Σπίτι Ηλεκτρολογικός εξοπλισμός

Διόδους ανόρθωσης ημιαγωγών. Διορθωτικές ιδιότητες της διασταύρωσης p-n

27.02.2018

Εργαστηριακή εργασία Νο 2

« Δίοδος ανορθωτή»

Σκοπός της εργασίας:

λαμβάνοντας τα κύρια χαρακτηριστικά βολτ-αμπέρ των διόδων ανορθωτή και μελετώντας την επίδραση της θερμοκρασίας σε αυτά τα χαρακτηριστικά.


1. Γενικές πληροφορίες

1.1. Δίοδος ημιαγωγών

Η απλούστερη συσκευή ημιαγωγών είναι μια δίοδος. Είναι εξοπλισμένο με δύο ηλεκτρόδια που ονομάζονται άνοδος και κάθοδος και χρησιμοποιείστο έχει την ιδιότητα της μονόδρομης αγωγιμότητας (ή βαλβίδας) του ηλεκτρισμούδιέλευση ουρανού.

Ο πιο διαδεδομένος τύπος μετάβασης είναι p-n μετάπτωση που σχηματίζεται σε κρύσταλλο ημιαγωγών σε γρΕΝΑ βάση δύο στρωμάτων, το ένα από τα οποία χαρακτηρίζεται από αγωγιμότητα οπώνΟ sti (p-layer), και το άλλο ηλεκτρονικό ( n -στρώμα). Στο όριο των στρωμάτων V προκύπτουν συνθήκες που εμποδίζουν την αμοιβαία διείσδυση των κύριων φορέων φορτίου από τορε στρώμα σε άλλο.

Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι κατά τη διάχυση των οπών, οι κύριοι φορείς φορτίου της στρώσης p, σε n στρώμα και ηλεκτρικό νέοι φορείς κύριας φόρτισης n -στο στρώμα, μη αντισταθμισμένα φορτία στατικών ιόντων σχηματίζονται στη στιβάδα p και στις δύο πλευρές του ορίου: αυτά που εισήλθαν σε n - οι οπές του στρώματος εξουδετερώνονταιΝα θρόνους αυτού του στρώματος, με αποτέλεσμα τη δημιουργία περίσσειας θετικώνΕΝΑ σειρές και τα ηλεκτρόνια που φτάνουν στη στρώση p εξουδετερώνονται από οπές σε αυτό το στρώμα, με αποτέλεσμα τη δημιουργίαΤ υπάρχει περίσσεια αρνητικών φορτίων.

Έτσι για το β αμέσως, μη αντισταθμισμένο θετικό φορτίο μέσα n -Το στρώμα εμποδίζει την περαιτέρω διάχυση οπών από το στρώμα p και το μη αντισταθμισμένο αρνητικό φορτίο στο στρώμα p αποτρέπειΤ υπάρχει διάχυση ηλεκτρονίων από n-layer, δηλαδή σε p - n δημιουργείται μετάβασηΟ πιθανό εμπόδιο.

Εικ.1 Δίοδος ημιαγωγών: α- μπλοκ διάγραμμα, β - χαρακτηρισμός κυκλώματος

Σε δίοδο με p - n με μια μετάβαση το ηλεκτρόδιο ανόδου συνδέεται με το στρώμα p, η κάθοδος - με n - στρώμα, όπως φαίνεται στο Σχ. 1α. Ονομασία κυκλώματος ημιαγωγόςΟ της διόδου φαίνεται στο Σχ. 1β.

Ιδιότητα πύλης ανακλαστικής διόδουΕΝΑ Υπάρχει το χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης που φαίνεται στο Σχ. 2α. Σε θετική τάση (η άνοδος είναι σε υψηλότερο δυναμικό από την κάθοδο), η δίοδος είναι ανοιχτή: υπό την επίδραση της εφαρμοζόμενηςΕΝΑ οι φορείς φόρτισης τάσης ξεπερνούν τη μπάρα δυναμικού b er και μέσω p - n μετάβαση, ρέει ένα ρεύμα, το οποίο προκαλείται κυρίως από τη μεταφοράΕΝΑ zom, οι κύριοι φορείς φόρτισης του στρώματος p, οπές. Πτώση τάσης ανά οΤ εσωτερική δίοδος (τμήμαεγώ στο Σχ. 2α) είναι μικρό και συνήθως δεν υπερβαίνειΕΝΑ υπάρχει ένα βολτ.


Ρύζι. 2 Χαρακτηριστικό ρεύματος τάσης διόδου ημιαγωγών:

α - σε διαφορετικές κλίμακες ρευμάτων και τάσεων για εμπρός και όπισθενΟ ου κατευθύνσεις, β - στην ίδια κλίμακα

Σε αρνητική τάση (nΟ το δυναμικό ανόδου είναι χαμηλότερο από το δυναμικό της καθόδου), το ρεύμα της διόδου σχετίζεται με τη μεταφορά μειοψηφικών φορέων φορτίου, η συγκέντρωση των οποίων είναι χαμηλή. Τρέχουσα τιμή ανά nμι πόσες τάξεις μεγέθους μικρότερο από το ρεύμα ανοιχτής διόδου, και η τάση είναι εκατοντάδες φορές μεγαλύτερη. Το γεγονός αυτό είναι αρνητικόΕΝΑ σύζυγοι στο Σχ. 2a με διαφορετικές κλίμακες στους άξονες ρεύματος και τάσης για θετικές και αρνητικές τιμές παραμέτρων. Τα αμελητέα μικρά ρεύματα σε αρνητική τάση υποδεικνύουν μια κλειστή κατάσταση της διόδου (πχκαι αποστράγγιση II στο Σχ. 2α).

Στο Σχ. 2β οικόπεδα I και II Τα χαρακτηριστικά ρεύματος-τάσης της διόδου παρουσιάζονται στην ίδια κλίμακα, όταν η πτώση της τάσης μπορεί να παραμεληθείΕΝΑ τάση σε ανοιχτή κατάσταση και ροή ρεύματος σε κλειστή κατάσταση. Σε μια πρώτη προσέγγιση, μπορούμε να υποθέσουμε ότι η τιμή της ανοικτής αντίστασηςμικρό αυτή η δίοδος είναι μηδέν και η κλειστή είναι το άπειρο.

Ενότητα II χαρακτηριστικά ρεύματος-τάσης της διόδου (Εικ. 2α) στο ΝΔμι Εάν υπάρχει αρνητική τάση, μπαίνει στο τμήμα III , όπου υπάρχει έντονη αύξηση του ρεύματος με μικρή αύξηση της τάσης. Σε αυτή την περιοχή στο p-n μετάβαση, συμβαίνει μια ηλεκτρική βλάβη, δηλαδή μια αύξηση του ρεύματος σαν χιονοστιβάδα. Χαρακτηριστικό γνώρισμαμια τέτοια ανάλυση είναι το αντίστροφοΚαι ισχύς: όταν αφαιρείται η τάση και στη συνέχεια αυξάνεται, η πορεία του χαρακτηριστικού ρεύματος-τάσης δεν αλλάζει, η συσκευή διατηρεί τη λειτουργικότητά της. Τμήμα ηλεκτρικής διάσπασης βολτ-αμπέρ xΕΝΑ τα χαρακτηριστικά εντάσσονται στην περιοχή IV όπου συμβαίνει θερμική διάσπαση p-n μετάβαση, κατά την οποία η θέρμανση του κρυστάλλου οδηγεί σε καταστροφή της μετάβασης, με αποτέλεσμαμι η δίοδος αποτυγχάνει.

Ενότητες I και II χαρακτηριστικά βολτ-αμπέρ στο Σχ. 2α χρησιμοποιώΤ για τον σκοπό της ανόρθωσης εναλλασσόμενης τάσης, η αρχή της οποίας μπορεί να απεικονιστεί χρησιμοποιώντας το παράδειγμα του κυκλώματος που φαίνεται στο Σχ. 3α. Η είσοδος του κυκλώματος παρέχεται εναλλασσόμενη τάση, το οποίο αντιπροσωπεύεται από ημίτονοΚαι γάλα στο σύκο. 3b διάγραμμα χρονισμού. Στο διάστημα φάσης, εφαρμόζεται θετική τάση στην άνοδο της διόδου και αρνητική τάση εφαρμόζεται στην κάθοδοσι Όχι. Η δίοδος βρίσκεται σε ανοιχτή κατάσταση και το ρεύμα ρέει μέσω του φορτίου που συνδέεται σε σειρά με αυτήν. Αν υποθέσουμε μηδενική αντίστασηΟ τάση μιας ανοικτής διόδου, στη συνέχεια όλη η τάση που παρέχεται σε αυτήνΕΝΑ εφαρμόζεται στο φορτίο, το οποίο αντανακλάται στο Σχ. 3γ. Για αρνητικό pΟ Κατά τη διάρκεια του βρόχου τάσης εισόδου (διάστημα φάσης), η δίοδος είναι κλειστή και δεν περνάει τάση μέσω αυτής προς το φορτίο. Έτσι, στο φορτίοη Όταν παρέχεται μόνο θετική τάση, η χρονική καθυστέρησηΚαι η χωρητικότητα του οποίου φαίνεται στο Σχ. 3γ. Δεδομένου ότι λειτουργεί κατά τη διάρκειαμι μία είσοδο μισού κύκλουΟ th τάση, διάγραμμα στο Σχ. Το 3a είναι μισό κύμα.


Εικ.3 Ανορθωτής ημικυμάτων: κύκλωμα ανορθωτή. β, γ χρονικά διαγράμματα που απεικονίζουν τη λειτουργία του

Πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι η μετάβαση της διόδου από την κλειστή στην ανοιχτή κατάσταση και αντίστροφα συμβαίνει με χρονική καθυστέρηση, η οποία εξηγείΤ λόγω της αδράνειας των διεργασιών συσσώρευσης της απαιτούμενης συγκέντρωσηςκαι σειρές στην περιοχή p - n μετάβαση όταν ανοίγει και την απορρόφηση αυτής της φόρτισηςΤο κάνω στο κλείσιμο.

Ρύζι. 4. α. Ισοδύναμο κύκλωμα διόδου ημιαγωγών.

Β. Διάγραμμα που απεικονίζει το σχηματισμό ηλεκτρικής διπλής στρώσης σε κλειστόδιασταύρωση p-n

Στο Σχ. Το 4α δείχνει το ισοδύναμο κύκλωμα p-n μετάβαση, το κύριο στοιχείο της διόδου που λειτουργεί σε τμήματαεγώ και χαρακτήρα P volt-ampereμι ριστικές. Η παρουσία του κλειδιού Κ στο κύκλωμα αντανακλά την πιθανότητα να είναι μέσαμι μετάβαση σε δύο καταστάσεις. Η θέση "a" του κλειδιού αντιστοιχεί σε μια ανοιχτή κατάσταση, στην οποία η μετάβαση χαρακτηρίζεται από μια πολύ χαμηλή τιμή αντίστασης. Η θέση "b" του κλειδιού αντιστοιχεί στην κλειστή κατάστασηεγώ niyu, στο οποίο η μετάβαση είναι ισοδύναμη παράλληλη σύνδεση acti V υψηλή αντίσταση πολύ μεγάλου μεγέθους και χωρητικότητας, που έλαβε nΕΝΑ ονομάζοντας «φράγμα». Αυτή η χωρητικότητα αντανακλά το γεγονός του σχηματισμού διπλού ηλεκτρικούμι στρώμα σε κλειστό p-n μετάβαση, όπως φαίνεται στο Σχ. 4β, κατΟ Αυτό οφείλεται στο πιθανό εμπόδιο που εμποδίζει τη διάχυση τουΜε νέους φορείς φόρτισης κατά τη μετάβαση.

Αξιόπιστη απόδοση ανορθωτική δίοδοςεξασφαλίζεται μόνο εάν λειτουργεί σε ηλεκτρικές παραμέτρους, μέγεθος γάταΟ ry δεν υπερβαίνουν τις επιτρεπόμενες τιμές. Αυτές οι τιμές δίνονται στα δεδομένα αναφοράς. Αυτές οι παράμετροι μιας διόδου ανορθωτή συνήθως λαμβάνονται υπόψη:

  • μέγιστη αντίστροφη τάση που εφαρμόζεται σε μια κλειστή δίοδοΟ du, πριν από την ανάπτυξη βλάβης στη συσκευή
  • μέγιστες επιτρεπόμενες τιμές των μέσων και παλμικών ρευμάτων στα οποία η συσκευή δεν υπερθερμαίνεται σε ανοιχτή κατάστασηΕίμαι ni.

