Ток диода: основные параметры и характеристики полупроводниковых диодов

Что такое ток диода и как он зависит от напряжения. Какие основные параметры характеризуют работу диода. Как рассчитать ток через диод. Какие факторы влияют на вольт-амперную характеристику диода.

Что такое ток диода и от чего он зависит

Ток диода — это электрический ток, протекающий через полупроводниковый диод при приложении к нему напряжения. Величина и направление тока диода зависят от следующих основных факторов:

• Полярности и величины приложенного напряжения
• Типа полупроводникового материала диода
• Температуры p-n перехода
• Конструкции и площади p-n перехода

Ключевой особенностью диода является его способность проводить ток преимущественно в одном направлении — при прямом смещении p-n перехода. При обратном смещении ток через диод очень мал.

Вольт-амперная характеристика диода

Зависимость тока диода от приложенного напряжения описывается вольт-амперной характеристикой (ВАХ). ВАХ диода имеет ярко выраженный нелинейный характер и состоит из двух ветвей:

• Прямая ветвь — при положительном напряжении на аноде относительно катода
• Обратная ветвь — при отрицательном напряжении на аноде относительно катода

Типичная ВАХ кремниевого диода выглядит следующим образом:

• При прямом напряжении до 0.5-0.7 В ток очень мал
• При напряжении выше 0.7 В ток резко возрастает по экспоненциальному закону
• При обратном напряжении ток крайне мал (единицы мкА) вплоть до напряжения пробоя

Основное уравнение тока диода

Зависимость тока диода от напряжения в области прямого смещения описывается уравнением Шокли:

I = I_s * (e^qV/nkT — 1)

где:

• I — ток через диод
• I_s — обратный ток насыщения
• q — заряд электрона
• V — напряжение на диоде
• n — коэффициент неидеальности (1-2)
• k — постоянная Больцмана
• T — абсолютная температура

Это уравнение позволяет рассчитать ток через диод при известном напряжении и температуре.

Основные параметры выпрямительных диодов

Для характеристики свойств и возможностей выпрямительных диодов используется ряд ключевых параметров:

Максимальное обратное напряжение (V_R)

Это максимальное напряжение обратной полярности, которое может быть приложено к диоду без его пробоя. Для разных типов диодов может составлять от десятков до тысяч вольт.

Максимальный прямой ток (I_F)

Максимально допустимый средний прямой ток через диод в длительном режиме работы. Может составлять от сотен миллиампер до сотен ампер для мощных диодов.

Прямое падение напряжения (V_F)

Падение напряжения на открытом диоде при протекании номинального прямого тока. Обычно составляет 0.6-1.2 В для кремниевых диодов.

Обратный ток (I_R)

Ток, протекающий через диод при обратном смещении. Обычно не превышает единиц-десятков микроампер.

Факторы, влияющие на ток диода

На величину тока через диод оказывают влияние следующие основные факторы:

Температура p-n перехода

С ростом температуры увеличивается обратный ток насыщения и уменьшается прямое падение напряжения на диоде. Это приводит к росту прямого тока при неизменном напряжении.

Площадь p-n перехода

Чем больше площадь перехода, тем больший прямой ток способен пропускать диод при том же напряжении.

Материал полупроводника

Диоды из различных материалов (кремний, германий, арсенид галлия) имеют разные значения прямого падения напряжения и обратных токов.

Расчет тока диода

Для практических расчетов тока диода используются следующие подходы:

Использование уравнения Шокли

При известных параметрах диода можно рассчитать ток, подставив значения в уравнение:

I = I_s * (e^qV/nkT — 1)

Использование ВАХ диода

По графику вольт-амперной характеристики можно определить ток, соответствующий заданному напряжению на диоде.

Упрощенная кусочно-линейная аппроксимация

Для приближенных расчетов ВАХ диода часто аппроксимируют двумя линейными участками:

• I = 0 при V < V_D
• I = (V — V_D) / R_D при V > V_D

где V_D — пороговое напряжение, R_D — дифференциальное сопротивление диода.

