и в чем их особенности.

Содержание

Принцип работы и структура полупроводникового диода

Полупроводниковый диод — это электронный компонент с двумя выводами, который пропускает электрический ток преимущественно в одном направлении. Его основой является p-n переход, образованный на границе между полупроводниками p- и n-типа.

Основные элементы структуры диода:

Полупроводниковый кристалл с p-n переходом
Металлические выводы (анод и катод)
Корпус для защиты от внешних воздействий

При подаче прямого напряжения (плюс на анод, минус на катод) диод открывается и пропускает ток. При обратном включении диод закрыт и ток практически не проходит.

Вольт-амперная характеристика диода

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода имеет нелинейный вид и состоит из двух участков:

Прямая ветвь — при прямом включении ток резко возрастает после достижения порогового напряжения
Обратная ветвь — при обратном включении протекает очень малый ток утечки

Какие основные параметры можно определить по ВАХ диода? Прямое падение напряжения, прямой ток, обратное напряжение, ток утечки.

Основные статические параметры диодов

К важнейшим статическим параметрам диодов относятся:

Максимальное прямое напряжение U_{пр.макс}
Максимальный прямой ток I_{пр.макс}
Максимальное обратное напряжение U_{обр.макс}
Обратный ток I_обр
Дифференциальное сопротивление r_диф

Как определяются эти параметры? Максимальное прямое напряжение и ток задают предельный режим работы диода. Обратное напряжение определяет допустимое напряжение в закрытом состоянии. Обратный ток характеризует качество запирания диода.

Влияние температуры на характеристики диода

Температура оказывает существенное влияние на параметры диода:

С ростом температуры уменьшается прямое падение напряжения
Увеличивается обратный ток утечки
Снижается максимально допустимое обратное напряжение

Почему важно учитывать температурную зависимость? Это позволяет правильно выбрать режим работы диода и обеспечить его надежность в реальных условиях эксплуатации.

Динамические параметры диодов

При работе на высоких частотах важную роль играют динамические параметры диодов:

Барьерная емкость p-n перехода C_бар
Диффузионная емкость C_диф
Время обратного восстановления t_вос

Как эти параметры влияют на работу диода? Барьерная и диффузионная емкости ограничивают быстродействие диода. Время обратного восстановления определяет максимальную рабочую частоту.

Основные типы полупроводниковых диодов

В зависимости от назначения и особенностей конструкции выделяют следующие типы диодов:

Выпрямительные диоды
Импульсные диоды
Стабилитроны
Варикапы
Светодиоды
Фотодиоды

В чем заключаются особенности каждого типа диодов? Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный. Импульсные диоды обладают малым временем переключения. Стабилитроны используют для стабилизации напряжения. Варикапы применяют в качестве управляемых емкостей. Светодиоды излучают свет при прохождении тока. Фотодиоды генерируют ток под действием света.

Применение полупроводниковых диодов

Основные области применения полупроводниковых диодов:

Выпрямление переменного тока

Детектирование сигналов
Стабилизация напряжения
Защита от перенапряжений
Формирование импульсов
Оптоэлектронные устройства

Благодаря каким свойствам диоды используются в этих приложениях? Нелинейность вольт-амперной характеристики, односторонняя проводимость, наличие области электрического пробоя позволяют реализовать различные функциональные устройства на основе диодов.

Маркировка и условные графические обозначения диодов

Для идентификации диодов используется буквенно-цифровая маркировка, содержащая информацию о типе и основных параметрах. На схемах диоды обозначаются специальными символами.

Какую информацию можно получить из маркировки диода? Тип полупроводника, функциональное назначение, максимальный ток, обратное напряжение и другие ключевые параметры.

Выбор диодов для практического применения

При выборе диода для конкретного применения необходимо учитывать следующие факторы:

Максимальный прямой ток
Допустимое обратное напряжение
Быстродействие

Рабочая частота
Температурный диапазон
Мощность рассеяния

Как правильно выбрать диод с запасом по параметрам? Рекомендуется выбирать диод с 30-50% запасом по току и напряжению относительно расчетных значений. Это обеспечит надежную работу устройства.