Με βάση το επίπεδο ισχύος, οι δίοδοι χωρίζονται σε συσκευές χαμηλής τάσης sch ny, μεσαίας και υψηλής ισχύος. Σε διόδους χαμηλής ισχύος, η μέση τιμήρε Το ρεύμα του δεν υπερβαίνει τα 0,3A, στις διόδους μέσης ισχύος οι τιμές ρεύματος είναι στην περιοχή από 0,3 - 10A και στις διόδους υψηλής ισχύος η τρέχουσα τιμή είναι mΟ μπορεί να φτάσει τα 1000A και πάνω.

Η δίοδος μπορεί να παραμείνει σε λειτουργία ηλεκτρικής βλάβης σε χαμηλές τάσεις για μεγάλο χρονικό διάστημα. Επομένως η πλοκή III σχετικά με το χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης μιας διόδου ημιαγωγών στο Σχ. Το 2a μπορεί να χρησιμοποιηθεί για λόγους σταθεροποίησης τάσης. Αυτή η λειτουργία εφαρμόζεται σε ειδικές διόδους που ονομάζονται δίοδοι zener. Αυτές οι συσκευές παρέχουν ένα αρκετά ευρύ φάσμα ρευμάτων ανόδου, στα οποία η τιμή της τάσης πρακτικά δεν αλλάζει.

1.2. Θερμικές ιδιότητες διόδων ημιαγωγών.

Η ηλεκτρική αγωγιμότητα των διόδων ημιαγωγών επηρεάζεται σημαντικά από τη θερμοκρασία. Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, η δημιουργία ζευγών φορέων φορτίου αυξάνεται, δηλ. Η συγκέντρωση του φορέα αυξάνεται και η αγωγιμότητα αυξάνεται.

Στο Σχ. 5. για δίοδο γερμανίου (Γε ). είναι σαφές ότι τα ρεύματα I pr and I or καλλιεργώ. Αυτό εξηγείται από την αυξημένη παραγωγή ηλεκτρονίων και οπών. Για Ge diodes Iор διπλασιάζεται περίπου με κάθε δέκα βαθμούς αύξησης της θερμοκρασίας.


Ρύζι. 5

Στο Si διόδους όταν θερμαίνονται κάθε 10 μοίρες I ορ αυξάνεται κατά 2,5 φορές και η ηλεκτρική τάση. η κατανομή πρώτα αυξάνεται και μετά μειώνεται.

I πρ Όταν θερμαίνεται, δεν μεγαλώνει τόσο πολύ όσο το αντίθετο. Αυτό είναι συνέπεια του γεγονότος ότι I πρ προκύπτει κυρίως λόγω της αγωγιμότητας των ακαθαρσιών και η συγκέντρωσή τους δεν εξαρτάται από τη θερμοκρασία.

2. Πειραματικό μέρος


Εικ. 6 . Διάγραμμα ρύθμισης εργαστηρίου

Στοιχεία εργαστηριακού διαγράμματος

  • Δίοδος D226B
  • Ποτενσιόμετρο B5K
  • Αντίσταση 2,4 kOhm

Σχ. 7. Δίοδος D226B

Πίνακας 1. Χαρακτηριστικά της διόδου D226B

Τύπος διόδου

διορθώνοντας

Μέγιστη σταθερή αντίστροφη τάση, V

Μέγιστο ρεύμα προς τα εμπρός (διορθώθηκε κατά τη διάρκεια του μισού κύκλου), Α

Μέγιστο ρεύμα προς τα εμπρός (διορθώθηκε κατά τη διάρκεια του μισού κύκλου), Α

Μέγιστος χρόνος αποθεραπείας, μs

Μέγιστη αντίστροφη τάση παλμού, V

Μέγιστη επιτρεπόμενη ευθεία γραμμή παλμικό ρεύμα, Α

Μέγιστο αντίστροφο ρεύμα, μΑ

Μέγιστη τάση προς τα εμπρός, V

στην Ιπρ., Α

Συχνότητα λειτουργίας, kHz

Συνολική χωρητικότητα, SD.pF

Θερμοκρασία λειτουργίας, C

60...80

Μέθοδος εγκατάστασης

στην τρύπα

Πλαίσιο

kdu91

Κατασκευαστής

Ρωσία

Πίνακας 2 . Χαρακτηριστικό συνεχούς ρεύματος-τάσης της διόδου D226B (σε θερμοκρασία δωματίου)

Τρέχουσα τιμή, mA

Τιμή τάσης, V

4,86

0,64

3,34

0,62

2,23

1,59

0,58

1,09

0,56

0,52

0,42

Πίνακας 3. Χαρακτηριστικό αντίστροφου ρεύματος-τάσης της διόδου D226B (σε θερμοκρασία δωματίου)

Τρέχουσα τιμή, mA

Τιμή τάσης, V

1,078

6,14

1,073

6,09

0,97

5,55

0,94

5,37

0,76

4,36

0,732

4,17

0,539

3,07

0,29

1,69

Τρέχουσα τιμή, mA

Τιμή τάσης, V

6,19

0,62

4,94

0,60

2,10

0,55

0,83

0,45

0,21

0,39

0,11

0,05

0,12

Πίνακας 5. Χαρακτηριστικό αντίστροφου ρεύματος-τάσης της διόδου D226B ( T = 35˚ C)

Τρέχουσα τιμή, mA

Τιμή τάσης, V

2,69

2,18

2,09

7,33

1,74

1,45

1,15

0,89

0,59

0,31

0,17

0,58

0,08

Πίνακας 6 . Χαρακτηριστικό συνεχούς ρεύματος-τάσης της διόδου D226B ( T = 50˚ C)

Τρέχουσα τιμή, mA

Τιμή τάσης, V

6,35

0,64

5,05

0,612

4,08

0,578

3,15

0,515

2,21

0,385

1,49

0,257

0,82

0,141

0,17

0,025

Πίνακας 7. Χαρακτηριστικό αντίστροφου ρεύματος-τάσης ( t = 50˚ C)

Τρέχουσα τιμή, mA

Τιμή τάσης, V

2,64

2,12

1,85

1,55

1,26

0,97

0,69

0,42

0,29

0,19

0,12

Γράφημα των μετρούμενων χαρακτηριστικών βολτ αμπέρ της διόδου D226B σε διαφορετικά συνθήκες θερμοκρασίαςφαίνεται στο Σχ. 8.

Σύναψη

Ως αποτέλεσμα της εκτέλεσης εργαστηριακές εργασίεςΤα χαρακτηριστικά βολτ-αμπέρ της διόδου D226B μετρήθηκαν υπό κανονικές συνθήκες λειτουργίας και όταν θερμάνθηκαν σε θερμοκρασίες 35˚C και 50˚C.

Διαπιστώθηκε ότι το ρεύμα της διόδου εξαρτάται από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Όταν η δίοδος θερμαίνεται, το ρεύμα προς τα εμπρός δεν αυξάνεται τόσο όσο το αντίστροφο ρεύμα. Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι το μπροστινό ρεύμα προκύπτει κυρίως λόγω της αγωγιμότητας των ακαθαρσιών και η συγκέντρωση των ακαθαρσιών δεν εξαρτάται από τη θερμοκρασία.

Για τις διόδους γερμανίου, το αντίστροφο ρεύμα αυξάνεται περίπου 2 φορές με κάθε αύξηση της θερμοκρασίας κατά 10ºC.

U διόδους πυριτίουόταν θερμαίνεται, για κάθε 10ºC, το αντίστροφο ρεύμα αυξάνεται 2,5 φορές και η ηλεκτρική τάση διάσπασης με την αύξηση της θερμοκρασίας αρχικά αυξάνεται ελαφρά και μετά μειώνεται.

Αναφορές

  1. Ηλεκτρολογία και βασικά στοιχεία της ηλεκτρονικής / Ο.Α. Antonova, O.P. Gludkin, P.D. Davidov. Εκδ. Ο.Π. Gludkina, V.P. Σοκόλοβα. Μ.: Ανώτερη Σχολή, 1998
  2. Zherebtsov I.P. Βασικές αρχές της ηλεκτρονικής. L. Energoatomizdat, 1999

3. Zabrodin Yu.S. Βιομηχανική ηλεκτρονική: εγχειρίδιο για τα πανεπιστήμια / Yu.S. Μ.: Ανώτατο Σχολείο, 1982.

4. Γκορμπατσόφ Γ.Ν. Βιομηχανική ηλεκτρονική: εγχειρίδιο για πανεπιστήμια / G.N.Gorbachev, E.E.Chaplygin. M.: Energoatomizdat, 1988.

5. Βασικές αρχές βιομηχανικής ηλεκτρονικής: σχολικό βιβλίο. εγχειρίδιο για πανεπιστήμια / εκδ. V.G. Gerasimova. Μ.: Ανώτατο Σχολείο, 1986.

6. Artyukhov I.I. Βασικές αρχές της τεχνολογίας διόρθωσης: εγχειρίδιο. εγχειρίδιο / I.I Artyukhov, M.A. Fursaev. Saratov: SSTU, 2005.

Εάν εφαρμοστεί εξωτερική τάση στα στρώματα ημιαγωγών έτσι ώστε το ηλεκτρικό πεδίο που δημιουργείται από αυτό να κατευθύνεται αντίθετα από την κατεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου μεταξύ των περιοχών φόρτισης χώρου, τότε η δυναμική ισορροπία διαταράσσεται και το ρεύμα διάχυσης υπερισχύει του ρεύματος μετατόπισης , αυξάνεται γρήγορα με την αύξηση της τάσης. Αυτή η σύνδεση της τάσης σε μια διασταύρωση pn ονομάζεται πόλωση προς τα εμπρός.

Εάν εφαρμοστεί μια εξωτερική τάση έτσι ώστε το πεδίο που δημιουργεί να είναι στην ίδια κατεύθυνση με το πεδίο μεταξύ των περιοχών του χώρου, τότε αυτό θα οδηγήσει μόνο σε αύξηση του πάχους των στρωμάτων φόρτισης χώρου και του ρεύματος μέσω της διασταύρωσης p-n είναι πολύ μικρό και καθορίζεται από τη θερμική ή τη δημιουργία φωτονίων ζευγών ηλεκτρονίων-οπών. Αυτή η σύνδεση της τάσης στη διασταύρωση p-n ονομάζεται αντίστροφη πόλωση.




Εάν μια εξωτερική τάση Evn συνδέεται στη διασταύρωση p-n, η πολικότητα της οποίας είναι αντίθετη από την πολικότητα της διαφοράς δυναμικού επαφής Uk, τότε μια τέτοια σύνδεση ονομάζεται απευθείας(Η n-περιοχή συνδέεται με τον αρνητικό πόλο του Evn και η p-περιοχή συνδέεται με τον θετικό πόλο του Evn). Με αυτή τη σύνδεση, εμφανίζεται ένα επιπλέον εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο στη διασταύρωση p-n, μειώνοντας το εσωτερικό του πεδίο. Το συνολικό πεδίο Eε που ενεργεί στη μετάβαση θα καθοριστεί:

Υπό την επίδραση ενός εξωτερικού πεδίου, οι περισσότεροι φορείς φορτίου θα κινηθούν προς τη διασταύρωση p-n, μειώνοντας το φράγμα και το πλάτος του δυναμικού διασταύρωση p-n, το οποίο θα καθοριστεί:

Θα εμφανιστεί αύξηση του ρεύματος διάχυσης, η οποία κατέστη δυνατή λόγω της αύξησης της ενέργειας των κύριων φορέων φορτίου και της μείωσης του φραγμού δυναμικού. Αυτό θα οδηγήσει σε ανισορροπία μεταξύ των ρευμάτων διάχυσης και παρασυρόμενων ρευμάτων. Με αυξανόμενη |Εβν| το ρεύμα διάχυσης θα αυξηθεί.

