Вольт-амперная характеристика (ВАХ). Что такое вольт амперная характеристика
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) - Практическая электроника
Вах вах вах… Это выражение встречается не только у народов Кавказа, но в радиоэлектронике. ВАХ — это вольтамперная характеристика, а если точнее, зависимость тока от напряжения в каком либо простецком радиоэлементе. Это может быть резистор, диод, транзистор и другие радиоэлементы.
Думаю, не все, кто читает эту статью, хорошо учились в школе :-). Поэтому давайте разберемся, что представляет из себя зависимость одной величины от другой. Как Вы все помните из школы, в классе пятом-шестом мы строили графики, зависимость игрек (У) от икс (Х). Та переменная, которая зависит от другой переменной, мы откладывали по вертикали, а та, которая независима — по горизонтали. И получается у нас вот такая система отображения зависимости «У» от «Х»:
Не утомил еще я Вас математикой ? 🙂 Так вот, мои дорогие читатели, в электронике, чтобы описать зависимость тока от напряжения, вместо «У» у нас будет Сила тока, а вместо Х — Напряжение. И система отображения у нас будет выглядеть вот так:
Вот теперь мы можем в этой системе строить графики зависимости тока от напряжения для радиоэлементов. Давайте попробуем начертить график зависимости тока от напряжения для резистора? Для того, чтобы начертить этот график, нам потребуется пропускать через резистор напряжение, и смотреть одновременно значение тока. С помощью крутилки я добавляю напряжение и записываю значения силы тока для каждого значения напряжения. Для этого берем блок питания , резистор и начинаем делать замеры:
Вот у нас появилась первая точка на графике. U=0,I=0.
Вторая точка: U=2.6, I=0.01
Третья точка: U=4.4, I=0.02
Четвертая точка: U=6.2, I=0.03
Пятая точка: U=7.9, I=0.04
Шестая точка: U=9.6, I=0.05
Седьмая точка: U=11.3, I=0.06
Восьмая точка: U=13, I=0.07
Девятая точка: U=14.7, I=0.08
Давайте построим график по этим точкам:
Опа на! Да у нас получилась почти прямая линия! То, что она чуть кривая, связана с погрешностью измерений и погрешностью самого прибора. Следовательно, так как у нас получилась прямая линия, то значит такие элементы, как резисторы называются элементами с линейной вольтамперной характеристикой.
Как Вы знаете, диод пропускает электрический ток в одном направлении, и не пропускает в другом направлении. Это свойство диода мы используем в Диодных мостах, а также для проверки диода мультиметром. Давайте построим ВАХ для диода. Берем блок питания, цепляем его к диоду (плюс на анод, минус на катод) и начинаем точно также делать замеры.
Первая точка: U=0,I=0.
Вторая точка: U=0.4, I=0.
Третья точка: U=0.6, I=0.01
Четвертая точка: U=0.7,I=0.03
Пятая точка: U=0.8,I=0.06
Шестая точка: U=0.9,I=0.13
Седьмая точка: U=1, I=0.37
Строим график по полученным значениям:
Ничего себе загибулина :-). Вот это и есть вольт амперная характеристика диода. На графике мы не видим прямую линию, поэтому такая вольтамперная характеристика называется НЕлинейной. Для каждого диода своя ВАХ, где то она круче, где то ближе к оси силы тока I. Для кремниевых диодов она начинается со значения 0,5-0,7 Вольт, для диодов, сделанных из вещества германия ВАХ начинается со значения 0,3-0,4 Вольта.
Давайте же рассмотрим подробнее ВАХ диода.
Общая ВАХ диода выглядит вот так:
На графике, на котором мы с Вами сами строили ВАХ диода, мы начертили только правую часть графика. Почему? Давайте рассмотрим характеристику диода, который мы с Вами пытали. Он называется КД411АМ. Ищем его характеристики в инете.
Обратное максимальное напряжение Uобр — это такое напряжение диода, которое он выдерживает при подключении в обратном направлении, при этом через него будет протекать ток Iобр — сила тока при обратном подключении диода. При превышении обратного напряжения в диоде возникает так называемый лавинный пробой, в результате этого резко возрастает ток, что может привести к полному тепловому разрушению диода. В нашем исследуемом диоде это напряжение 700 Вольт. Поэтому я бы никак не смог показать вам лавинный пробой с помощью своего блока питания, который выдает максимум 15 Вольт. Максимальный прямой ток Iпр — это максимальный ток, который может течь через диод. В нашем случае это 2 Ампера. Так как у нас зависимость тока от напряжения, следовательно ток зависит от напряжения :-). Если продолжить ветку ВАХ на нашем графике, то можно сказать, что прямое напряжение не должно превышать на таком диоде приблизительно 1,4 Вольта. Так же есть такой параметр, как максимальная частота F, которую нельзя превышать. Если скажем у нас в сети частота 50 Гц, то в некоторых безделушках и приборах с помощью разных схем увеличивают частоту до Гигагерц. В таких схемах такой диод использовать нельзя, потому как его максимальная частота, при котором он может эксплуатироваться, это 30 000Гц.