Полупроводниковые диоды Параметры и характеристики

Полупроводниковые диоды

Диоды – полупроводники, которые пропускают ток в одном направлении. Выводы диода называют анодом А и катодом К.

Если приложено положительное напряжение UAK > 0, то диод работает в прямом направлении. При отрицательном напряжении UAK < 0, диод заперт. Обратный ток всегда на несколько порядков меньше, чем прямой.

Режим работы диода определяется его вольт-амперной характеристикой (ВАХ) I = f(UAK). Типовая характеристика диода представлена на рис. 4.2. Прямой ток резко возрастает при малых положительных напряжениях UAK. Однако он не должен превышать определенного максимального значения Iмакс, так как иначе произойдет перегрев и диод выйдет из строя. Приближенно ход характеристики может быть описан значениями прямого напряжения UПР при токах порядка 0,1Iмакс. Для германия UПР находится в пределах от 0,2 по 0,4 В, для кремния от 0,5 до 0,8 В.

Таким падением напряжения можно пренебречь, и тогда диод можно рассматривать как проводник, пропускающий ток только в одном направлении.

Для диодов общего назначения обратный ток очень мал и составляет нано- и микроамперы. Его, как правило, можно не принимать во внимание до тех пор, пока напряжение на диоде не достигнет напряжения пробоя. Для диодов общего назначения это напряжение составляет десятки и сотни вольт. Обратный ток при напряжениях |UAK| > UОБР.макс возрастает до значений, соизмеримых с прямым током. Обычные диоды в этой области не могут работать, так как в них происходит локальный перегрев, приводящий к выходу диодов из строя. Все полупроводниковые приборы можно разделить на две группы: выпрямительные и специальные. Выпрямительные диоды, как следует из самого названия, предназначены для выпрямления переменного тока. В зависимости от частоты и формы переменного напряжения они делятся на высокочастотные, низкочастотные и импульсные. Специальные типы полупроводниковых диодов используют различные свойства p-n переходов: явление пробоя, барьерную емкость, наличие участков с отрицательным сопротивлением и др.

Рис.4.2. ВАХ диода

Выпрямительные диоды обычно характеризуют набором статических и динамических параметров. К статическим параметрам диода относятся:

падение напряжения UПРна диоде при некотором значении прямого тока;
обратный ток IОБР при некотором значении обратного напряжения;
среднее значение прямого тока IПР.СР.;
максимальное значение обратного напряжения UОБР.

К динамическим параметрам диода относятся его временные или частотные характеристики. К таким параметрам относятся:

время восстановленияtВОС обратного напряжения;
время нарастания прямого тока IНАР;
предельная частота без снижения режимов диода fмакс.

Статические параметры можно установить по вольт-амперной характеристике диода. Время обратного восстановления диода tВОСявляется основным параметром выпрямительных диодов, характеризующим их инерционные свойства. Переключение диода из проводящего состояния в закрытое происходит не мгновенно, так как при этом p-n переход должен освободиться от накопленного заряда.

Эффект накопления заряда можно пояснить на примере простого выпрямителя. В качестве входного напряжения используется напряжение прямоугольной формы. Когда входное напряжение UВХположительно, диод открывается и выходное напряжение равно прямому напряжению на диоде. Когда UВХотрицательно, диод закрывается и IД = IОБР. Из рис.4.3 видно, что это происходит по истечении времени восстановления tВОС, которое тем больше, чем больше прямой ток p-n перехода. По существу, происходит рассасывание зарядов на границе p-n перехода (т.е. разряд эквивалентной емкости).

Рис. 4.3. Импульсный режим работы диода

Обычно значение времени накопления для маломощных диодов составляет 10 – 100 нс. Для мощных диодов эта величина находится в диапазоне микросекунд. Период колебаний входного напряжения должен быть больше времени накопления, в противном случае теряются выпрямительные свойства диода.

Исследование статических характеристик полупроводниковых диодов

Работа выполняется в лаборатории с удаленным доступом.