Πότε |Uk|=|Evn| το πάχος της μετάβασης τείνει στο μηδέν, γιατί η εξωτερική τάση αντισταθμίζει σχεδόν πλήρως το Uк. Σε αυτή την περίπτωση, οι κύριοι φορείς φορτίου θα αρχίσουν να διαχέονται ελεύθερα σε περιοχές με αντίθετο τύπο ηλεκτρικής αγωγιμότητας. Ένα ρεύμα θα διαρρέει τη διασταύρωση, η οποία ονομάζεται απευθείας:

, γιατί ,

Η διαδικασία εισαγωγής ("άντλησης") φορέων φορτίου μέσω μιας διασταύρωσης pn στην περιοχή όπου γίνονται φορείς μειοψηφίας λόγω μείωσης του φραγμού δυναμικού ονομάζεται ένεση.

ΣΕ συμμετρικόςπραγματοποιούνται διασταυρώσεις p-n έγχυση διπλής όψης. (Nn=Pp)

ΣΕ ασύμμετρη p-nμεταβάσεις (Nd >> Na, Nn >> Pp; ή Nd<< Na, Pp >> Nn) οι συγκεντρώσεις των πλειοψηφικών φορέων διαφέρουν κατά πολλές τάξεις μεγέθους ( - ), επομένως η συγκέντρωση των μειοψηφικών φορέων που έχουν εγχυθεί θα είναι πολύ υψηλότερη στο στρώμα υψηλής ειδικής αντίστασης από ό,τι στο στρώμα χαμηλής ειδικής αντίστασης.

Ένα στρώμα έγχυσης με σχετικά χαμηλή ειδική αντίσταση ονομάζεται εκπόμπος; ονομάζεται το στρώμα στο οποίο εγχέονται οι φορείς μειοψηφίας βάση. Στο άμεση σύνδεσηΚατά τη μετάβαση, τα ηλεκτρόνια που μετακινούνται από την περιοχή n στην περιοχή p κινούνται εντός αυτής της περιοχής για λόγους διάχυσης και μετατόπισης. Κατά τη διάρκεια αυτής της κίνησης, μέρος των ηλεκτρονίων ανασυνδυάζεται με οπές στην περιοχή p και το υπόλοιπο μέρος, που συλλαμβάνεται από το πεδίο μιας εξωτερικής πηγής, πέφτει στον θετικό πόλο της, κλείνοντας το κύκλωμα.

Οι οπές που μετακινούνται από την περιοχή p στην περιοχή n ανασυνδυάζονται πλήρως στην περιοχή n. Το μπροστινό ρεύμα Ipr μέσω της διασταύρωσης περιορίζεται από την ωμική αντίσταση των περιοχών p- και n και την εσωτερική αντίσταση Evn, με αποτέλεσμα το Ipr να φτάσει σε τιμές που υπερβαίνουν τις επιτρεπόμενες, γεγονός που θα καταστρέψει τη διασταύρωση p-n. Για να αποφευχθεί αυτό, το Ipr θα πρέπει να περιορίζεται σε στοιχεία, για παράδειγμα, αντιστάσεις συνδεδεμένες σε σειρά p-n κύκλωμαμετάβαση. Ας εξετάσουμε τα διαγράμματα ενεργειακής ζώνης μιας σύνδεσης p-n που βρίσκεται σε κατάσταση ισορροπίας και μετατοπίζεται προς τα εμπρός.

Διάγραμμα χωρίς πόλωση σύνδεσης pn.



– Οιονεί δυναμικό Fermi;

Τα «n» και «p» είναι σχεδόν επίπεδα Fermi για μια κατάσταση μη ισορροπίας.

Ενεργειακό διάγραμμα μιας διασταύρωσης pn υπό μπροστινή πόλωση.

Ελλείψει θερμοδυναμικής ισορροπίας, συνηθίζεται να εισάγονται δύο νέες ποσότητες «n και p, που αντικαθιστούν τα n και p. Τα `n και `p καλούνται επίπεδα οιονεί Fermiηλεκτρόνια και οπές, αντίστοιχα.

; - Οιονεί δυναμικά Fermi ηλεκτρονίων και οπών.

Η εφαρμογή μιας εξωτερικής τάσης στη διασταύρωση pn (απευθείας) οδηγεί σε μετατόπιση των σχεδόν Fermi επιπέδων σε σχέση με τη θέση ισορροπίας. Εάν Evn>0, τότε αυτή η τιμή αφαιρείται από το Uk και το πλάτος της εξαντλημένης περιοχής μειώνεται.

Με μια προς τα εμπρός τάση στη διασταύρωση, το ρεύμα διάχυσης των κύριων φορέων φορτίου I0=Idif αυξάνεται exp(Evn/φΤ) φορές λόγω μείωσης του φραγμού δυναμικού και είναι συνάρτηση της εφαρμοζόμενης τάσης:
, όπου είναι το ρεύμα που διαρρέει τη διασταύρωση p-n σε κατάσταση ισορροπίας προς την κατεύθυνση προς τα εμπρός.

Η συνιστώσα μετατόπισης του ρεύματος όταν εφαρμόζεται μια εξωτερική προς τα εμπρός τάση παραμένει πρακτικά αμετάβλητη Idr=const. Επειδή όμως στην κατάσταση ισορροπίας |Idif| = |Idr| , τότε Idr = -I0. Το σύμβολο μείον υποδεικνύει ότι αυτό το ρεύμα ρέει αντίθετα από το ρεύμα διάχυσης.

Αλλά επειδή το Ipr είναι η διαφορά μεταξύ Idif και Idr, τότε


Χωρητικότητα σύνδεσης p-n

Σε στρώμα εξάντλησης υψηλής αντίστασης p-nμετάβαση, και στις δύο πλευρές του ορίου του υπάρχουν χωρικά φορτία ίσα σε αξία και αντίθετα σε πρόσημο: αρνητικό in σελ–περιοχή, θετική - μέσα n-περιοχές Αυτές οι χρεώσεις οφείλονται στην παρουσία ιόντων ακαθαρσίας και (Εικ. 4.7), και όταν εφαρμόζεται άμεση μεροληψία στη μετάβαση, οφείλονται σε πρόσθετες χρεώσεις που προκύπτουν κατά την έγχυση φορέων μειοψηφίας φορτίου. Ανάλογα με την εφαρμοζόμενη τάση, το πάχος του στρώματος εξάντλησης και, κατά συνέπεια, οι τιμές φόρτισης αλλάζουν Q. Αυτό δείχνει ότι p-nο κόμβος έχει ηλεκτρική χωρητικότητα, όπου U– διαφορά δυναμικού επαφής σε p-nμετάβαση. Γενικά η χωρητικότητα p-nη μετάβαση αποτελείται από δύο στοιχεία:

ΜΕ=ΜΕμπαρ + ΜΕ df, (4.13)

Οπου ΜΕ bar – χωρητικότητα φραγμού p-nμετάβαση κατά την εφαρμογή σε αυτό αντίστροφη τάση U arr? ΜΕ df – ικανότητα διάχυσης, εμφανίζεται όταν εφαρμόζεται σε p-nμετάβαση προς τα εμπρός τάσης UΛεωφ.

Αντίστροφη χωρητικότητα τάσης.Αντίστροφη προκατάληψη r-pη μετάβαση χαρακτηρίζεται από συγκεκριμένες χωρητικότητα φραγμού, Πού μικρό- μεταβατική περιοχή. Η φύση της χωρητικότητας φραγμού σχετίζεται με τον διαχωρισμό φορτίου στην περιοχή εξάντλησης p-nμετάβαση. Το μέγεθος αυτού του φορτίου με σταδιακό (απότομο) τρόπο καθορίζεται από τη σχέση

, (4.14)

Οπου NdΚαι Ν α- συγκέντρωση ακαθαρσιών σε n-Και p-μεταβατικές περιοχές.

Λαμβάνοντας υπόψη τον τύπο (4.4) για τον υπολογισμό του πλάτους του εξαντλημένου στρώματος μεγάλο, στην οποία η τιμή j k αντικαθίσταται από j k + U,

,

για το ποσό της χρέωσης που παίρνουμε

. (4.15)

Διαφοροποίηση (4.15) ως προς την τάση U, λαμβάνουμε την απαιτούμενη αναλογία για τη συγκεκριμένη χωρητικότητα φραγμού p-nμετάβαση στη μορφή

. (4.16)

Αν p-nη μετάβαση είναι ασύμμετρη, δηλαδή, η συγκέντρωση του προσμίκτη σε μία από τις μεταβατικές περιοχές υπερβαίνει σημαντικά τη συγκέντρωση στην άλλη περιοχή, τότε η έκφραση για ΜΕη μπάρα απλοποιείται και παίρνει τη μορφή

, (4.17)

Οπου Ν– συγκέντρωση ακαθαρσιών στην περιοχή υψηλής ειδικής αντίστασης p-nμετάβαση

Για πυρίτιο σε Ν=10 22 m -3 και U= 4 V παίρνουμε την τιμή ΜΕ b περίπου 1,5 × 10 -4 F/m 2 . Με μεταβατικό χώρο μικρό=10 -6 m 2 χωρητικότητα φραγμού θα είναι περίπου 150 pF.

Η εξάρτηση της χωρητικότητας από την τάση ονομάζεται χαρακτηριστικό χωρητικότητας-τάσης. Από τις σχέσεις (4.16) και (4.17) προκύπτει ότι με αύξηση της αντίστροφης προκατάληψης κατά p-nμετάβαση, η χωρητικότητα φραγμού μειώνεται αρκετά γρήγορα. Αυτή η ιδιότητα χρησιμοποιείται στην κατασκευή μεταβλητών πυκνωτών με ηλεκτρικά ελεγχόμενη χωρητικότητα, που ονομάζεται κιρσοί.

Χωρητικότητα σε μπροστινή τάση.Σε αυτήν την περίπτωση, υπάρχουν δύο φυσικοί λόγοι που καθορίζουν την χωρητικότητα p-nμετάβαση. Το πρώτο από αυτά είναι το ίδιο με την αντίστροφη τάση: αυτή είναι μια αλλαγή στα φορτία στο στρώμα εξάντλησης. Το δεύτερο είναι ότι με την αύξηση της τάσης που εφαρμόζεται σε p-nμετάβαση, η συγκέντρωση των εγχυόμενων φορέων σε ουδέτερες περιοχές κοντά στα όρια της μετάβασης αυξάνεται και, κατά συνέπεια, αυξάνεται η τιμή του συσσωρευμένου φορτίου λόγω αυτών των φορέων. Κατά συνέπεια, η τιμή του συσσωρευμένου φορτίου αυξάνεται Q CΗ df αυξάνεται με την αύξηση της άμεσης τάσης σύμφωνα με τον εκθετικό νόμο (4.18). Επομένως, η χωρητικότητα διάχυσης είναι μικρότερη από την χωρητικότητα φραγμού μέχρι την τάση αποκοπής p-nμετάβαση ( U<0,5…0,6 В), затем она резко увеличивается и, при U>0,6 V, αρχίζει να υπερβαίνει την χωρητικότητα φραγμού.

Είναι επίσης δυνατή η δημιουργία ημιαγωγών με πιο πολύπλοκες φυσικές δομές. n-p-nΚαι p-n-p, και επίσης n-p-n-pΚαι p-n-p-nμεταβάσεις που σας επιτρέπουν να ενισχύετε και να αλλάζετε ρεύματα. Αυτές οι μεταβάσεις αποτελούν τη βάση της δημιουργίας συσκευών ημιαγωγών που ονομάζονται διπολικά τρανζίστορΚαι θυρίστορ.

Η υποβολή της καλής σας δουλειάς στη βάση γνώσεων είναι εύκολη. Χρησιμοποιήστε την παρακάτω φόρμα

επιτυχίαστον ιστότοπο">

Φοιτητές, μεταπτυχιακοί φοιτητές, νέοι επιστήμονες που χρησιμοποιούν τη βάση γνώσεων στις σπουδές και την εργασία τους θα σας είναι πολύ ευγνώμονες.

Μάθημα 5 Ανορθωτική δίοδος

5.1 Διόδους ανόρθωσης

Ανορθωτήςπου ονομάζονται δίοδοι σχεδιασμένες για ανόρθωση AC. Το δεύτερο στοιχείο στον χαρακτηρισμό αυτών των διόδων είναι το γράμμα "D". Μια συμβατική γραφική αναπαράσταση μιας διόδου ανόρθωσης φαίνεται στο Σχ. 2.2.