Стабилитроны же работают в режиме лавинного пробоя. Выглядят они также, как и диоды, поэтому надо обязательно читать маркировку и смотреть в справочниках, чтобы точно знать, что за радиоэлемент перед вами.
То есть мы подключаем его как диод в обратном направлении: на анод минус, а на катод — плюс. В результате этого напряжение на стабилитроне остается почти таким же, а сила тока может меняться в зависимости от подключаемой нагрузки на стабе. Как говорят электронщики, мы используем в стабилитроне обратную ветвь ВАХ
Подробнее про работу стабилитрона можно почитать в этой статье.
ВАХ — очень удобная вещь. Взглянув на нее, можно с легкостью сказать, как поведет себя тот или иной радиоэлемент в схеме. ВАХ строится также для транзисторов, грубо говоря, для каждого вывода, а также для других разновидностей диодов: динисторов, тиристоров, симисторов. Все эти элементы с нелинейной ВАХ, поэтому они называются нелинейными. Прежде, чем использовать в схемах какой-либо диод, гляньте его характеристики, и конечно же ветку ВАХ. ВАХ — это как для гостей Москвы карта метро 🙂
www.ruselectronic.com
Вольт-амперная характеристика двухполюсника (ВАХ)
Электротехника: Основы
Вольт-амперная характеристика двухполюсника
Аббревиатурой ВАХ (англ. I-V) принято обозначать вольт-амперную характеристику (current–voltage characteristic) двухполюсника.
Двухполюсник
Двухполюсник — это абстрактное представление о реальном элементе электрической цепи, которое изображается в виде прямоугольника имеющего два вывода, являющихся входом и выходом. Через такой объект проходит электрический ток (electrical current) — это один показатель, а между входом и выходом существует разность потенциалов в виде ЭДС или падения напряжения - это другой показатель. Отношение между двумя этими величинами, током и напряжением, и есть вольт-амперная характеристика.
ВАХ — это математическая функция зависимости тока от напряжения. Изображается в виде графика. Как и любая алгебраическая функция может быть линейной и нелинейной (кривой). Если имеется ещё и третий параметр, от которого зависит функция тока, тогда следует говорить о семействе вольт-амперных характеристик (ВАХ). Таким параметром может быть температура, влажность, время, освещённость, давление.
Например, трёхполюсник, которым является простой биполярный транзистор, можно рассматривать как три варианта двухполюсников, где третий вывод и будет дополнительным параметром. Для серии значений третьего параметра у двухполюсника образуется целое семейство ВАХ.
Самым простым примером двухполюсника является резистор, у которого ВАХ представляет собой прямую линию (линейная характеристика) в полном соответствии с Законом Ома. Но даже такое простое устройство имеет зависимость от внешних факторов таких как температура. Это проявляется в том, что его ВАХ максимально приближена к линейной, но в реальности есть много факторов оказывающих влияние математическую функцию тока для этого элемента.
Вольт-амперная характеристика резистора представляет собой функцию тока по Закону Ома и показывает свойства проводимости и сопротивления двухполюсника.
Двухполюсником с нелинейной характеристикой может быть полупроводниковый фотоэлемент, у которого проводимость зависит от освещённости. Естественным образом полупроводниковый диод (вентиль) также имеет нелинейную ВАХ.
Многие производители устройств и компонентов в предоставляемой документации (datasheet) приводят снятые вольт-амперные характеристики (current–voltage characteristic) своей продукции для разных режимов работы. ВАХ позволяют оперативно выбрать оптимальный режим работы устройств, а также подобрать им функциональную и параметрическую замену.
Визуально в режиме реального времени ВАХ можно наблюдать с помощью осциллографа.
Кроме применения в электронике и электротехнике, вольт-амперные характеристики (ВАХ) используются, например, в электрофизиологии для исследования биоэлектричества. Биологическая мембрана рассматривается как двухполюсник и с неё снимается ВАХ. Везде, где есть электрический ток, в любой среде, где возможно возникновение и изменение разности потенциалов, возможно построение вольт-амперной характеристики.