Особенности тока диода в различных режимах

Ток через диод имеет существенные особенности в зависимости от режима работы:

Режим прямого смещения

В этом режиме через диод протекает значительный прямой ток. Его величина экспоненциально зависит от приложенного напряжения согласно уравнению Шокли.

Режим обратного смещения

При обратном смещении через диод протекает очень малый обратный ток, практически не зависящий от напряжения. Его величина определяется током термогенерации носителей в области p-n перехода.

Режим пробоя

При превышении максимального обратного напряжения происходит лавинный пробой p-n перехода, что приводит к резкому возрастанию обратного тока.

Применение диодов в электронных схемах

Уникальные свойства вольт-амперной характеристики диодов позволяют использовать их в различных электронных устройствах:

Выпрямители переменного тока

Диоды применяются для преобразования переменного тока в пульсирующий постоянный. Однополупериодные и двухполупериодные выпрямители являются базовыми схемами источников питания.

Ограничители напряжения

Диоды позволяют ограничивать амплитуду сигнала на заданном уровне, защищая чувствительные элементы схем от перенапряжений.

Детекторы

Нелинейность ВАХ диода используется для детектирования амплитудно-модулированных сигналов в радиоприемниках.

Умножители напряжения

Каскадное включение диодов и конденсаторов позволяет получать высокие постоянные напряжения из низковольтного переменного.

Таким образом, понимание особенностей тока диода и его зависимости от напряжения является ключевым для разработки и анализа многих электронных устройств.

Основные параметры выпрямительных диодов — ЛукиЭлектроЗамер

Для выпрямления низкочастотных переменных токов, то есть для превращения переменного тока в постоянный или пульсирующий, служат выпрямительные диоды, 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.

Источник: http://electricalschool.info

На какой ток и напряжение должен быть рассчитан диодный мост или диоды для выпрямителя. « ЭлектроХобби

Начну с того, что напомню, что диоды являются полупроводниками. Они имеют прямое и обратное включение. При прямом своем включении на них подается постоянное напряжение такой же полярности, то есть к плюсу диода (аноду) подключается плюс питания, ну, а на минус диода (катоду) подключается минус питания. В этом случае полупроводник будет пропускать через себя ток, он будет открыт. При этом на нем образуется некоторое падение напряжения около 0,3-1,2 вольта.

С увеличением подаваемого напряжения расти будет только сила тока, проходящего через диод. Напряжение при прямом включении будет оставаться практически неизменным (его изменение можно считать крайне незначительным). При обратном включении диода на его плюс (анод) подается уже минус питания, а на минус диода (катод) подается плюс питания. При таком варианте подключения диод находится в закрытом состоянии, он не пропускает через себя ток. На нем будет оседать все то напряжение, что подается от источника питания.

Ну, а теперь ближе к нашей теме, на какой именно ток и напряжение должен быть рассчитан диодный мост или диоды для него. Каждый тип диодов, мостов имеет свои максимальные значения тока при прямом включении и максимальные обратные напряжения. То есть, это те значения, не превышая которые полупроводник будет гарантированно работать в своем нормальном режиме. Вероятность его пробоя и последующего выхода из строя минимальна. Если же действующие значения прямого тока и обратного напряжения будут больше максимально допустимых, то скорей всего диод еще будет продолжать работать, но вероятность его поломки очень сильно возрастает. Достаточно будет незначительного всплеска или перепада тока или напряжения, чтобы вывести полупроводник из строя. Хотя тут нужно учитывать, что более качественные компоненты могут выдержать такую перегрузку, чего не скажешь о дешевых копиях и подделках.