Ανάλογα με την τιμή του ανορθωμένου ρεύματος, διακρίνονται δίοδοι χαμηλής ισχύος (/ pr, m ax< 0,3 А) и средней мощности (0,3 А < / пр, m ах < 10 А). Диоды малой мощности могут рассеивать выделяемую на них теплоту своим корпусом.

Για τη διάχυση της θερμότητας, τοποθετούνται δίοδοι μέσης ισχύος σε θερμαντικά σώματα ψύξης (Εικ. 2.3, β).

Συνήθως, η επιτρεπόμενη πυκνότητα ρεύματος που διέρχεται από μια διασταύρωση p-n δεν υπερβαίνει τα 2 A/mm 2, επομένως, για να ληφθούν οι παραπάνω τιμές του μέσου ανορθωμένου ρεύματος στις διόδους ανόρθωσης, χρησιμοποιούνται επίπεδες διασταυρώσεις p-n. Η προκύπτουσα μεγάλη χωρητικότητα της σύνδεσης p-n δεν έχει σημαντική επίδραση στη λειτουργία της διόδου λόγω των χαμηλών συχνοτήτων λειτουργίας.

Τα χαρακτηριστικά ρεύματος-τάσης των διόδων γερμανίου και πυριτίου του ίδιου σχεδιασμού διαφέρουν. Για σύγκριση, το Σχ. 2.4 δείχνει τα χαρακτηριστικά των διόδων γερμανίου (D3O4) και πυριτίου (D242), οι οποίες έχουν τον ίδιο σχεδιασμό και είναι σχεδιασμένες να λειτουργούν στο ίδιο εύρος ρευμάτων και τάσεων. Δεδομένου ότι το πυρίτιο έχει μεγαλύτερο διάκενο ζώνης από το γερμάνιο, το αντίστροφο ρεύμα των διόδων πυριτίου είναι πολύ μικρότερο. Επιπλέον, ο αντίστροφος κλάδος του χαρακτηριστικού των διόδων πυριτίου δεν έχει μια σαφώς καθορισμένη περιοχή κορεσμού, η οποία οφείλεται στη δημιουργία φορέων φορτίου στη διασταύρωση p-n και ρευμάτων διαρροής κατά μήκος της επιφάνειας του κρυστάλλου.

Λόγω του μεγάλου αντίστροφου ρεύματος, οι δίοδοι γερμανίου παρουσιάζουν θερμική διάσπαση, οδηγώντας σε καταστροφή του κρυστάλλου. Λόγω του χαμηλού αντίστροφου ρεύματος, οι δίοδοι πυριτίου έχουν μικρή πιθανότητα θερμικής διαρροής και παρουσιάζουν ηλεκτρική βλάβη.

Εφόσον το μπροστινό ρεύμα της διόδου καθορίζεται από την εξίσωση, λόγω του χαμηλότερου αντίστροφου ρεύματος της διόδου πυριτίου, το μπροστινό ρεύμα της, ίσο με το ρεύμα της διόδου γερμανίου, επιτυγχάνεται σε υψηλότερη τιμή της μπροστινής τάσης. Επομένως, η ισχύς που καταναλώνεται στα ίδια ρεύματα είναι μικρότερη στις διόδους γερμανίου από ότι στις διόδους πυριτίου. Για το λόγο αυτό, η διααγωγιμότητα των διόδων γερμανίου είναι μεγαλύτερη από αυτή των διόδων πυριτίου.

Τα χαρακτηριστικά των διόδων επηρεάζονται σημαντικά από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, η δημιουργία φορέων φορτίου γίνεται πιο έντονη και τα αντίστροφα και τα εμπρός ρεύματα της διόδου αυξάνονται.

Για μια πρόχειρη εκτίμηση, μπορούμε να υποθέσουμε ότι με αύξηση της θερμοκρασίας κατά 10 μοίρες, το αντίστροφο ρεύμα των διόδων γερμανίου αυξάνεται κατά 2 φορές και αυτό των διόδων πυριτίου κατά 2,5 φορές. Ωστόσο, λόγω του γεγονότος ότι σε θερμοκρασία δωματίου το αντίστροφο ρεύμα μιας διόδου γερμανίου είναι πολύ μεγαλύτερο από αυτό μιας διόδου πυριτίου, η απόλυτη τιμή της αύξησης του αντίστροφου ρεύματος μιας διόδου γερμανίου με την αύξηση της θερμοκρασίας αποδεικνύεται ότι είναι πολλές φορές μεγαλύτερο από αυτό μιας διόδου πυριτίου. Αυτό οδηγεί σε αύξηση της ισχύος που καταναλώνει η δίοδος, στη θέρμανσή της και σε μείωση της τάσης θερμικής διάσπασης. Λόγω του χαμηλού αντίστροφου ρεύματος, οι δίοδοι πυριτίου έχουν μικρή πιθανότητα θερμικής διάσπασης και πρώτα παρουσιάζουν ηλεκτρική βλάβη.

Η διάσπαση των διόδων πυριτίου καθορίζεται από τις διαδικασίες πολλαπλασιασμού χιονοστιβάδας των φορέων φορτίου κατά τον ιονισμό των ατόμων του κρυσταλλικού πλέγματος. Με την αύξηση της θερμοκρασίας, η θερμική διάχυση των φορέων κινητής φόρτισης αυξάνεται και η ελεύθερη διαδρομή τους μειώνεται. Προκειμένου ένα ηλεκτρόνιο σε μικρότερη διαδρομή να αποκτήσει ενέργεια επαρκή για ιονισμό, είναι απαραίτητη μια αύξηση του πεδίου επιτάχυνσης, η οποία επιτυγχάνεται σε υψηλότερη αντίστροφη τάση. Αυτό εξηγεί την αύξηση της τάσης διάσπασης των διόδων πυριτίου με την αύξηση της θερμοκρασίας.

Οι τύποι των διόδων που εξετάζονται καθιστούν δυνατή την ανόρθωση εναλλασσόμενου ρεύματος σε συσκευές με σχετικά χαμηλή τάση(500...700 V). Για τη διόρθωση υψηλότερων τάσεων, οι δίοδοι συνδέονται σε σειρά. Επί του παρόντος, παράγονται στύλοι και μπλοκ ανορθωτών (το δεύτερο στοιχείο της ονομασίας είναι το γράμμα "C"), οι οποίες αποτελούνται από ειδικά επιλεγμένες διόδους που συνδέονται μεταξύ τους και περικλείονται σε ένα κοινό περίβλημα.

5.2 Αρχή λειτουργίας, χαρακτηριστικάκαι τις παραμέτρους των διόδων ανορθωτή

Η αρχή λειτουργίας των διόδων ανορθωτή βασίζεται στην ιδιότητα της μονόδρομης ηλεκτρικής αγωγιμότητας r-pμετάβαση. Εάν παρέχεται εναλλασσόμενη τάση στη δίοδο (Εικ. 1.15), τότε κατά τη διάρκεια ενός μισού κύκλου, όταν υπάρχει θετικό μισό κύμα στην άνοδο, r-pστη διασταύρωση υπάρχει τάση προς τα εμπρός. Σε αυτή την περίπτωση, η αντίσταση της διόδου είναι χαμηλή. Ένα μεγάλο προς τα εμπρός ρεύμα ρέει μέσα από αυτό. Στον επόμενο μισό κύκλο, η πολικότητα της τάσης στη δίοδο αντιστρέφεται. Η αντίστασή του αυξάνεται σημαντικά. Πολύ λίγο αντίστροφο ρεύμα διέρχεται από αυτό.

Φορτίο συνδεδεμένο στο κύκλωμα πηγής ισχύος σε σειρά με τη δίοδο. Στην πράξη, το ρεύμα μέσω του φορτίου διέρχεται μόνο προς μία κατεύθυνση, αφού το αντίστροφο ρεύμα μπορεί να παραμεληθεί σε σύγκριση με το προς τα εμπρός ρεύμα. Έτσι, συμβαίνει ανόρθωση, δηλ. η μετατροπή του εναλλασσόμενου ρεύματος σε συνεχές ρεύμα (παλμικό).

Το κύκλωμα ανόρθωσης μιας διόδου, στο οποίο το ρεύμα διέρχεται από το φορτίο για μισό κύκλο, είναι το απλούστερο. Στην πράξη, χρησιμοποιούνται πιο πολύπλοκα σχήματα.

Χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσηςΗ δίοδος αντιπροσωπεύει την εξάρτηση του ρεύματος από το μέγεθος και την πολικότητα της εφαρμοζόμενης τάσης. Ο τύπος του καθορίζεται από το χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης r-pμετάβαση (βλ. Εικ. 1.11). Τα πραγματικά χαρακτηριστικά διαφέρουν από τα ιδανικά λόγω της επίδρασης διαφόρων παραγόντων. Το χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης της διόδου, καθώς και r-pη μετάβαση έχει δύο κλάδους: άμεση και αντίστροφη.

Το κύκλωμα για την ανάγνωση του χαρακτηριστικού ρεύματος-τάσης της διόδου φαίνεται στο Σχ. 1.16. Κατά την αφαίρεση του άμεσου κλάδου, στο κύκλωμα περιλαμβάνονται ένα χιλιοστόμετρο για τη μέτρηση συνεχούς ρεύματος και ένα βολτόμετρο για τη μέτρηση κλασμάτων ενός βολτ. Για να αποκτήσετε τον αντίστροφο κλάδο, είναι απαραίτητο να αλλάξετε την πολικότητα της παρεχόμενης τάσης, να ενεργοποιήσετε ένα μικροαμπερόμετρο που μετρά το αντίστροφο ρεύμα και ένα βολτόμετρο με κλίμακα δεκάδων και εκατοντάδων βολτ.

Στο Σχ. Το σχήμα 1.17 δείχνει τα πραγματικά χαρακτηριστικά ρεύματος-τάσης μιας διόδου γερμανίου και πυριτίου. Στην περιοχή των πολύ χαμηλών τάσεων προς τα εμπρός, μέχρι να αντισταθμιστεί το φράγμα δυναμικού, το ρεύμα είναι ακόμα τόσο μικρό και αυξάνεται τόσο αργά που δεν φαίνεται από το χιλιοστόμετρο στο κύκλωμα για χαρακτηρισμό και δεν μπορεί να παρουσιαστεί στο γράφημα στην επιλεγμένη κλίμακα για την κατασκευή του άμεσου κλάδου. Επομένως, το πραγματικό χαρακτηριστικό στην προς τα εμπρός κατεύθυνση δεν ξεκινά από το 0, αλλά σε μια ορισμένη τάση, που ονομάζεται κατώφλι. Τάση κατωφλίου U από τότε ανέρχεται σε δέκατα του βολτ. για μια δίοδο πυριτίου είναι μεγαλύτερη από μια δίοδο γερμανίου. Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, η τάση κατωφλίου μειώνεται. Η απόλυτη τιμή της μετατόπισης του άμεσου κλάδου του χαρακτηριστικού των διόδων πυριτίου με αλλαγές θερμοκρασίας είναι μικρότερη από αυτή των διόδων γερμανίου.

Οι αντίστροφοι κλάδοι των χαρακτηριστικών των διόδων πυριτίου και γερμανίου είναι πολύ διαφορετικοί από τα θεωρητικά χαρακτηριστικά r-pμετάβαση και μεταξύ τους. Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι το μέγεθος του αντίστροφου ρεύματος σε πραγματικές συνθήκες καθορίζεται όχι μόνο από το θερμικό ρεύμα, αλλά και από το ρεύμα διαρροής μέσω του κρυστάλλου και άλλους παράγοντες. Το ρεύμα διαρροής εξαρτάται από την αντίστροφη τάση και είναι σχεδόν ανεξάρτητο από τη θερμοκρασία, ενώ το θερμικό ρεύμα, αντίθετα, εξαρτάται μόνο από τη θερμοκρασία. Στις διόδους γερμανίου, το αντίστροφο ρεύμα καθορίζεται κυρίως από το θερμικό ρεύμα, επομένως αυξάνεται έντονα με την αύξηση της θερμοκρασίας και εξαρτάται ελάχιστα από αυτό. Σε μια δεδομένη θερμοκρασία / arr αυξάνεται απότομα μόνο στο αρχικό τμήμα από 0. όπως αναφέρθηκε, αυτό οφείλεται στη μείωση του ρεύματος διάχυσης των πλείστων φορέων φορτίου που ρέει υπό τάση προς τα εμπρός. Για τις διόδους πυριτίου, η τιμή /rev καθορίζεται από το ρεύμα διαρροής, καθώς το θερμικό ρεύμα είναι πολύ μικρότερο. Επομένως, καθώς αυξάνονται, το /o6p αυξάνεται ομοιόμορφα, ξεκινώντας από το μηδέν.