1 Цель работы

Изучить устройство полупроводникового диода, физические процессы, происходящие в нем, характеристики, параметры, а также типы и применение полупроводниковых диодов.

2 Подготовка к работе

2.1 Изучить следующие вопросы курса:

Электрические свойства полупроводников. Собственные и примесные полупроводники.
Электронно-дырочный переход, его характеристики и параметры. Прямое и обратное включение p-n перехода.
Вольтамперные характеристики и параметры полупроводниковых диодов, выполненных из различных материалов.
Влияние температуры на характеристики и параметры диодов.
Типы полупроводниковых диодов, особенности их устройства, работы и характеристики. Применение.

2.2 Ответить на следующие контрольные вопросы:

Что такое собственная и примесная проводимость полупроводника?
Объяснить образование электронно-дырочного перехода.
Что такое контактная разность потенциалов? Как она образуется?
Чем определяется толщина p-n перехода?
Нарисовать потенциальные диаграммы p-n перехода при отсутствии внешнего напряжения, и при включении его в прямом и обратном направлениях?

Рассказать о прохождении токов через p-n переход: при отсутствии внешнего напряжения, при прямом включении и при обратном включении.
Сравнить теоретическую и реальную вольтамперную характеристики p-n перехода, указать участки, которые соответствуют состоянию электрического и теплового пробоя.
Сравнить вольтамперные характеристики p-n переходов, изготовленных из G e, Si.
Что такое барьерная и диффузионная емкости p-n перехода? Дать определение.
Нарисовать и объяснить вольтамперные характеристики p-n перехода для различных значений температуры.
Перечислить основные параметры полупроводниковых диодов (номинальные и предельные).
Дать определение дифференциальных параметров и пояснить их физический смысл.
Объяснить принцип действия, особенности устройства и применения полупроводниковых диодов различных типов: выпрямительных, высокочастотных, импульсных, стабилитронов, варикапов. Указать их основные параметры.
Нарисовать условные обозначения выпрямительных диодов, стабилитронов, варикапов и схемы, в которых используются эти приборы.
Какими способами можно увеличить допустимую мощность, рассеиваемую диодом?

3 Схемы исследования

На рисунке 1.1 приведена схема для снятия вольтамперных характеристик диодов в прямом направлении. При измерении обратного тока (рисунок 1.2) изменяется полярность подводимого напряжения. Для исследования характеристики стабилитрона используется схема, приведенная на рисунке 1.3. На рисунке 1.4 приведена схема для исследования однополупериодного выпрямителя. Используется германиевый диод.

Рисунок 1.1 — Схема снятия вольтамперных характеристик диодов в прямом направлении

4 Порядок проведения лабораторной работы

4. 1 Для снятия вольтамперных характеристик диодов при прямом включении вывести на экран дисплея схему (рисунок 1.1). Для этого выбрать «Лабораторная работа №1». Затем «Прямое включение» и «Начать эксперимент».

4.2 Последовательно снять вольтамперные характеристики германиевого и кремниевого диодов Iпр=f(Uпр) Для этого подвести курсор к тумблеру с обозначением диода и выбрать один из диодов, например, Д7Ж.

4.3 Подвести курсор на ручку «Напряжение» и вращая ручку по часовой стрелке снять ВАХ. Характеристика вырисовывается на экране графопостроителя. Заполнить таблицу 1.1а.
Примечание. При быстром изменении напряжения на диоде характеристика может получиться не монотонной. Для повторного исследования осуществить очистку экрана осциллографа и произвести повторное исследование.

Таблица 1.1а — Диод Д7Ж

Uпр, В	..	..	. .	..	..	..	..	..	..
Iпр, мА	0	1	2	3	4	5	6	7	8

4.4 Провести исследование второго диода. Для этого переключить тумблер на другой тип диода. Осуществить сброс приборов в нулевое положение и снять ВАХ. Заполнить таблицу 1.1б.