Дата: 22.05.2015
© Valentin Grigoryev (Валентин Григорьев)
Тег статьи: Характеристики
Все теги раздела Электротехника:Электричество Закон Ома Электрический ток Электробезопасность Устройства Биоэлектричество Характеристики Физические величины Электролиз Электрические схемы Асинхронные двигатели
www.electricity-automation.com
Вольт-амперная характеристика
Чтобы вывести зависимость величины тока через p—n-переход от внешнего смещающего напряженияV, мы должны рассмотреть отдельно электронные и дырочные токи. В дальнейшем будем обозначать символомJплотность потока частиц, а символомj— плотность электрического тока; тогдаje= −eJe,jh=eJh.
При V= 0 какJe, так иJhобращаются в нуль. Это означает, конечно, не отсутствие движения отдельных носителей через переход, а только то, что в обоих направлениях движутся равные количества электронов (или дырок). ПриV≠ 0 баланс нарушается. Рассмотрим, например, дырочный ток через обеднённый слой.Он включает следующие две компоненты:
Ток генерации, то есть дырочный ток, текущий из n-области вp-область перехода. Как видно из названия, этот ток обусловлен дырками, генерируемыми непосредственно вn-области обеднённого слоя при тепловом возбуждении электронов с уровней валентной зоны. Хотя концентрация таких дырок (неосновных носителей) вn-области чрезвычайно мала по сравнению с концентрацией электронов (основных носителей), они играют важную роль в переносе тока через переход. Это происходит потому, что каждая дырка, попадающая в обеднённый слой, тут же перебрасывается вp-область под действием сильного электрического поля, которое имеется внутри слоя. В результате величина возникающего тока генерации не зависит от значения изменения потенциала в обеднённом слое, поскольку любая дырка, оказавшаяся в слое, перебрасывается изn-области вp-область.
Ток рекомбинации, то есть дырочный ток, текущий из p-области вn-область. Электрическое поле в обеднённом слое препятствует этому току, и только те дырки, которые попадают на границу обеднённого слоя, имея достаточную кинетическую энергию, чтобы преодолеть потенциальный барьер, вносят вклад в ток рекомбинации. Число таких дырок пропорциональноe−eΔФ/kTи, следовательно,
В отличие от тока генерации, ток рекомбинации чрезвычайно чувствителен к величине приложенного напряжения V. Мы можем сравнить величины этих двух токов, заметив, что приV= 0 суммарный ток через переход отсутствует:Jhrec(V= 0) =JhgenИз этого следует, чтоJhrec=JhgeneeV/kT. Полный дырочный ток, текущий изp-области вn-область, представляет собой разность между токами рекомбинации и генерации:
Jh = Jhrec − Jhgen = Jhgen(eeV/kT − 1).
Аналогичное рассмотрение применимо к компонентам электронного тока с тем только изменением, что токи генерации и рекомбинации электронов направлены противоположно соответствующим дырочным токам. Поскольку электроны имеют противоположный заряд, электрические токи генерации и рекомбинации электронов совпадают по направлению с электрическими токами генерации и рекомбинации дырок. Поэтому полная плотность электрического тока есть j=e(Jhgen+Jegen)(eeV/kT− 1).
Ёмкость p — n-перехода и частотные характеристики
p — n-переход можно рассматривать как плоский конденсатор, обкладками которого служат области n- и p-типа вне перехода, а изолятором является область объемного заряда, обеднённая носителями заряда и имеющая большое сопротивление. Такая ёмкость называется барьерной. Она зависит от внешнего приложенного напряжения, поскольку внешнее напряжение меняет пространственный заряд. Действительно, повышение потенциального барьера при обратном смещении означает увеличение разности потенциалов между n- и p-областями полупроводника, и, отсюда, увеличение их объёмных зарядов. Поскольку объёмные заряды неподвижны и связаны с ионами доноров и акцепторов, увеличение объёмного заряда может быть обусловлено только расширением его области и, следовательно, уменьшением электрической ёмкости перехода. В зависимости от площади перехода, концентрации легирующей примеси и обратного напряжения барьерная емкость может принимать значения от единиц до сотен пикофарад. Барьерная ёмкость проявляется при обратном напряжении; при прямом напряжении она шунтируется малым сопротивлением p — n-перехода. За счёт барьерной ёмкости работают варикапы.