По нормальному при покупке диодов и диодных мостов, выпрямителей нужно чтобы был минимум 25% запас, как по прямому току, так и по обратному напряжению. А поскольку пользы от запаса будет больше, чем затраты по деньгам, то лучше этот самый запас основных характеристик полупроводников делать 50% или даже 100%. В этом случае вы точно будете знать, что ваш диод, диодный мост вполне справиться не только с действующим током и напряжением, а и без особых перегрузок выдерживает случайные всплески, скачки электроэнергии. Иными словами говоря. Ваш блок питания рассчитан на максимальный ток до 3 А. Значит в этот БП нужно поставить диоды на мост с максимальным током 4-6 А. Также и с обратным напряжением. И старайтесь приобретать именно качественные элементы, от хороших фирм производителей, поскольку они более надежны в своей работе.

Также стоит брать во внимание тот факт, что существует два вида пробоя диодов и диодных мостов, это тепловой и электрический. Тепловой пробой случается по причине чрезмерного перегрева полупроводника. Большинство полупроводников сделаны из кремния, у которого критическая температура лежит в пределах 150-180 °C. То есть, при этих значениях кремний просто начинает безвозвратно разрушаться. Максимально допустимым значением, при котором кремниевые полупроводники могут нормально работать это температуры  до 60-80 °C. Причем это еще связано и с тем, что при увеличении температуры на полупроводнике его рабочие характеристики ухудшаются, что также стоит учитывать. Нагрев полупроводников вызывает именно протекание больших токов. Величина напряжения косвенно может влиять на количество тепловыделения. Для снижения температуры, когда диодам и выпрямительным мостам приходится работать с большими токами, используют дополнительные охлаждающие радиаторы. В особых случаях даже ставятся вентиляторы, для охлаждения имеющегося радиатора.

Электрический пробой происходит из-за чрезмерного обратного напряжения, что возникает при обратном включении полупроводника. То есть, если тепловой пробой возникает из-за большого тока, то электрический пробой возникает из-за большого напряжения. В некоторых случаях полупроводник восстанавливает свою работоспособность после снятия с него питания и повторного включения схемы. Но при значительных повреждениях полупроводник может уже не работать. Он либо становиться полным диэлектриком либо полным проводником. В этом случае вернуть работоспособность схемы поможет только полная замена пробитых полупроводников.

Также величину максимального тока и обратного напряжения имеющегося диода или диодного моста можно увеличить путем добавления дополнительных полупроводников. То есть, если мы параллельно диоду или мосту припаять еще один такой же диод или мост, то их максимальные токи суммируются. Мы получим увеличенное значение максимального прямого тока, что способны выдержать эти полупроводники, работая вместе. Чтобы увеличить обратное напряжение, то диоды нужно в мосте уже спаивать последовательно, с тем же направлением, что и у имеющегося полупроводника. После такого соединения обратные напряжения также суммируются. При таких параллельных и последовательных соединениях полупроводников нужно чтобы компоненты были одинакового типа.

P.S. Кроме максимальных значений прямого тока и обратного напряжения нужно учитывать и другие не менее важные характеристики, такие как рабочая частота полупроводника, температурные отклонения характеристик, величина падения напряжения при прямом включении и т. д. И еще раз повторюсь, при покупке диодов и диодных мостов обязательно делайте запас по их максимальным значениям главных характеристик, как минимум от 25% и выше.

Уравнение тока диода — электрическое напряжение

Уравнение тока диода показывает зависимость тока, протекающего через диод, от приложенного напряжения. Математическое выражение тока диода приведено ниже.

Где,

 I – ток, протекающий через диод

 I _o – обратный ток насыщения0003

  η – экспоненциальный коэффициент идеальности диода

  K – постоянная Больцмана и K = 1,38 x 10 ^-23    Дж/К не меняются линейно с увеличением приложенного напряжения. ВАХ диода имеют экспоненциальную зависимость. Сопротивление диода меняется с повышением температуры, поэтому ток не изменяется линейно с напряжением. Диод представляет собой неомическое и нелинейное полупроводниковое устройство.