Таблица 1.1б — Диод Д220

Uпр, В	..	..	..	..	..	..	..	..	..
Iпр, мА	0	1	2	3	4	5	6	7	8

Прекратить эксперимент.

4.5 Определить, какой из диодов выполнен из германия, какой из кремния.

4.6 Исследовать вольтамперную характеристику диода при обратном включении (рисунок 1.2.).
Заполнить таблицу 1.2.

Рисунок 1.2 — Схема снятия вольтамперных характеристик диодов в обратном направлении

Таблица 1.2 — Диод Д7Ж

Uобр, В	0	-1	-2	-3	-4	-5
Iобр, мкА	..	..	..	..	..	..

4.7 Провести исследование стабилитрона Д814А.(рисунок 1.3)
Заполнить таблицу 1.3.

Рисунок 1.3 — Схема исследования характеристики стабилитрона

Таблица 1.3 — Стабилитрон Д 814А

Uст, В	..	..	..	..	..	. .	..	..	..
Iст, мА	..	..	..	..	..	..	..	..	..

4.8 Исследовать однополупериодный выпрямитель (рисунок 1.4). Зарисовать осциллограммы напряжения генератора на входе и напряжения на нагрузке при двух различных значениях переменного напряжения 2 и 8 вольт.

Рисунок 1.4 — Схема исследования однополупериодного выпрямителя

5 Указания к составлению отчета

Привести схемы исследования полупроводниковых диодов.
Привести таблицы с результатами измерений.
Привести вольтамперные характеристики (график 1) германиевого и кремниевого диодов для прямого включения.
По характеристикам определить сопротивления постоянному току и дифференциальные сопротивления при прямом токе 4 мА для каждого из диодов. Результаты занести в таблицу 1. 3.

Таблица 1.3

Диод	Rпр	Rпр диф	Rобр	Rобр диф
Д7А	..	..	..	..
Д220	..	..	..	..

На графике №2 привести вольтамперную характеристику диода Д7Ж при обратном включении. По графику определить сопротивления постоянному току и дифференциальные сопротивления диода при напряжении 3 В.
На графике №3 привести ВАХ стабилитрона Iст=f(Uст).
Привести осциллограммы, полученные при исследовании выпрямителя (сигнал на входе и на выходе). Осциллограммы располагать одна под другой без сдвига по времени.
Сделать выводы по проделанной работе.

Литература

Игнатов А.Н., Калинин С.В., Савиных В.Л. Основы электроники, — СибГУТИ, Новосибирск, 2005, стр. 119-121.
Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника. /Под редакцией Федорова Н.Д. -М: Радио и связь, 1998. Стр. 11-66.
Электронные приборы. /Под редакцией Шишкина Г.Г. -М.: Энергоатомиздат, 1989. Стр. 12-43, 54-88, 97-129.
Батушев В.А. Электронные приборы. -М.: Высшая школа, 1980. Стр. 29-85.
Савиных В.Л. Физические основы электроники. – СибГУТИ, Новосибирск, 2002. Электронная версия.
Справочники по полупроводниковым диодам.

Top 15 Определение и параметры диода, которые вы должны знать

Диод имеет различные параметры и определения, связанные с ним. В этом посте вы узнаете 14 лучших определений и параметров диода.

Производители полупроводников предоставляют подробные спецификации своей продукции, включая диоды, в публикациях, известных как спецификаций . Спецификации для широкого спектра полупроводниковых компонентов можно найти в справочниках и в Интернете. Я предпочитаю Интернет в качестве источника спецификаций компонентов, потому что все данные, полученные с веб-сайтов производителей, актуальны.