Кроме барьерной ёмкости p — n-переход обладает так называемой диффузионной ёмкостью. Диффузионная ёмкость связана с процессами накопления и рассасывания неравновесного заряда в базе и характеризует инерционность движения неравновесных зарядов в области базы. Диффузионная ёмкость обусловлена тем, что увеличение напряжения на p — n-переходе приводит к увеличению концентрации основных и неосновных носителей, то есть к изменению заряда. Величина диффузионной ёмкости пропорциональна току через p — n-переход. При подаче прямого смещения значение диффузионной ёмкости может достигать десятков тысяч пикофарад.
Суммарная ёмкость p—n-перехода определяется суммой барьерной и диффузионной ёмкостей. Эквивалентная схемаp—n-перехода на переменном токе представлена на рисунке. На эквивалентной схеме параллельно дифференциальному сопротивлениюp—n-переходаRа включены диффузионная ёмкостьCд и барьерная ёмкость Сб; последовательно с ними включено объёмное сопротивление базыr. С ростом частоты переменного напряжения, поданного наp—n-переход, емкостные свойства проявляются все сильнее,Rа шунтируется ёмкостным сопротивлением, и общее сопротивлениеp—n-перехода определяется объёмным сопротивлением базы. Таким образом, на высоких частотахp—n-переход теряет свои нелинейные свойства.
Пробой p — n-перехода
Пробой диода — это явление резкого увеличения обратного тока через диод при достижении обратным напряжением некоторого критического для данного диода значения. В зависимости от физических явлений, приводящих к пробою, различают лавинный, туннельный, поверхостный и тепловой пробои.
Лавинный пробой (ударная ионизация) является наиболее важным механизмом пробоя p—n-перехода. Напряжение лавинного пробоя определяет верхний предел обратного напряжения большинства диодов. Пробой связан с образованием лавины носителей заряда под действием сильного электрического поля, при котором носители приобретают энергии, достаточные для образования новых электронно-дырочных пар в результате ударной ионизации атомов полупроводника.
Туннельным пробоем электронно-дырочного перехода называют электрический пробой перехода, вызванный квантовомеханическим туннелированием носителей заряда сквозь запрещённую зону полупроводника без изменения их энергии. Туннелирование электронов возможно при условии, если ширина потенциального барьера, который необходимо преодолеть электронам, достаточно мала. При одной и той же ширине запрещённой зоны (для одного и того же материала) ширина потенциального барьера определяется напряжённостью электрического поля, то есть наклоном энергетических уровней и зон. Следовательно, условия для туннелирования возникают только при определённой напряжённости электрического поля или при определённом напряжении на электронно-дырочном переходе — при пробивном напряжении. Значение этой критической напряжённости электрического поля составляет примерно 8∙105 В/см для кремниевых переходов и 3∙105 В/см — для германиевых. Так как вероятность туннелирования очень сильно зависит от напряжённости электрического поля, то внешне туннельный эффект проявляется как пробой диода.
Поверхостный пробой (ток утечки). Реальные p-n-переходы имеют участки, выходящие на поверхность полупроводника. Вследствие возможного загрязнения и наличия поверхостных зарядов междуp- иn- областями могут образовываться проводящие пленки и проводящие каналы, по которым идет ток утечкиIут. Этот ток увеличивается с ростом обратного напряжения и может привысить тепловой токI0 и ток генерацииIген. ТокIут слабо зависит от температуры. Для уменьшенияIут применяют защитные пленочные покрытия.
Тепловой пробой — это пробой, развитие которого обусловлено выделением в выпрямляющем электрическом переходе тепла вследствие прохождения тока через переход. При подаче обратного напряжения практически всё оно падает на p—n-переходе, через который идёт, хотя и небольшой, обратный ток. Выделяющаяся мощность вызывает разогревp—n-перехода и прилегающих к нему областей полупроводника. При недостаточном теплоотводе эта мощность вызывает дальнейшее увеличение тока, что приводит к пробою.Тепловой пробой, в отличие от предыдущих, необратим.
studfiles.net
Вольт-амперная характеристика - это... Что такое Вольт-амперная характеристика?
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) — график зависимости тока через двухполюсник от напряжения на этом двухполюснике. Вольт-амперная характеристика описывает поведение двухполюсника на постоянном токе. Чаще всего рассматривают ВАХ нелинейных элементов (степень нелинейности определяется коэффициентом нелинейности ), поскольку для линейных элементов ВАХ представляет собой прямую линию и не представляет особого интереса.
Характерные примеры элементов, обладающих существенно нелинейной ВАХ: диод, тиристор, стабилитрон.