Με την αύξηση της θερμοκρασίας, η τάση διάσπασης των διόδων γερμανίου μειώνεται απότομα, ενώ αυτή των διόδων πυριτίου αυξάνεται ελαφρά.

Οι κύριες παράμετροι των διόδων ανορθωτή είναι:

προς τα εμπρός τάση -- νόημα DC τάσησε μια δίοδο σε δεδομένο μπροστινό ρεύμα.

αντίστροφο ρεύμα/rev -- η τιμή του συνεχούς ρεύματος που ρέει μέσω της διόδου προς την αντίστροφη κατεύθυνση σε μια δεδομένη αντίστροφη τάση.

αντίσταση διόδου προς τα εμπρός

ανέρχεται σε μονάδες και δεκάδες Ohms.

αντίσταση αντίστροφης διόδου

ανέρχεται σε μονάδες megaohms.

διαφορική αντίσταση διόδου g lif - ο λόγος της αύξησης της τάσης στη δίοδο προς τη μικρή αύξηση ρεύματος που την προκάλεσε

Άμεση και αντίστροφη αντίσταση είναι οι αντιστάσεις σε ένα δεδομένο σημείο του χαρακτηριστικού σε σταθερό ρεύμα της αντίστοιχης κατεύθυνσης. Η διαφορική αντίσταση είναι η αντίσταση στο εναλλασσόμενο ρεύμα. καθορίζει την κλίση της εφαπτομένης που σχεδιάζεται σε ένα δεδομένο σημείο του χαρακτηριστικού ρεύματος-τάσης στον άξονα της τετμημένης.

Κατά τη λειτουργία διόδων σε ανορθωτές, είναι σημαντικοί οι μέγιστοι επιτρεπόμενοι τρόποι χρήσης τους, που χαρακτηρίζονται από τις αντίστοιχες παραμέτρους. Προκειμένου να διασφαλιστεί η μακροχρόνια και αξιόπιστη λειτουργία των διόδων, δεν πρέπει να γίνεται υπέρβαση των παρακάτω σε καμία περίπτωση:

η μέγιστη επιτρεπόμενη αντίστροφη τάση, η οποία προσδιορίζεται με περιθώριο 0,7--0,8 U npo 6 ;

μέγιστη επιτρεπόμενη ισχύς που διαχέεται από τη δίοδο -- ;

μέγιστο επιτρεπόμενο συνεχές ρεύμα.

εύρος θερμοκρασίας λειτουργίας.

Οι δίοδοι γερμανίου λειτουργούν στο εύρος θερμοκρασίας από --60 έως συν 70--80 °C, οι δίοδοι πυριτίου - έως + 120--160 °C. Η επιτρεπόμενη πυκνότητα προς τα εμπρός ρεύματος για διόδους γερμανίου είναι 20--40 A/cm 2, για διόδους πυριτίου 60--80 A/cm 2. για διόδους γερμανίου, επιτρέπονται αντίστροφες τάσεις έως 500-600 V, για διόδους πυριτίου - έως 2000-3500 V. Η πτώση τάσης σε μια δίοδο γερμανίου κατά τη διέλευση ρεύματος είναι 0,3--0,6 V και σε μια δίοδο πυριτίου - 0,8--1,2 V.

Συγκρίνοντας τις ιδιότητες των διόδων γερμανίου και πυριτίου, μπορεί να σημειωθεί ότι οι δίοδοι πυριτίου έχουν αρκετές τάξεις μεγέθους χαμηλότερο αντίστροφο ρεύμα, επιτρέπουν πολύ υψηλότερες αντίστροφες τάσεις και πυκνότητες προς τα εμπρός ρεύματος και μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Επομένως, οι δίοδοι ανορθωτή κατασκευάζονται κυρίως από πυρίτιο, αν και η πτώση τάσης σε μια δίοδο πυριτίου στο μπροστινό ρεύμα είναι μεγαλύτερη από αυτή σε μια δίοδο γερμανίου.

5.3 Ταξινόμηση διόδων ανορθωτή κατά ισχύ

Ο ανορθωτής είναι μια δίοδος ημιαγωγών που έχει σχεδιαστεί για να μετατρέπει το εναλλασσόμενο ρεύμα σε συνεχές ρεύμα. Η αρχή λειτουργίας των διόδων ανορθωτή βασίζεται στην ανορθωτική ιδιότητα της διασταύρωσης p-n. Ανάλογα με τη μέγιστη επιτρεπόμενη μέση τιμή του μπροστινού ρεύματος, οι δίοδοι ανορθωτή χωρίζονται σε δίοδοι χαμηλής, μέσης και υψηλής ισχύος.

Οι δίοδοι χαμηλής ισχύος έχουν σχεδιαστεί για να διορθώνουν ρεύματα έως 300 mA, δίοδοι μέσης και υψηλής ισχύος, αντίστοιχα, από 300 mA έως 10 A και από 10 έως 1000 A.

Η βιομηχανία παράγει διόδους γερμανίου και πυριτίου. Πλεονεκτήματα των διόδων πυριτίου: χαμηλά αντίστροφα ρεύματα, δυνατότητα χρήσης σε υψηλότερες θερμοκρασίες περιβάλλοντος και υψηλές αντίστροφες τάσεις, υψηλές επιτρεπόμενες πυκνότητες ρεύματος (60-80 A/cm 2 σε σύγκριση με 20-40 A/cm 2 για τις διόδους γερμανίου). πλεονεκτήματα των διόδων γερμανίου: χαμηλή πτώση τάσης κατά τη διέλευση ρεύματος προς τα εμπρός (0,3 - 0,6 V σε σύγκριση με 0,8 - 1,2 V για διόδους πυριτίου).

Δίοδοι σχεδιασμένες να λειτουργούν σε διάφορα κυκλώματα ανορθωτήΤα τροφοδοτικά μπορούν να διορθώσουν ρεύματα χαμηλής συχνότητας (50...20000 Hz). Σε τέτοιες διόδους, κατά κανόνα, χρησιμοποιούνται επίπεδες συνδέσεις p-n, που κατασκευάζονται με τη μέθοδο κράματος ή διάχυσης.

Οι περισσότερες διόδους ανορθωτή έχουν σχεδιαστεί για χρήση σε συσκευές μετατροπής ηλεκτρικά σήματασε ηλεκτρονικό εξοπλισμό (ανιχνευτές, περιοριστές στάθμης κ.λπ.), λειτουργούν σε συχνότητες έως και αρκετές εκατοντάδες megahertz. Όσον αφορά τις μεθόδους κατασκευής, το σχεδιασμό, τα χαρακτηριστικά και τις παραμέτρους, αυτές οι ομάδες διόδων διαφέρουν σημαντικά από τις διόδους ανόρθωσης χαμηλής συχνότητας και ονομάζονται διόδους ανόρθωσης υψηλής συχνότητας.

Η παράμετρος αναφοράς των διόδων ανορθωτή χαμηλής ισχύος χαμηλής συχνότητας είναι το επιτρεπόμενο ρεύμα ανορθωτή (η επιτρεπόμενη μέση τιμή του μπροστινού ρεύματος), που καθορίζει, σε ένα δεδομένο εύρος θερμοκρασίας, την επιτρεπόμενη μέση τιμή κατά την περίοδο της μακροπρόθεσμης ημιτονοειδούς προς τα εμπρός παλμοί ρεύματος που διαρρέουν τη δίοδο με παύσεις 180; (μισός κύκλος) και συχνότητα f = 50 Hz, συμβολίζεται . Μια άλλη βασική παράμετρος είναι η μέγιστη επιτρεπόμενη αντίστροφη τάση - η τάση που εφαρμόζεται στην αντίθετη κατεύθυνση. Η δίοδος μπορεί να αντέξει αυτή την τάση για μεγάλο χρονικό διάστημα χωρίς να επηρεάσει την απόδοσή της. Η μέγιστη αντίστροφη τάση των διόδων ανόρθωσης χαμηλής ισχύος κυμαίνεται από δεκάδες βολτ έως 1200 V. Περισσότερα υψηλή τάσηΗ βιομηχανία παράγει ανορθωτές στήλες που χρησιμοποιούν μια σειρά σύνδεσης διόδων. Τα αντίστροφα ρεύματα δεν υπερβαίνουν τα 300 µA για τις διόδους γερµανίου και τα 10 µA για τις διόδους πυριτίου. Ο σχεδιασμός των διόδων ανόρθωσης χαμηλής συχνότητας χαμηλής ισχύος φαίνεται στο Σχ. 4.3, ΕΝΑχρησιμοποιώντας μια δίοδο γερμανίου από κράμα ως παράδειγμα και το χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης της στο Σχ. 4.3, σι.

Δομικά, η δίοδος ανορθωτή κατασκευάζεται σε μεταλλικό σφραγισμένο συγκολλημένο περίβλημα. Για να βελτιωθεί η διάχυση θερμότητας, το κρύσταλλο 7 συγκολλάται απευθείας στη θήκη κρυστάλλου 8, η οποία, ως περιοχή βάσης, έχει εξωτερική έξοδο 9. Αυτή η έξοδος συνήθως ονομάζεται κάθοδος. Το κάλυμμα του περιβλήματος είναι συγκολλημένο στη βάση της θήκης κρυστάλλου 4 με μονωτικό γυαλιού 3, από το οποίο περνά ο σωλήνας 2 με εξωτερική έξοδο από τον πομπό /. Το τερματικό του πομπού συνήθως ονομάζεται άνοδος. Εσωτερικός ακροδέκτης ανόδου 5 συνδέεται με το στρώμα εκπομπού, το οποίο λαμβάνεται με τη σύντηξη ενός δισκίου ινδίου 6 στο σώμα του γερμανίου. Στο Σχ. 4.3, Vυπό όρους δεδομένη γραφικός προσδιορισμόςδίοδος. Στις διόδους ανορθωτή μέσης ισχύος, επιτυγχάνεται μεγάλο ρεύμα προς τα εμπρός αυξάνοντας το μέγεθος του κρυστάλλου, ιδιαίτερα της περιοχής εργασίας r-pμετάβαση. Οι δίοδοι μέσης ισχύος παράγονται κυρίως σε πυρίτιο. Από αυτή την άποψη, το αντίστροφο ρεύμα αυτών των διόδων με σχετικά μεγάλη περιοχή r-pΗ μετάβαση είναι αρκετά μικρή (αρκετές δεκάδες microamp). Η θερμότητα που παράγεται στον κρύσταλλο από τη ροή συνεχούς ρεύματος σε διόδους μέσης ισχύος δεν μπορεί πλέον να διαχέεται από το σώμα της συσκευής. Για τη βελτίωση των συνθηκών απαγωγής θερμότητας σε αυτές τις διόδους, χρησιμοποιούνται επιπλέον ψύκτες-καλοριφέρ. Τα καλοριφέρ είναι κατασκευασμένα από μέταλλο με καλή θερμική αγωγιμότητα (συνήθως κράματα αλουμινίου) και μεγαλύτερη επιφάνεια για καλύτερη μεταφορά θερμότητας σε περιβάλλο. Για να μειωθούν οι μηχανικές καταπονήσεις που προκύπτουν από τη θέρμανση και την ψύξη κατά τη λειτουργία της διόδου, το υλικό του περιβλήματος και του σωλήνα είναι κατασκευασμένο από κράμα kovar (29 % Ni, 18% Co και 53% Fe), του οποίου ο συντελεστής γραμμικής διαστολής είναι συνεπής με το γυαλί. Για να βελτιωθεί η εκπομπή, τα θερμαντικά σώματα συχνά μαυρίζονται. Για να στερεώσετε το ψυγείο, το περίβλημα της διόδου έχει μια ράβδο με σπείρωμα βίδας. Ένα παράδειγμα πιθανού σχεδιασμού διόδων ανορθωτή μέσης ισχύος φαίνεται στο Σχ. 4.4.