Типовое техническое описание диода содержит значения следующих параметров:

Содержание

1 Смещение диода
2 Прямое падение напряжения на диоде
3 Пиковое обратное напряжение
4 Максимальное обратное обратное напряжение постоянного тока
4
6 Максимальное прямое напряжение
7 Максимальный (средний) прямой ток
8 Максимальный (пиковый или импульсный) прямой ток
9 Максимальное общее рассеяние
10 Температура рабочего соединения
11. как смещение диода
Диод Прямое падение напряжения
Падение напряжения на проводящем диоде с прямым смещением называется прямым напряжением
- Кремниевые диоды имеют прямое напряжение примерно 0,7 В
- Германиевые диоды имеют прямое напряжение примерно 0,3 В
Пиковое обратное напряжение
называется номиналом пикового обратного напряжения или PIV .
Максимальное повторяющееся обратное напряжение
Максимальное повторяющееся обратное напряжение = В _RRM , максимальное напряжение, которое диод может выдержать в режиме обратного смещения в повторяющихся импульсах. В идеале эта цифра должна быть бесконечной.
Максимальное обратное напряжение постоянного тока
Максимальное обратное напряжение постоянного тока = В _R или В _{постоянного тока} , максимальное напряжение, которое диод может выдерживать в режиме обратного смещения на постоянной основе. В идеале эта цифра должна быть бесконечной.
Максимальное прямое напряжение
Максимальное прямое напряжение = V _F , обычно указывается при номинальном прямом токе диода. В идеале эта цифра должна быть равна нулю: диод не оказывает никакого сопротивления прямому току. На самом деле прямое напряжение описывается «уравнением диода».
Максимальный (средний) прямой ток
Максимальный (средний) прямой ток = I _F(AV) , максимальное среднее значение тока, которое диод может проводить в режиме прямого смещения. По сути, это тепловое ограничение: сколько тепла может выдержать PN-переход, учитывая, что рассеиваемая мощность равна току (I), умноженному на напряжение (V или E), а прямое напряжение зависит как от тока, так и от температуры перехода. В идеале эта цифра должна быть бесконечной.
Максимальный (пиковый или бросковый) прямой ток
Максимальный (пиковый или бросковый) прямой ток = I _FSM или i _{f(бросок)} , максимальное пиковое значение тока, которое диод может проводить в режиме прямого смещения. Опять же, этот рейтинг ограничен тепловой емкостью диодного перехода и обычно намного выше, чем средний номинальный ток из-за тепловой инерции (тот факт, что диоду требуется конечное время для достижения максимальной температуры для данного тока) . В идеале эта цифра должна быть бесконечной.
Максимальное общее рассеивание
Максимальное общее рассеивание = P _D , количество мощности (в ваттах), допустимое для рассеивания диодом, с учетом рассеяния (P=IE) тока диода, умноженного на падение напряжения на диоде, а также рассеивание (P=I ² R) квадрата тока диода, умноженного на объемное сопротивление. Принципиально ограничен теплоемкостью диода (способностью выдерживать высокие температуры).
Рабочая температура перехода
Рабочая температура перехода = T _J , максимально допустимая температура PN-перехода диода, обычно указывается в градусах Цельсия (^o C). Тепло — это «ахиллесова пята» полупроводниковых устройств: они должны быть охлаждены, чтобы правильно функционировать и продлевать срок службы.
Диапазон температур хранения
Диапазон температур хранения = T _STG , диапазон допустимых температур хранения диода (без питания). Иногда указывается вместе с рабочей температурой перехода (T _J ), потому что максимальная температура хранения и максимальная рабочая температура часто совпадают. Во всяком случае, максимальная температура хранения будет выше, чем максимальная рабочая температура.
Термическое сопротивление
Тепловое сопротивление = R(Θ), разность температур между спаем и наружным воздухом (R(Θ) _JA) или между спаем и выводами (R(Θ) _JL) для заданной рассеиваемой мощности . Выражается в градусах Цельсия на ватт (^или C/W). В идеале эта цифра должна быть равна нулю, а это означает, что диодный корпус является идеальным проводником тепла и радиатором, способным передавать всю тепловую энергию от спая в наружный воздух (или к выводам) без разницы температур по толщине корпуса. пакет диодов. Высокое тепловое сопротивление означает, что диод будет создавать чрезмерную температуру на переходе (где это критично), несмотря на все усилия по охлаждению внешней части диода, и, таким образом, будет ограничивать его максимальную рассеиваемую мощность.