Для трехполюсных элементов (таких, как транзистор, тиристор или ламповый триод) часто строят семейства кривых, являющимися ВАХ для двухполюсника при так или иначе заданных параметрах на третьем выводе элемента.
Необходимо отметить, что в реальной схеме, особенно работающей с относительно высокими частотами (близкими к границам рабочего частотного диапазона) для данного устройства реальная зависимость напряжения от времени может пробегать по траекториям, весьма далёким от «идеальной» ВАХ. Чаще всего это связано с ёмкостью или другими инерционными свойствами элемента.
Преобразования ВАХ
Полезно отметить некоторые свойства вольтамперных характеристик составных элементов (схем, состоящих из нескольких двухполюсников)
Параллельное соединение — при параллельном соединении двух двухполюсников, при каждом значении напряжения складываются токи, текущие через них, а при последовательном — для каждого значения тока складываются напряжения на элементах.
См. также
dic.academic.ru
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода
Что такое идеальный диод?
Основная задача обычного выпрямительного диода – проводить электрический ток в одном направлении, и не пропускать его в обратном. Следовательно, идеальный диод должен быть очень хорошим проводником с нулевым сопротивлением при прямом подключении напряжения (плюс — к аноду, минус — к катоду), и абсолютным изолятором с бесконечным сопротивлением при обратном.
Вот так это выглядит на графике:
Такая модель диода используется в случаях, когда важна только логическая функция прибора. Например, в цифровой электронике.
ВАХ реального полупроводникового диода
Однако на практике, в силу своей полупроводниковой структуры, настоящий диод обладает рядом недостатков и ограничений по сравнению с идеальным диодом. Это можно увидеть на графике, приведенном ниже.
Vϒ(гамма) — напряжение порога проводимости
При прямом включении напряжение на диоде должно достигнуть определенного порогового значения — Vϒ. Это напряжение, при котором PN-переход в полупроводнике открывается достаточно, чтобы диод начал хорошо проводить ток. До того как напряжение между анодом и катодом достигнет этого значения, диод является очень плохим проводником. Vϒ у кремниевых приборов примерно 0.7V, у германиевых – около 0.3V.
ID_MAX — максимальный ток через диод при прямом включении
При прямом включении полупроводниковый диод способен выдержать ограниченную силу тока ID_MAX. Когда ток через прибор превышает этот предел, диод перегревается. В результате разрушается кристаллическая структура полупроводника, и прибор становится непригодным. Величина данной силы тока сильно колеблется в зависимости от разных типов диодов и их производителей.
IOP – обратный ток утечки
При обратном включении диод не является абсолютным изолятором и имеет конечное сопротивление, хоть и очень высокое. Это служит причиной образования тока утечки или обратного тока IOP. Ток утечки у германиевых приборов достигает до 200 µА, у кремниевых до нескольких десятков nА. Самые последние высококачественные кремниевые диоды с предельно низким обратным током имеют этот показатель около 0.5 nA.
PIV(Peak Inverse Voltage) — Напряжение пробоя
При обратном включении диод способен выдерживать ограниченное напряжение – напряжение пробоя PIV. Если внешняя разность потенциалов превышает это значение, диод резко понижает свое сопротивление и превращается в проводник. Такой эффект нежелательный, так как диод должен быть хорошим проводником только при прямом включении. Величина напряжения пробоя колеблется в зависимости от разных типов диодов и их производителей.
Паразитическая емкость PN-перехода
Даже если на диод подать напряжение значительно выше Vϒ, он не начнет мгновенно проводить ток. Причиной этому является паразитическая емкость PN перехода, на наполнение которой требуется определенное время. Это сказывается на частотных характеристиках прибора.
Приближенные модели диодов
В большинстве случаев, для расчетов в электронных схемах, не используют точную модель диода со всеми его характеристиками. Нелинейность этой функции слишком усложняет задачу. Предпочитают использовать, так называемые, приближенные модели.
Приближенная модель диода «идеальный диод + Vϒ»
Самой простой и часто используемой является приближенная модель первого уровня. Она состоит из идеального диода и, добавленного к нему, напряжения порога проводимости Vϒ.
Приближенная модель диода «идеальный диод + Vϒ + rD»
Иногда используют чуть более сложную и точную приближенную модель второго уровня. В этом случае добавляют к модели первого уровня внутреннее сопротивление диода, преобразовав его функцию из экспоненты в линейную.
hightolow.ru
Принцип работы диода. Вольт-амперная характеристика. Пробои p-n перехода
Здравствуйте уважаемые читатели сайта sesaga.ru. В первой части статьи мы с Вами разобрались, что такое полупроводник и как возникает в нем ток. Сегодня мы продолжим начатую тему и поговорим о принципе работы полупроводниковых диодов.