Οι ισχυρές δίοδοι (ισχύς) διαφέρουν ως προς τις ιδιότητες συχνότητας και λειτουργούν σε συχνότητες από δεκάδες hertz έως δεκάδες kilohertz. Οι δίοδοι ισχύος κατασκευάζονται κυρίως από πυρίτιο. Μια γκοφρέτα πυριτίου που δημιουργείται με τη μέθοδο της διάχυσης είναι ένας δίσκος με διάμετρο 10-100 mm και πάχος 0,3-0,6 mm. Ένα παράδειγμα πιθανού σχεδιασμού μιας διόδου υψηλής ισχύος φαίνεται στο Σχ. 4.5.

Η λειτουργία σε υψηλά ρεύματα και υψηλές αντίστροφες τάσεις σχετίζεται με την απελευθέρωση σημαντικής ισχύος r-pμετάβαση. Επομένως, σε εγκαταστάσεις με ισχυρές δίοδοιΧρησιμοποιείται ψύξη αέρα και υγρού. Με την ψύξη του αέρα, η θερμότητα αφαιρείται χρησιμοποιώντας ένα ψυγείο και η ροή αέρα περνά κατά μήκος των πτερυγίων που αφαιρούν τη θερμότητα. Σε αυτήν την περίπτωση, η ψύξη μπορεί να είναι φυσική, εάν η απομάκρυνση θερμότητας στο περιβάλλον καθορίζεται από τη φυσική μεταφορά αέρα, ή εξαναγκασμένη, εάν χρησιμοποιείται εξαναγκασμένη ροή αέρα του σώματος της συσκευής και του ψυγείου της με χρήση ανεμιστήρα.

Εικόνα 4.4. Σχεδιασμός διόδου ανορθωτή πυριτίου μέσης ισχύος: 1 - εξωτερικό καλώδιο (άνοδος), 2 - σωλήνας, 3 - γυάλινος μονωτήρας 4 - περίβλημα, 5 - εσωτερικός αγωγός ανόδου, 6 - αλουμίνιο 7 - κρύσταλλος πυριτίου, 8 - βάση ψύκτρας, 9 - θήκη κρυστάλλου, 10 - εξωτερική έξοδος (κάθοδος).

Εικόνα 4.5. Σχεδιασμός διόδου ανορθωτή πυριτίου υψηλής ισχύος. 1 - εξωτερικό εύκαμπτο καλώδιο (άνοδος), 2 - γυαλί, 3 - μονωτήρας γυαλιού, 4 - εσωτερικό εύκαμπτο καλώδιο της ανόδου, 5 - σώμα, 6 - κύπελλο, 7 - κρύσταλλο πυριτίου, 8 - θήκη κρυστάλλου (κάθοδος), 9 - πείρος στερέωσης στο ψυγείο.

Με την υγρή ψύξη, ένα υγρό που απομακρύνει τη θερμότητα, όπως νερό, αντιψυκτικό, λάδι μετασχηματιστή ή συνθετικά διηλεκτρικά υγρά, διοχετεύεται στο ψυγείο μέσω ειδικών καναλιών. ΣΕ πρόσφατα ευρεία εφαρμογήδέχτηκε ψύξη με εξάτμιση, με βάση την αφαίρεση θερμότητας λόγω του σχηματισμού φυσαλίδων ατμού στην επιφάνεια αφαίρεσης θερμότητας του ψυγείου. Ο ατμός που προκύπτει εισέρχεται σε έναν εναλλάκτη θερμότητας συνδεδεμένο με το εξωτερικό περιβάλλον. Αυτή η μέθοδος είναι αποτελεσματική λόγω της υψηλής θερμότητας εξάτμισης των υγρών. Οι δίοδοι ισχύος χρειάζονται προστασία από βραχυπρόθεσμες υπερτάσεις που συμβαίνουν κατά τη διάρκεια ξαφνικής απόρριψης φορτίου, μεταγωγής και λειτουργίας έκτακτης ανάγκης, καθώς και από ατμοσφαιρικές επιρροές και κεραυνούς. Σε αυτή την περίπτωση, ένας πρόσθετος παλμός τάσης εφαρμόζεται στη δίοδο προς την αντίθετη κατεύθυνση, ο οποίος μπορεί να οδηγήσει πρώτα σε ηλεκτρική βλάβη και στη συνέχεια σε θερμική βλάβη. Για να αποφευχθεί η θερμική διάσπαση, μετά την οποία η διασταύρωση χάνει τις ανορθωτικές της ιδιότητες, είναι απαραίτητο να περιοριστεί έγκαιρα η δράση του παλμού υπέρτασης. Αυτή η εργασία πρέπει να εκτελείται από διάφορες συσκευές αυτοματισμού έκτακτης ανάγκης.

Πολύ συχνά το απαιτούμενο επιτρεπόμενο ανορθωμένο ρεύμα και η μέγιστη αντίστροφη τάση υπερβαίνουν τις ονομαστικές παραμέτρους των υπαρχουσών διόδων ανορθωτή. Σε αυτές τις περιπτώσεις, το πρόβλημα επιλύεται με παράλληλη και σειριακή σύνδεση διόδων, αντίστοιχα.

Η σειριακή σύνδεση των διόδων ανορθωτή γίνεται όταν είναι απαραίτητο να αυξηθεί η συνολική επιτρεπόμενη αντίστροφη τάση που εφαρμόζεται σε καθεμία από αυτές.

Οι αντίστροφες αντιστάσεις των διόδων ανόρθωσης έχουν μεγάλη διασπορά (οι διαφορές φτάνουν μέχρι μία ή δύο τάξεις μεγέθους), επομένως η αντίστροφη τάση που εφαρμόζεται σε ένα κύκλωμα διόδων συνδεδεμένων σε σειρά θα κατανεμηθεί άνισα, αλλά ανάλογα με τις αντίστροφες αντιστάσεις τους. Η μεγαλύτερη πτώση τάσης θα συμβεί σε δίοδο με υψηλή αντίστροφη αντίσταση. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε ηλεκτρική και στη συνέχεια θερμική βλάβη r-pμετάβαση αυτής της διόδου. Μετά από αυτό, η αντίστροφη τάση θα κατανεμηθεί στις υπόλοιπες διόδους. Θα συμβεί βλάβη της επόμενης διόδου, η οποία έχει την υψηλότερη αντίσταση ανάστροφης διασταύρωσης μεταξύ των υπόλοιπων διόδων. Και έτσι μία-μία οι δίοδοι θα αποτύχουν. Για να αποφευχθεί αυτό, θα πρέπει να εξισορροπήσετε τις αντίστροφες πτώσεις τάσης στις διόδους της αλυσίδας σειράς μετατρέποντάς τις με αντιστάσεις της ίδιας αντίστασης. Η αντίσταση της αντίστασης διακλάδωσης επιλέγεται να είναι μεγάλη προκειμένου να εξαλειφθούν μεγάλες απώλειες ισχύος σε αυτήν. Στο Σχ. Το σχήμα 4.6 δείχνει ένα διάγραμμα ενός ανορθωτή μισού κύματος που αποτελείται από διόδους συνδεδεμένες σε σειρά, με ταυτόσημες αντιστάσεις διακλάδωσης συνδεδεμένες παράλληλα. Αντίσταση αντίστασης επιλέγεται όπου είναι η αντίσταση φορτίου του ανορθωτή. Με μια τέτοια σύνδεση, όλοι nαντιστάσεις διακλάδωσης, η κατανομή των αντίστροφων τάσεων στις διόδους θα είναι η ίδια: , πού είναι η αντίστροφη τάση στην είσοδο του ανορθωτή.

Η παράλληλη σύνδεση των διόδων ανορθωτή γίνεται για να αυξηθούν οι επιτρεπόμενες τιμές του ρεύματος ανορθωτή. Δεδομένου ότι, λόγω τεχνολογικών αποκλίσεων, υπάρχει σημαντική εξάπλωση στις τιμές των άμεσων αντιστάσεων των μεταβάσεων, τότε με την εισαγωγή μιας αντίστασης έρματος σε κάθε έναν από τους παράλληλους κλάδους , είναι δυνατό να εξισωθούν τα συνεχή ρεύματα σε παράλληλους κλάδους, αλλά πρέπει να πληρούται η προϋπόθεση.

Στο Σχ. Το σχήμα 4.7 δείχνει ένα διάγραμμα ενός ανορθωτή μισού κύματος με διόδους συνδεδεμένες παράλληλα. Πως μεγαλύτερη αξίααντιστάσεις R 6 , τόσο μικρότερες είναι οι διαφορές μεταξύ συνεχών ρευμάτων σε παράλληλα κυκλώματα. Ωστόσο, η αύξηση των τιμών της αντίστασης έρματος αυξάνει υπερβολικά την πτώση τάσης στο εσωτερικό του ανορθωτή, η οποία μειώνει την τάση στην έξοδο του ανορθωτή και μειώνει την απόδοσή του.

Παρόμοια έγγραφα

    Παράμετροι, ιδιότητες, χαρακτηριστικά διόδων ημιαγωγών, θυρίστορ και τρανζίστορ, διόδους ανορθωτή. Λειτουργικός ενισχυτής, παλμικές συσκευές. Υλοποίηση ενός πλήρους συστήματος λογικών συναρτήσεων με χρήση τσιπ καθολικής λογικής.

    δοκιμή, προστέθηκε στις 25/07/2013

    Η έννοια της διόδου ημιαγωγών. Χαρακτηριστικά ρεύματος-τάσης διόδων. Υπολογισμός κυκλώματος όργανο μέτρησης. Παράμετροι των διόδων που χρησιμοποιούνται. Βασικές παράμετροι, συσκευή και σχεδιασμός διόδων ημιαγωγών. Σχεδιασμός κράματος και σημειακών διόδων.

    εργασία μαθήματος, προστέθηκε 05/04/2011

    Ταξινόμηση διόδων ανάλογα με την τεχνολογία κατασκευής: επίπεδες, σημειακές, μικροκράμα, μεσαδιαχύσεις, επιταξιακές-επίπεδες. Τύποι διόδων κατά λειτουργικό σκοπό. Βασικές παράμετροι, κυκλώματα μεταγωγής και χαρακτηριστικά ρεύματος-τάσης.

    εργασία μαθήματος, προστέθηκε 22/01/2015

    Η έννοια των διόδων ως συσκευών ηλεκτροκενού (ημιαγωγών). Ο σχεδιασμός μιας διόδου, οι βασικές της ιδιότητες. Κριτήρια ταξινόμησης διόδων και τα χαρακτηριστικά τους. Διατηρήστε τη σωστή πολικότητα όταν συνδέετε μια δίοδο σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα. Σήμανση διόδου.

    παρουσίαση, προστέθηκε 10/05/2015

    Μελέτη χαρακτηριστικών ρεύματος-τάσης διόδων, λαμβάνοντας χαρακτηριστικά σε διάφορες τιμές τάσης. Προσέγγιση γραφημάτων χαρακτηριστικών ρεύματος-τάσης διόδων, συναρτήσεις πρώτου και δεύτερου βαθμού, εκθέτες. Πηγαίος κώδικας του προγράμματος και δεδομένα που λαμβάνονται.

    εργαστηριακές εργασίες, προστέθηκε 24/07/2012

    Προσδιορισμός των μέγιστων και ελάχιστων τιμών της ανορθωμένης τάσης δικτύου, διαγράμματα λειτουργίας του μετατροπέα. Επιλογή διόδων ανορθωτή, μετασχηματιστή, τρανζίστορ, ανορθωτή και στοιχείων μονάδας ελέγχου. Υπολογισμός κυκλώματος απόσβεσης και απόδοσης.

    εργασία μαθήματος, προστέθηκε 18/02/2010

    Υπολογισμός του μετασχηματιστή και των παραμέτρων του ενσωματωμένου σταθεροποιητή τάσης. Θεμελιώδης ηλεκτρικό διάγραμματροφοδοτικό. Υπολογισμός παραμέτρων ενός μη ελεγχόμενου ανορθωτή και φίλτρου εξομάλυνσης. Επιλογή διόδων ανορθωτή, επιλογή μεγεθών μαγνητικών κυκλωμάτων.