Разберемся, от каких факторов зависит ток диода.

Обратный ток насыщения:

Ток, протекающий через диод с p-n переходом при обратном смещении, называется обратным током насыщения. к диффузионному потоку неосновных электронов с p-стороны на n-сторону и неосновных дырок с n-стороны на p-сторону. Обратный ток насыщения диода в диапазоне от мкА до нА. Обратный ток насыщения удваивается при повышении температуры на каждые 10 градусов по Цельсию.

η, коэффициент идеальности (экспоненциальный)

Фактор идеальности — это способ измерения того, насколько точно диод соответствует уравнению идеального диода. если рассматриваемый диод ведет себя точно так же, как идеальный диод, то η будет равно 1. Его значение увеличивается от 1 по мере увеличения разницы между поведением идеального диода и рассматриваемого диода: чем больше отклонение, тем больше значение из η. Считается, что значение η равно 1 для германиевых диодов и 2 для кремниевых диодов. Фактор идеальности зависит от следующих параметров диода.

• Электронный дрейф
• Диффузия
• Комбинация носителей в области истощения
• Уровень легирования
• Производственный процесс
• Чистота материала

.

Уравнение диода в состоянии прямого смещения

  

Когда диод находится в состоянии прямого смещения, большой прямой ток протекает через диод и значение экспоненты больше, и уравнение диода становится равным

Уравнение диода в состоянии обратного смещения

Когда диод находится в состоянии обратного смещения, экспоненциальный член становится незначительным, а ток диода равен обратному току насыщения.

I = – Io

Уравнение диода при комнатной температуре

Пусть комнатная температура составляет 27°C.

 

Температура в Кельвинах = 27 +273 =300 K

K =1,38 x 10 ^-23   JK ^-1

q =1,6 x 10 ^-19   C

Отношение КТ/q называется тепловым напряжением диода.

 

Похожие сообщения:

Пожалуйста, подпишитесь на нас и поставьте лайк:

Уравнение диода | Spinning Numbers

Отличительной особенностью диода является то, что он проводит ток в одном направлении, но не в другом. Поведение диода $i$-$v$ можно смоделировать нелинейным уравнением для диода Шокли . Мы рассмотрим детали этого уравнения в этой статье. 9{\,qv/k\text T} -1 \right )$

Уравнение охватывает диапазон в несколько вольт по обе стороны от начала координат. Он не моделирует пробой диода далеко влево по оси напряжения.

График выше больше похож на острое колено, чем на экспоненциальную кривую. Экспоненциальность проявляется, если мы приближаемся близко к началу координат $(\text{миллиампер}$ $\rightarrow$ $\text{пикоампер})$.

На этом масштабе вы можете увидеть крошечный отрицательный обратный ток насыщения $-\text I_{\text S}$, протекающий в обратном направлении через диод, когда диод смещен в обратном направлении. {\,v/26\text{мВ}} -1 \right )$

Когда напряжение на диоде превышает $26\,\text{мВ}$, экспоненциальный член быстро растет. При напряжении на диоде менее $26\,\text{мВ}$ член экспоненты мал и преобладает член $1$.

Постоянная Больцмана

Постоянная Больцмана — очень важное число в физике. Он соединяет мир, который мы видим и ощущаем, с миром атомов и электронов атомного масштаба.

Предположим, у вас есть камера, заполненная молекулами газа. Вы можете измерить температуру камеры (измерение макромира с помощью термометра). Чем теплее камера, тем ниже на атомном уровне молекулы газа имеют более высокую кинетическую энергию. Если известна температура газа, постоянная Больцмана $k$ связывает температуру со средней кинетической энергией молекулы. $k$ появляется везде, где поведение на атомарном уровне связано с тем, что происходит в макромире. Диоды, проводящие ток, являются одним из таких случаев. Есть тонны других. 9символ степени \circ$.

Единицы абсолютной температуры – кельвины.