Диод – это полупроводниковый прибор с одним p-n переходом, имеющий два вывода (анод и катод), и предназначенный для выпрямления, детектирования, стабилизации, модуляции, ограничения и преобразования электрических сигналов.
По своему функциональному назначению диоды подразделяются на выпрямительные, универсальные, импульсные, СВЧ-диоды, стабилитроны, варикапы, переключающие, туннельные диоды и т.д.
Теоретически мы знаем, что диод в одну сторону пропускает ток, а в другую нет. Но как, и каким образом он это делает, знают и понимают не многие.
Схематично диод можно представить в виде кристалла состоящего из двух полупроводников (областей). Одна область кристалла обладает проводимостью p-типа, а другая — проводимостью n-типа.
На рисунке дырки, преобладающие в области p-типа, условно изображены красными кружками, а электроны, преобладающие в области n-типа — синими. Эти две области являются электродами диода анодом и катодом:
Анод – положительный электрод диода, в котором основными носителями заряда являются дырки.
Катод – отрицательный электрод диода, в котором основными носителями заряда являются электроны.
На внешние поверхности областей нанесены контактные металлические слои, к которым припаяны проволочные выводы электродов диода. Такой прибор может находиться только в одном из двух состояний:
1. Открытое – когда он хорошо проводит ток;2. Закрытое – когда он плохо проводит ток.
Прямое включение диода. Прямой ток.
Если к электродам диода подключить источник постоянного напряжения: на вывод анода «плюс» а на вывод катода «минус», то диод окажется в открытом состоянии и через него потечет ток, величина которого будет зависеть от приложенного напряжения и свойств диода.
При такой полярности подключения электроны из области n-типа устремятся навстречу дыркам в область p-типа, а дырки из области p-типа двинутся навстречу электронам в область n-типа. На границе раздела областей, называемой электронно-дырочным или p-n переходом, они встретятся, где происходит их взаимное поглощение или рекомбинация.
Например. Oсновные носители заряда в области n-типа электроны, преодолевая p-n переход попадают в дырочную область p-типа, в которой они становятся неосновными. Ставшие неосновными, электроны будут поглощаться основными носителями в дырочной области – дырками. Таким же образом дырки, попадая в электронную область n-типа становятся неосновными носителями заряда в этой области, и будут также поглощаться основными носителями – электронами.
Контакт диода, соединенный с отрицательным полюсом источника постоянного напряжения будет отдавать области n-типа практически неограниченное количество электронов, пополняя убывание электронов в этой области. А контакт, соединенный с положительным полюсом источника напряжения, способен принять из области p-типа такое же количество электронов, благодаря чему восстанавливается концентрация дырок в области p-типа. Таким образом, проводимость p-n перехода станет большой и сопротивление току будет мало, а значит, через диод будет течь ток, называемый прямым током диода Iпр.
Обратное включение диода. Обратный ток.
Поменяем полярность источника постоянного напряжения – диод окажется в закрытом состоянии.
В этом случае электроны в области n-типа станут перемещаться к положительному полюсу источника питания, отдаляясь от p-n перехода, и дырки, в области p-типа, также будут отдаляться от p-n перехода, перемещаясь к отрицательному полюсу источника питания. В результате граница областей как бы расширится, отчего образуется зона обедненная дырками и электронами, которая будет оказывать току большое сопротивление.
Но, так как в каждой из областей диода присутствуют неосновные носители заряда, то небольшой обмен электронами и дырками между областями происходить все же будет. Поэтому через диод будет протекать ток во много раз меньший, чем прямой, и такой ток называют обратным током диода (Iобр). Как правило, на практике, обратным током p-n перехода пренебрегают, и отсюда получается вывод, что p-n переход обладает только односторонней проводимостью.
Прямое и обратное напряжение диода.
Напряжение, при котором диод открывается и через него идет прямой ток называют прямым (Uпр), а напряжение обратной полярности, при котором диод закрывается и через него идет обратный ток называют обратным (Uобр).
При прямом напряжении (Uпр) сопротивление диода не превышает и нескольких десятков Ом, зато при обратном напряжении (Uобр) сопротивление возрастает до нескольких десятков, сотен и даже тысяч килоом. В этом не трудно убедиться, если измерить обратное сопротивление диода омметром.