    εργασία μαθήματος, προστέθηκε 14/12/2013

    Κατασκευή κυκλωμάτων με δίοδο από τη βιβλιοθήκη SimElectronics και ηλεκτρική δίοδοςαπό τη βιβλιοθήκη Simscape και γραφήματα ρεύματος έναντι τάσης. Προσέγγιση γραφημάτων χαρακτηριστικών ρεύματος-τάσης διόδων με χρήση διαφόρων μεθόδων σε 2 διαφορετικές θερμοκρασίες.

    δοκιμή, προστέθηκε 07/08/2012

    Γενικές πληροφορίες για τις πηγές μέτρησης της οπτικής ακτινοβολίας, μελέτη της εξασθένησής τους. Βασικές απαιτήσεις για τεχνικές προδιαγραφέςμετρητές οπτικής ισχύος. Η αρχή λειτουργίας και ο σχεδιασμός των διόδων λέιζερ, η συγκριτική τους ανάλυση.

    διατριβή, προστέθηκε 01/09/2014

    Η έννοια των συσκευών ημιαγωγών, τα χαρακτηριστικά ρεύματος-τάσης τους. Περιγραφή τρανζίστορ, διόδους zener, LED. Εξέταση της τυπολογίας των επιχειρήσεων. Μελέτη προφυλάξεων ασφαλείας για εργασία με ηλεκτρονικό εξοπλισμό, μέτρα προστασίας από τον θόρυβο.

Ονομάζεται μια συσκευή με μία σύνδεση p-n και δύο ακροδέκτες, που της επιτρέπουν να συμπεριληφθεί σε ένα εξωτερικό ηλεκτρικό κύκλωμα. Η αρχή λειτουργίας και η φυσική της διαδικασίας που λαμβάνει χώρα σε αυτήν τη συσκευή θα συζητηθούν σε αυτό το υλικό.

Θεωρητικό μέρος

Η λειτουργία των διόδων ημιαγωγών βασίζεται στις ιδιότητες της σύνδεσης p-n, η οποία σχηματίζεται στη διεπαφή μεταξύ των περιοχών ημιαγωγών με οπή (p) και ηλεκτρονική αγωγιμότητα (n). Η συγκέντρωση των ηλεκτρονίων στην περιοχή n είναι σημαντικά μεγαλύτερη από ό,τι στην περιοχή p, και υπάρχουν περισσότερες οπές στην περιοχή p παρά στην περιοχή n. Η άνιση πυκνότητα των σωματιδίων προκαλεί τη διάχυση των πλειοψηφικών φορέων από περιοχές υψηλότερης συγκέντρωσης: ηλεκτρόνια από την περιοχή n και οπές από την περιοχή p. Ως αποτέλεσμα του ανασυνδυασμού, εμφανίζεται ένα στρώμα εξαντλημένο από φορέα στο όριο των περιοχών p και n, το οποίο ονομάζεται στρώμα αποκλεισμού (Εικ. 1, α). Τα ιόντα ακαθαρσιών δότη και δέκτη στην περιοχή του στρώματος αποκλεισμού δημιουργούν ένα ηλεκτρικό πεδίο με ισχύ Evn, το οποίο εμποδίζει την περαιτέρω διάχυση των πλειοψηφικών φορέων και δημιουργεί ένα ρεύμα μετατόπισης που προκαλείται από μειοψηφικούς φορείς.

Εικόνα 1. Δίοδος ημιαγωγών

Κατά τη σύνδεση μιας πηγής emf. στη διασταύρωση n-p, ανάλογα με την κατεύθυνση του διανύσματος τάσης πηγής, το πλάτος του στρώματος μπλοκαρίσματος μπορεί:

  • μείωση- τα διανύσματα τάσης της πηγής και του στρώματος αποκλεισμού είναι αντίθετα, γεγονός που οδηγεί σε αύξηση του ρεύματος διάχυσης.
  • Αύξηση- τα διανύσματα τάσης της πηγής και του στρώματος μπλοκαρίσματος κατευθύνονται προς την ίδια κατεύθυνση, γεγονός που οδηγεί σε μείωση των ρευμάτων διάχυσης σχεδόν στο μηδέν και σε αύξηση του ρεύματος ολίσθησης.

Παρατίθεται p-n ιδιότητεςοι σύνδεσμοι χρησιμοποιούνται σε διόδους ημιαγωγών. Οι δίοδοι ημιαγωγών έχουν ασύμμετρες διασταυρώσεις ηλεκτρονίου-οπής. Μια περιοχή του ημιαγωγού με υψηλότερη συγκέντρωση ακαθαρσιών (η περιοχή υψηλής πρόσμιξης) χρησιμεύει ως εκπομπός και μια άλλη με χαμηλότερη συγκέντρωση ακαθαρσιών (η περιοχή χαμηλής πρόσμιξης) χρησιμεύει ως βάση.

Ο πείρος που συνδέει τον πομπό με τον εξωτερικό ηλεκτρικό κύκλωμα, ονομάζεται κάθοδος και το τερματικό που συνδέεται με τη βάση ονομάζεται άνοδος (Εικ. 1, β).

Οι διόδους ανορθωτή έχουν σχεδιαστεί για να μετατρέπουν το εναλλασσόμενο ρεύμα σε μονοκατευθυντικό ρεύμα. Το χαρακτηριστικό βολτ-αμπέρ (CVC) μιας διόδου ημιαγωγών φαίνεται στο Σχ. 2.


Εικόνα 2. Χαρακτηριστικά I-V διόδου ημιαγωγών

Το χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης έχει έναν άμεσο ("1" στο Σχ. 2) και έναν αντίστροφο ("2" στο Σχ. 2) κλάδους. Όταν η δίοδος είναι ενεργοποιημένη προς τα εμπρός (ο μπροστινός κλάδος του χαρακτηριστικού ρεύματος-τάσης), το διάνυσμα τάσης της εξωτερικής πηγής Eist κατευθύνεται αντίθετα από το διάνυσμα τάσης της διασταύρωσης p-n της διόδου, τον θετικό πόλο της Η πηγή συνδέεται με την άνοδο της διόδου και ο αρνητικός πόλος στην κάθοδο της διόδου. Σε αυτή την περίπτωση, το διάνυσμα ολικής τάσης μειώνεται. Αυτό οδηγεί σε μείωση του φραγμού δυναμικού στη διασταύρωση pn.

Σε αυτή τη λειτουργία, μέρος των περισσότερων φορέων φόρτισης με τις υψηλότερες τιμές ενέργειας θα ξεπεράσει το χαμηλωμένο φράγμα δυναμικού και θα περάσει από τη διασταύρωση pn. Κατά τη μετάβαση, η κατάσταση ισορροπίας θα διαταραχθεί και ένα ρεύμα διάχυσης θα ρέει μέσω αυτής λόγω της έγχυσης ηλεκτρονίων από την περιοχή n στον ημιαγωγό και οπών από την περιοχή p στον ημιαγωγό n.

Η τάση Uthr, από την οποία μικρές αυξήσεις της προς τα εμπρός τάσης προκαλούν απότομη αύξηση του ρεύματος, ονομάζεται κατώφλι.

Όταν η δίοδος είναι ενεργοποιημένη προς την αντίστροφη κατεύθυνση (αντίστροφη διακλάδωση του χαρακτηριστικού ρεύματος-τάσης), η κατεύθυνση του διανύσματος τάσης εξωτερικής πηγής Eist συμπίπτει με το διάνυσμα ισχύος πεδίου μετάβασης: ο αρνητικός πόλος της πηγής συνδέεται με την κάθοδο του η δίοδος, και ο θετικός πόλος της πηγής συνδέεται με την άνοδο της διόδου. Αυτή η συμπερίληψη της διόδου οδηγεί σε αύξηση του δυναμικού φράγμα p-nΗ μετάβαση της διόδου και το ρεύμα μέσω της διασταύρωσης θα καθοριστούν από φορείς μειοψηφίας φορτίου: ηλεκτρόνια από την περιοχή p στην περιοχή n και οπές από την περιοχή n στην περιοχή p. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται εξαγωγή μειοψηφικού φορέα και το ρεύμα που διαρρέει τη δίοδο ονομάζεται αντίστροφο ρεύμα Irev.

Με μια περαιτέρω αύξηση της αντίστροφης τάσης που εφαρμόζεται στη δίοδο, σε μια ορισμένη τιμή του Urev1, θα συμβεί μια απότομη αύξηση του αντίστροφου ρεύματος σε αυτήν - ενότητα "3" στο σχήμα 2. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται διάσπαση. Γίνεται διάκριση μεταξύ ηλεκτρικής και θερμικής διάσπασης της διασταύρωσης p-n. Η διάσπαση χιονοστιβάδας είναι μια ηλεκτρική διάσπαση μιας μετάβασης που προκαλείται από έναν πολλαπλασιασμό χιονοστιβάδας φορέων φορτίου υπό την επίδραση ενός ισχυρού ηλεκτρικού πεδίου. Τα ηλεκτρόνια, έχοντας επιταχυνθεί στο πεδίο της στιβάδας αποκλεισμού, εκτοξεύουν ηλεκτρόνια σθένους από τα άτομα του ημιαγωγού, τα οποία, με τη σειρά τους, καταφέρνουν να επιταχύνουν και να εξαλείψουν νέα ηλεκτρόνια κ.λπ. Η διαδικασία εξελίσσεται σαν χιονοστιβάδα και συνοδεύεται από ταχεία αύξηση του αντίστροφου ρεύματος.

Η θερμική διάσπαση συμβαίνει λόγω υπερθέρμανσης της διασταύρωσης pn ή ενός ξεχωριστού τμήματός της (τμήμα «4» στο Σχ. 2). Σε αυτή την περίπτωση, εμφανίζεται εντατική δημιουργία ζευγών ηλεκτρονίων-οπών και αυξάνεται το αντίστροφο ρεύμα, γεγονός που οδηγεί σε αύξηση της ισχύος που απελευθερώνεται στη διασταύρωση p-n και σε περαιτέρω θέρμανση. Αυτή η διαδικασία είναι επίσης σαν χιονοστιβάδα και τελειώνει με την τήξη του υπερθερμανθέντος τμήματος διασταύρωσης και την αστοχία της διόδου.

Ανάλογα με τον λόγο των γραμμικών διαστάσεων της ανορθωτικής σύνδεσης p-n διόδους ημιαγωγώνχωρίζονται σε δύο κατηγορίες: σημειακή και επίπεδη. Οι σημειακές δίοδοι έχουν χαμηλή χωρητικότητα p-nμεταπτώσεις και χρησιμοποιούνται για την ανόρθωση εναλλασσόμενου ρεύματος οποιασδήποτε συχνότητας μέχρι φούρνο μικροκυμάτων. Στις επίπεδες διόδους, η χωρητικότητα της σύνδεσης p-n είναι αρκετές δεκάδες pF.

Πρακτικό μέρος

Η εργαστηριακή εργασία είναι αφιερωμένη στη μελέτη μιας διόδου ανορθωτή ημιαγωγών. Η υπό μελέτη δίοδος FR302 είναι στερεωμένη σε μια σανίδα από υαλοβάμβακα μαζί με μια αντίσταση περιορισμού ρεύματος MLT-2 43 Ohm. Η αντίσταση έχει σχεδιαστεί για να περιορίζει το ρεύμα κατά την αφαίρεση του άμεσου κλάδου του χαρακτηριστικού, καθώς όταν η διασταύρωση p-n είναι ανοιχτή, η αντίσταση της διόδου είναι χαμηλή.


Η αγωγιμότητα της διόδου εξετάζεται χρησιμοποιώντας ένα χιλιοστόμετρο (μικροαμπερόμετρο) και ένα βολτόμετρο, σύμφωνα με τις μετρήσεις από τις οποίες απεικονίζεται το χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης (χαρακτηριστικό βολτ-αμπέρ) της διόδου.


Εικόνα 3. Ηλεκτρικά διάγραμμα κυκλώματοςαφαιρώντας τον άμεσο κλάδο του χαρακτηριστικού ρεύματος-τάσης της διόδου

Η εγκατάσταση τροφοδοτείται από ρυθμιζόμενο τροφοδοτικό, το οποίο παρέχει D.C.τάση από 0 έως 12 V (σταθεροποιημένη έξοδος) και τάση συνεχούς ρεύματος από 0 έως 36 V (μη σταθεροποιημένη έξοδος).