Максимальный обратный ток
Максимальный обратный ток = I _R , величина тока через диод в режиме обратного смещения при приложении максимального номинального обратного напряжения (V _DC ). Иногда упоминается как ток утечки . В идеале эта цифра должна быть равна нулю, так как идеальный диод блокирует весь ток при обратном смещении. На самом деле он очень мал по сравнению с максимальным прямым током.
Типовая емкость перехода
Типичная емкость перехода = C _Дж , типичная величина емкости, присущая переходу из-за обедненной области, действующей как диэлектрик, разделяющий соединения анода и катода. Обычно это очень маленькая цифра, измеряемая в диапазоне пикофарад (пФ).
Время обратного восстановления
Время обратного восстановления = t _rr , количество времени, которое требуется диоду, чтобы «выключиться», когда напряжение на нем меняется с прямого смещения на обратное. В идеале эта цифра должна быть равна нулю: диод останавливает проводимость немедленно при изменении полярности. Для типичного выпрямительного диода время обратного восстановления составляет десятки микросекунд; для диода с «быстрым переключением» это может быть всего несколько наносекунд.
Большинство этих параметров зависят от температуры или других условий эксплуатации, поэтому одна цифра не может полностью описать какой-либо заданный рейтинг. Поэтому производители предоставляют графики номинальных характеристик компонентов в зависимости от других переменных (например, температуры), чтобы разработчик схемы имел лучшее представление о том, на что способно устройство.
Статья взята из книги Тони Купхалдта «Урок электрических цепей, том III, полупроводники» в соответствии с положениями и условиями лицензии Design Science License.
Технические характеристики полупроводниковых диодов
| Важные параметры
Спецификации диодов – Чтобы выбрать подходящий диод для конкретного применения, необходимо ознакомиться с техпаспортами или спецификациями полупроводниковых диодов, предоставленными производителями устройств. Части типичных спецификаций диодов показаны на рис. 2-21.
Большинство спецификаций начинаются с номера типа устройства вверху страницы, например, с 1N914 по 1N917 или с 1N5391 по 1N5399. I (один) в номере типа означает однопереходное устройство; диод. Краткое описательное название следует за номером типа; например, кремниевый переключающий диод или кремниевый выпрямитель . Также приводятся механические данные, обычно в виде иллюстрации, показывающей форму и размеры упаковки. Затем перечислены максимальные значения при 25° (см. рис. 2-21).
Максимальные значения — это максимальные напряжения, токи и т. д., которые могут быть применены без разрушения устройства. Очень важно, чтобы эти номиналы не превышались, иначе вполне вероятен выход диода из строя. По надежности к максимальным показателям даже приближаться не стоит. Если диод должен выдерживать обратное смещение 50 В, следует выбрать диод с пиковым обратным напряжением 75 В. Если пиковый прямой ток диода должен составлять 100 мА, используйте устройство, рассчитанное на 150 мА. Также важно отметить, что максимальные характеристики должны быть скорректированы в сторону уменьшения для работы при температурах выше 25°C.
Список других электрических характеристик устройства обычно следует за максимальными параметрами. Понимание всех параметров, указанных в техпаспорте, не будет достигнуто до тех пор, пока не будут часто сверяться с техпаспортами.
Однако некоторые из наиболее важных параметров рассматриваются ниже:
В _R или В _{RRM –} Пиковое обратное напряжение (также называемое пиковым обратным напряжением и блокирующим напряжением постоянного тока):
Это максимальное обратное напряжение, которое может быть приложено к диоду.
I _o или I _{F(AV) –} Установившийся прямой ток:
Максимальный ток, который может непрерывно проходить через диод.
I _{FSM –} Неповторяющийся пиковый импульсный ток:
Этот ток может протекать в течение определенного периода времени. Импульсный ток намного выше нормального максимального прямого тока. Это ток, который может кратковременно протекать при первом включении цепи.
I _{FRM –} Повторяющийся пиковый импульсный ток:
Пиковый ток, который может повторяться снова и снова; например, во время каждого цикла выпрямленного сигнала.