Сопротивление p-n перехода диода величина не постоянная и зависит от прямого напряжения (Uпр), которое подается на диод. Чем больше это напряжение, тем меньшее сопротивление оказывает p-n переход, тем больший прямой ток Iпр течет через диод. В закрытом состоянии на диоде падает практически все напряжение, следовательно, обратный ток, проходящий через него мал, а сопротивление p-n перехода велико.
Например. Если включить диод в цепь переменного тока, то он будет открываться при положительных полупериодах на аноде, свободно пропуская прямой ток (Iпр), и закрываться при отрицательных полупериодах на аноде, почти не пропуская ток противоположного направления – обратный ток (Iобр). Эти свойства диодов используют для преобразования переменного тока в постоянный, и такие диоды называют выпрямительными.
Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода.
Зависимость тока, проходящего через p-n переход, от величины и полярности приложенного к нему напряжения изображают в виде кривой, называемой вольт-амперной характеристикой диода.
На графике ниже изображена такая кривая. По вертикальной оси в верхней части обозначены значения прямого тока (Iпр), а в нижней части — обратного тока (Iобр).По горизонтальной оси в правой части обозначены значения прямого напряжения Uпр, а в левой части – обратного напряжения (Uобр).
Вольт-амперная характеристика состоит как бы из двух ветвей: прямая ветвь, в правой верхней части, соответствует прямому (пропускному) току через диод, и обратная ветвь, в левой нижней части, соответствующая обратному (закрытому) току через диод.
Прямая ветвь идет круто вверх, прижимаясь к вертикальной оси, и характеризует быстрый рост прямого тока через диод с увеличением прямого напряжения.Обратная ветвь идет почти параллельно горизонтальной оси и характеризует медленный рост обратного тока. Чем круче к вертикальной оси прямая ветвь и чем ближе к горизонтальной обратная ветвь, тем лучше выпрямительные свойства диода. Наличие небольшого обратного тока является недостатком диодов. Из кривой вольт-амперной характеристики видно, что прямой ток диода (Iпр) в сотни раз больше обратного тока (Iобр).
При увеличении прямого напряжения через p-n переход ток вначале возрастает медленно, а затем начинается участок быстрого нарастания тока. Это объясняется тем, что германиевый диод открывается и начинает проводить ток при прямом напряжении 0,1 – 0,2В, а кремниевый при 0,5 – 0,6В.
Например. При прямом напряжении Uпр = 0,5В прямой ток Iпр равен 50mA (точка «а» на графике), а уже при напряжении Uпр = 1В ток возрастает до 150mA (точка «б» на графике).
Но такое увеличение тока приводит к нагреванию молекулы полупроводника. И если количество выделяемого тепла будет больше отводимого от кристалла естественным путем, либо с помощью специальных устройств охлаждения (радиаторы), то в молекуле проводника могут произойти необратимые изменения вплоть до разрушения кристаллической решетки. Поэтому прямой ток p-n перехода ограничивают на уровне, исключающем перегрев полупроводниковой структуры. Для этого используют ограничительный резистор, включенный последовательно с диодом.
У полупроводниковых диодов величина прямого напряжения Uпр при всех значениях рабочих токов не превышает:для германиевых — 1В;для кремниевых — 1,5В.
При увеличении обратного напряжения (Uобр), приложенного к p-n переходу, ток увеличивается незначительно, о чем говорит обратная ветвь вольтамперной характеристики.Например. Возьмем диод с параметрами: Uобр max = 100В, Iобр max = 0,5 mA, где:
Uобр max – максимальное постоянное обратное напряжение, В;Iобр max – максимальный обратный ток, мкА.
При постепенном увеличении обратного напряжения до значения 100В видно, как незначительно растет обратный ток (точка «в» на графике). Но при дальнейшем увеличении напряжения, свыше максимального, на которое рассчитан p-n переход диода, происходит резкое увеличение обратного тока (пунктирная линия), нагрев кристалла полупроводника и, как следствие, наступает пробой p-n перехода.
Пробои p-n перехода.
Пробоем p-n перехода называется явление резкого увеличения обратного тока при достижении обратным напряжением определенного критического значения. Различают электрический и тепловой пробои p-n перехода. В свою очередь, электрический пробой разделяется на туннельный и лавинный пробои.
Электрический пробой.
Электрический пробой возникает в результате воздействия сильного электрического поля в p-n переходе. Такой пробой является обратимый, то есть он не приводит к повреждению перехода, и при снижении обратного напряжения свойства диода сохраняются. Например. В таком режиме работают стабилитроны – диоды, предназначенные для стабилизации напряжения.
Туннельный пробой.