Για τη μέτρηση του άμεσου κλάδου του χαρακτηριστικού, χρησιμοποιούνται ένα χιλιοστόμετρο και ένα χιλιοστοβολτόμετρο, καθώς σε ανοιχτή κατάσταση η πτώση τάσης στη δίοδο είναι περίπου 1 V και το ρεύμα μέσω αυτού φτάνει τα 200 mA.


Εικόνα 4. Διάγραμμα ηλεκτρικού κυκλώματος για την αφαίρεση του αντίστροφου κλάδου του χαρακτηριστικού ρεύματος-τάσης της διόδου

Για να αφαιρέσετε τον αντίστροφο κλάδο του χαρακτηριστικού ρεύματος-τάσης της διόδου, η αντίστροφη τάση στη δίοδο φτάνει στα 36 V. Σε αυτήν την τάση, το αντίστροφο ρεύμα της διόδου FR302 παραμένει μικρό (μερικές έως δεκάδες μικροαμπέρ), έτσι ώστε να μετρηθεί αυτό, ένα μικροαμπερόμετρο περιλαμβάνεται στο κύκλωμα αντί για ένα χιλιοστόμετρο. Είναι εξαιρετικά ανεπιθύμητο να αυξηθεί πολύ το αντίστροφο ρεύμα της διόδου, καθώς αυτό μπορεί να οδηγήσει σε αστοχία της. Επιπλέον, οι τάσεις πάνω από 42 V είναι επικίνδυνες και η χρήση τους είναι ανεπιθύμητη.







Υλικό που παρέχεται για μελέτη - Ντένεφ.

Συζητήστε το άρθρο ΔΙΟΔΕΣ ΑΝΟΡΘΩΤΩΝ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ

Δίοδοι ημιαγωγών

Η αρχή λειτουργίας της διόδου βασίζεται στις ιδιότητες των συνδέσεων p-n που σχηματίζονται ως αποτέλεσμα ημιαγωγών με διαφορετικών τύπωναγωγιμότητα ή επαφή ημιαγωγού με μέταλλο (δίοδος Schottky).

Ταξινόμηση διόδων:

1. Ανορθωτής

2. Δίοδοι Zener

3. Σήραγγα

4. Μετατρέπει

5. Varicaps

6. Φωτοδίοδοι

7. LED

8. Δίοδοι Schottky

Χωρίζεται σε:

Σημείο

Επίπεδη

Οι επίπεδες δίοδοι έχουν μεγαλύτερη χωρητικότητα διασταύρωσης στο ισοδύναμο κύκλωμα.

Δεδομένου ότι η αντίσταση χωρητικότητας είναι αντιστρόφως ανάλογη με τη συχνότητα τάσης σύμφωνα με τον τύπο

,

τότε στις υψηλές συχνότητες η αντίσταση πέφτει σχεδόν στο μηδέν, δηλ. η διασταύρωση είναι βραχυκυκλωμένη και επομένως η διασταύρωση p-n δεν λειτουργεί σε αυτές τις συχνότητες.

Όταν μια άμεση τάση ("+" στην άνοδο, "-" στην κάθοδο) εφαρμόζεται στη δίοδο μέχρι σχεδόν 0,3 V, δεν ρέει ρεύμα μέσω της δίοδος. Αυτή η τάση ήταν απαραίτητη για να ξεπεραστεί το δυνητικό εμπόδιο της μετάβασης επαφής. Με περαιτέρω αύξηση της τάσης, το ρεύμα έχει τετραγωνική εξάρτηση.

Μια περαιτέρω αύξηση της τάσης μπορεί να οδηγήσει σε αύξηση του ρεύματος που υπερβαίνει τη μέγιστη επιτρεπόμενη τιμή και η θερμοκρασία της περιοχής της καθόδου, όπου συμβαίνει ο ανασυνδυασμός ηλεκτρονίων και οπών, μπορεί να υπερβεί τη μέγιστη επιτρεπόμενη τιμή. Σε αυτή την περίπτωση, εμφανίζεται μια μη αναστρέψιμη διαδικασία θερμικής διάσπασης της σύνδεσης p-n.

Όταν εφαρμόζεται αντίστροφη τάση, το πλάτος της σύνδεσης p-n αυξάνεται, περιορίζοντας έτσι τον αριθμό των εγχυόμενων ηλεκτρονίων από την περιοχή n στην p. Φτάνοντας U PRσυμβαίνει ηλεκτρική βλάβη (η διαδικασία είναι αναστρέψιμη). Με περαιτέρω αύξηση της τάσης, η ηλεκτρική βλάβη μετατρέπεται σε θερμική βλάβη (μια μη αναστρέψιμη διαδικασία).


Δίοδοι Zener

Η αρχή λειτουργίας βασίζεται στην αναστρέψιμη ηλεκτρική βλάβη.

Όταν επιτευχθεί αντίστροφη τάση U OBR =U STσυμβαίνει ηλεκτρική διάσπαση της διασταύρωσης p-n, με αποτέλεσμα το ρεύμα να ρέει μέσω της διόδου zener Εγώ Γαυξάνεται απότομα. Ως αποτέλεσμα, η πτώση τάσης στο RB αυξάνεται, αλλά στο φορτίο το R H παραμένει αμετάβλητο.

Οι δίοδοι Zener της σειράς D814 έχουν τάση σταθεροποίησης από 3 έως 20 V.


ΔΙΑΛΕΞΗ 3

Δίοδος σήραγγας

Η αρχή λειτουργίας βασίζεται στο λεγόμενο φαινόμενο σήραγγας.

Χρησιμοποιείται σε κυκλώματα ταχείας μεταγωγής και γεννήτριες. Έχει αρνητική διαφορική αντίσταση σε ένα συγκεκριμένο τμήμα του χαρακτηριστικού ρεύματος-τάσης.

Σύμφωνα με το νόμο του Ohm. Εάν η τάση αυξάνεται, τότε το ρεύμα πρέπει να αυξηθεί για οποιοδήποτε υλικό. Αλλά όταν εμφανίζεται ένα φαινόμενο σήραγγας, όταν η τάση αυξάνεται από U min σε U max, το ρεύμα μειώνεται.

Η διαφορική αντίσταση στην περιοχή όπου εμφανίζεται το φαινόμενο της σήραγγας έχει αρνητική τιμή και ο λόγος μεταξύ του μέγιστου και του ελάχιστου ρεύματος

Για να επιτευχθεί η δημιουργία ημιτονοειδών ταλαντώσεων, μια δίοδος σήραγγας περιλαμβάνεται στο κύκλωμα. Ως αποτέλεσμα, το αλγεβρικό άθροισμα των ενεργών αντιστάσεων στο κύκλωμα είναι ίσο με 0. Επομένως, στο κύκλωμα εμφανίζονται ταλαντώσεις χωρίς απόσβεση. Η αρνητική διαφορική αντίσταση προκύπτει λόγω της επίδρασης της διοχέτευσης ηλεκτρονίων από την περιοχή n στην περιοχή p αντίθετη από την κατεύθυνση του κύριου ηλεκτρικού πεδίου που εφαρμόζεται δίοδος σήραγγας. Ως αποτέλεσμα, ο συνολικός αριθμός ηλεκτρονίων που διέρχονται από τη διατομή της διασταύρωσης p-n ανά μονάδα χρόνου μειώνεται με την αύξηση της εξωτερικής τάσης.


Αντίστροφες δίοδοι

Οι αντίστροφες δίοδοι χρησιμοποιούνται για τη διόρθωση χαμηλών τάσεων, π.χ. το αντίστροφο χαρακτηριστικό I-V είναι σαν ένα προς τα εμπρός για μια δίοδο ανορθωτή. Μια αντίστροφη δίοδος σε χαμηλές τάσεις (έως 0,3 V) δεν διέρχεται ρεύμα προς την κατεύθυνση προς τα εμπρός, ενώ στην αντίστροφη κατεύθυνση, η ηλεκτρική βλάβη εμφανίζεται ήδη σε μηδενική αντίστροφη τάση.


Varicap

Το varicap είναι ένα ηλεκτρικά ελεγχόμενο δοχείο.

Η χωρητικότητα, όπως είναι γνωστό από το μάθημα της φυσικής, είναι μια εξάρτηση

Επειδή Το πλάτος της σύνδεσης p-n d εξαρτάται από την εφαρμοζόμενη αντίστροφη τάση U arr Στη συνέχεια, εάν οι απόλυτες και οι σχετικές διηλεκτρικές σταθερές του υλικού και η περιοχή της διασταύρωσης p-n είναι σταθερές, η χωρητικότητα του varicap εξαρτάται μόνο από το d.

Υπό την επίδραση του U arr, η απόσταση μεταξύ των περιοχών p και n ρυθμίζεται. Παίρνουμε την εξάρτηση: καθώς αυξάνεται η αντίστροφη τάση, η χωρητικότητα του ανορθωτή πέφτει.

Οι επίπεδες δίοδοι πρέπει να χρησιμοποιούνται ως varicaps για να αυξηθεί η χωρητικότητα. Τα Varicaps χρησιμοποιούνται ως κουρευτικά, ηλεκτρικά ελεγχόμενοι πυκνωτές ταλαντωτικά κυκλώματα. Η χωρητικότητά τους είναι της τάξης των δεκάδων picofarads (pF). Τα Varicaps χρησιμοποιούνται για την αυτόματη προσαρμογή της συχνότητας ταλάντωσης ώστε να διατηρείται εντός καθορισμένων ορίων.


Φωτοδίοδος

Μια φωτοδίοδος είναι συσκευή ημιαγωγών, στην οποία το αντίστροφο ρεύμα εξαρτάται από τον φωτισμό της καθόδου. CVC - στο σχήμα. Η εξάρτηση του ρεύματος από την τιμή φωτισμού είναι παρόμοια με την εξάρτηση του ρεύματος από την εφαρμοζόμενη τάση για μια συμβατική δίοδο (ανορθωτή), δηλ. Η έκθεση σε ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία έχει παρόμοια επίδραση.


LED

Ένα LED είναι μια συσκευή ημιαγωγών που, όταν το συνεχές ρεύμα ρέει μέσα από αυτό, η περιοχή της καθόδου αρχίζει να λάμπει.

Όταν ένα ρεύμα I ρέει μέσω μιας διασταύρωσης p-n, ο αριθμός των ηλεκτρονίων που βρίσκονται στην εξωτερική τροχιά του ατόμου μειώνεται λόγω της μετάβασής τους σε εσωτερικές τροχιές. Αυτό συνοδεύεται από την απελευθέρωση κβαντών ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Επιλέγοντας το κατάλληλο ημιαγωγικό υλικό, μπορούμε να απομονώσουμε ακτινοβολία με συγκεκριμένο μήκος κύματος. Στην πράξη, υπάρχουν LED που εκπέμπουν σε περιοχές που κυμαίνονται από τις υπεριώδεις (λ<0,4 мкм) и кончая ближней инфракрасной (ИК) – с l до 2 мкм.

Κατά την παραγωγή ακτινοβολίας σε λέιζερ ημιαγωγών, αυτό το φαινόμενο χρησιμοποιείται επίσης, αλλά η ακτινοβολία λέιζερ είναι συνεκτική και μονοχρωματική.


Δίοδος Schottky

Χρησιμοποιεί φαινόμενα επαφής μεταξύ ημιαγωγού και μετάλλου. Το φαινόμενο Schottky εμφανίζεται μόνο όταν η συνάρτηση εργασίας των ηλεκτρονίων που αφήνουν το μέταλλο στο κενό είναι μεγαλύτερη από τη συνάρτηση εργασίας των ηλεκτρονίων που εξέρχονται από τον ημιαγωγό.

Όταν ένας ημιαγωγός έρχεται σε επαφή με ένα μέταλλο, λόγω της διαφοράς στην ενέργεια, τα ηλεκτρόνια από τον ημιαγωγό διαχέονται στη μεταλλική περιοχή, δημιουργώντας έτσι μια διασταύρωση p-n. Λόγω της απουσίας μειοψηφικών φορέων φορτίου (οπών) στο μέταλλο, η μετάβαση από την ανοιχτή στην κλειστή κατάσταση είναι πρακτικά χωρίς αδράνεια (χρόνος μετάβασης 1¸2 ns).