Туннельный пробой происходит в результате явления туннельного эффекта, который проявляется в том, что при сильной напряженности электрического поля, действующего в p-n переходе малой толщины, некоторые электроны проникают (просачиваются) через переход из области p-типа в область n-типа без изменения своей энергии. Тонкие p-n переходы возможны только при высокой концентрации примесей в молекуле полупроводника.
В зависимости от мощности и назначения диода толщина электронно-дырочного перехода может находиться в пределах от 100 нм (нанометров) до 1 мкм (микрометр).
Для туннельного пробоя характерен резкий рост обратного тока при незначительном обратном напряжении – обычно несколько вольт. На основе этого эффекта работают туннельные диоды.
Благодаря своим свойствам туннельные диоды используются в усилителях, генераторах синусоидальных релаксационных колебаний и переключающих устройствах на частотах до сотен и тысяч мегагерц.
Лавинный пробой.
Лавинный пробой заключается в том, что под действием сильного электрического поля неосновные носители зарядов под действием тепла в p-n переходе ускоряются на столько, что способны выбить из атома один из его валентных электронов и перебросить его в зону проводимости, образовав при этом пару электрон — дырка. Образовавшиеся носители зарядов тоже начнут разгоняться и сталкиваться с другими атомами, образуя следующие пары электрон – дырка. Процесс приобретает лавинообразный характер, что приводит к резкому увеличению обратного тока при практически неизменном напряжении.
Диоды, в которых используется эффект лавинного пробоя используются в мощных выпрямительных агрегатах, применяемых в металлургической и химической промышленности, железнодорожном транспорте и в других электротехнических изделиях, в которых может возникнуть обратное напряжение выше допустимого.
Тепловой пробой.
Тепловой пробой возникает в результате перегрева p-n перехода в момент протекания через него тока большого значения и при недостаточном теплоотводе, не обеспечивающем устойчивость теплового режима перехода.
При увеличении приложенного к p-n переходу обратного напряжения (Uобр) рассеиваемая мощность на переходе растет. Это приводит к увеличению температуры перехода и соседних с ним областей полупроводника, усиливаются колебания атомов кристалла, и ослабевает связь валентных электронов с ними. Возникает вероятность перехода электронов в зону проводимости и образования дополнительных пар электрон — дырка. При плохих условиях теплоотдачи от p-n перехода происходит лавинообразное нарастание температуры, что приводит к разрушению перехода.
На этом давайте закончим, а в следующей части рассмотрим устройство и работу выпрямительных диодов, диодного моста.Удачи!
Источник:
1. Борисов В.Г — Юный радиолюбитель. 1985г.2. Горюнов Н.Н. Носов Ю.Р — Полупроводниковые диоды. Параметры, методы измерений. 1968г.
sesaga.ru
Вольт-амперная характеристика — WiKi
Вольт-амперная характеристика — зависимость тока через двухполюсник от напряжения на этом двухполюснике. Описывает поведение двухполюсника на постоянном токе. А также функция выражающая (описывающая) эту зависимость. А также — график этой функции. Чаще всего рассматривают ВАХ нелинейных элементов (степень нелинейности определяется коэффициентом нелинейности β=UI⋅dIdU{\displaystyle \beta ={\frac {U}{I}}\cdot {\frac {dI}{dU}}}), поскольку для линейных элементов ВАХ представляет собой прямую линию (описывающуюся законом Ома) и не представляет особого интереса.
Характерные примеры элементов, обладающих существенно нелинейной ВАХ: диод, тиристор, стабилитрон.
Для трёхполюсных элементов (таких, как транзистор, тиристор или ламповый триод) часто строят семейства кривых, являющимися ВАХ для двухполюсника при так или иначе заданных параметрах на третьем выводе элемента.
Необходимо отметить, что в реальной схеме, особенно работающей с относительно высокими частотами (близкими к границам рабочего частотного диапазона) для данного устройства реальная зависимость напряжения от времени может пробегать по траекториям, весьма далёким от «идеальной» ВАХ. Чаще всего это связано с ёмкостью или другими инерционными свойствами элемента.
Форма ВАХ диода зависит от температуры перехода. Угол наклона прямой и обратной веток увеличивается.
Полезно отметить некоторые свойства вольт-амперных характеристик составных элементов (схем, состоящих из нескольких двухполюсников)
Параллельное соединение — при параллельном соединении двух двухполюсников, при каждом значении напряжения складываются токи, текущие через них, а при последовательном — для каждого значения тока складываются напряжения на элементах.
ru-wiki.org
