При использовании полупроводниковых приборов следует соблюдать осторожность и не допускать слишком больших напряжений или токов, которые могли бы испортить прибор. В этой статье мы рассмотрим некоторые факторы, лимитирующие максимальные напряжение и ток на примере диода.

Полупроводниковый диод — один из самых важных и используемых электронных компонентов в электронике. Полупроводниковый диод является двухполюсником, содержащим один р—n переход.

Выводы диода называются «анод» и «катод» (эти названия заимствованы у вакуумных диодов). Если анод положителен по отношению к катоду, то на диод подано прямое смещение , при этом через диод протекает прямой ток. При обратном смещении катод более положителен, чем анод . О братный ток при этом ограничен малым током насыщения.

Подробно про диоды и их применение:

Полупроводниковые диоды, используемые в компьютерной плате 1970-х годов (внизу справа и слева от синего конденсатора)

Вольт-амперная характеристика германиевых и кремниевых диодов

Напряжение смещения Vd считается положительным на аноде и отрицательным на катоде. Таким образом, диод находится под прямым смещением, когда анод положительный, а катод отрицательный по отношению к аноду. В обратном случае говорят об обратной поляризации.

Ток, протекающий в диоде (Id), называется прямым, если он течет от анода к катоду (условное направление тока). Если диод смещен в обратном направлении, он не будет проводить ток, если напряжение не будет достаточно высоким, чтобы превысить напряжение пробоя.

Напряжение прямого смещения варьируется в зависимости от материала, используемого в конструкции, оно составляет 0,2 В для германия (VsdGe) и 0,6 В для кремния (VsdSi).

На приведенном выше графике, чтобы значения были удобочитаемыми, были приняты две разные шкалы: одна для первого квадранта декартовой плоскости, а другая — для третьего. Это связано с тем, что значение тока If обратной утечки чрезвычайно низкое, в то время как напряжение обратного пробоя VbSi и VbGe чрезвычайно велико.

Диоды по своему применению обычно классифицируются в зависимости от того, какие из трех областей характеристики диода используются. Так, например, для переключения и выпрямления используется как прямая, так и обратная ветви характеристики диода. При этом, чтобы избежать нежелательного эффекта пробоя, следует выбирать диод с достаточно большим напряжением пробоя.

В свою очередь, область обратного пробоя используется главным образом в источниках опорного напряжения. Диод в этом случае выбирается по величине обратного напряжения, при которой происходит пробой. Эффектом обратного пробоя можно пренебречь, за исключением тех случаев, в которых область обратного пробоя характеристики используется специально.

Максимальная рассеиваемая мощность

Основным недостатком любого элемента электрической схемы является его разогрев. В резистивных элементах рассеиваемая мощность переходит в тепло, которое увеличивает температуру элемента по сравнению с окружающей. Максимальная температура, которую может выдержать прибор, характеризует его способность отдавать выделившееся тепло в окружающую среду и определяет максимально допустимую мощность рассеяния для прибора.

Максимальная температура прибора зависит от нескольких факторов: от изменения свойств полупроводника с температурой, плавления припоев, применяемых при изготовлении приборов, механического разрушения структуры вследствие неравных коэффициентов теплового расширения.

В кремниевых приборах максимальная температура составляет около 200 °С, а для германиевых редко превышает 100 °С. Способность отдавать тепло зависит от конструкции прибора и от способа его крепления.

Улучшение теплоотдачи достигается при монтаже приборов на ребристый теплоотвод и при применении принудительного воздушного или даже жидкостного охлаждения. Так или иначе, приборы и их арматура способны рассеивать определенную мощность без превышения максимально допустимой, температуры.

Максимально допустимая мощность рассеяния ограничивает величину произведения тока на напряжение в приборе.

Границы максимально допустимой мощности на плоскости напряжение — ток

Если построим график соотношения на плоскости напряжение — ток, то получим гиперболы в первом и третьем квадрантах, определяющие границы допустимой мощности рассеяния в приборе. Бели рабочая точка диода пересекает эту границу и выходит из области безопасной работы, то прибор перегревается и его функционирование нарушается.

Обратное напряжение на диоде

В то время как максимальная рассеиваемая мощность устанавливает абсолютные пределы, за которыми происходят необратимые разрушения приборов, имеются другие явления (не обязательно разрушающие), которые приводят к значительным отклонениям характеристик диодов.

Одно из таких явлений, называемое пробоем, при обратном напряжении, ограничивает обратное напряжение, которое может выдержать диод прежде, чем начнется сильное увеличение обратного тока.

При увеличении обратного напряжения на диоде ток, достигнув значения обратного тока насыщения, остается постоянным, а электрическое поле в области объемного заряда растет. Увеличение напряженности электрического поля приводит к увеличению скорости подвижных носителей, пересекающих область объемного заряда и создающих обратный ток.

В некоторый момент скорость носителей становится такой, что при соударении вырываются добавочные электроны из ковалентньгх связей в области объемного заряда, при этом возникают дырки и свободные электроны. Эти новые носители увеличивают обратный ток и могут в свою очередь при соударениях порождать дополнительные подвижные электроны и дырки.

Этот процесс, называемый зенеровским пробоем или внутренней автоэлектронной эмиссией, приводит к тому же результату, что и лавинное размножение: быстрому увеличению обратного тока при превышении определенной величины обратного напряжения. Как правило, зенеровекий пробой преобладает в диодах, которые пробиваются при напряжениях ниже 6 В, а лавинное умножение преобладает в диодах, пробивное напряжение которых выше 6 В.

Очевидно, что пробой сильно влияет на вольт-амперную характеристику диода. Так, если требуется, чтобы диод не пропускал обратного тока, следует выбирать прибор, обратное напряжение которого больше, чем напряжение в схеме, которое может быть подано на диод в обратном направлении.

Хотя термин «пробой» подразумевает разрушение, на самом деле это не всегда так. Диод может работать в области пробоя и даже при напряжениях, значительно превышающих напряжение пробоя, без необратимых изменений, если только не превышается максимально допустимая мощность рассеяния.

Полупроводниковые диоды трех разных типов в плате видеорегистратора. Обратите внимание на аббревиатуры, напечатанные на печатной плате с начальной буквой «D» для диода.

Современные полупроводниковые диоды

Силовые диоды в виде диодного моста для винтового монтажа (обратите внимание на отверстие под болт), подходящего для монтажа на радиаторе.

Диоды Зенера (стабилитроны)

В области пробоя ток через диод почти не зависит от напряжения. Простая линейная модель диода в области пробоя содержит только батарею, напряжение которой равно напряжению пробоя диода. Поэтому если в каком-то месте схемы требуется поддерживать постоянное напряжение, то можно использовать диод, работающий в области пробоя.

Диоды, предназначенные для этого вида работы, называются опорными диодами, диодами Зенера или стабилитронами, хотя механизм пробоя в них может быть и зенеровским, и лавинным. Аналогично напряжение, при котором происходит пробой, часто называют зенеровским напряжением.

Стабилитрон представляет собой полупроводниковый диод, который использует обратное смещение и напряжение пробоя в качестве опорного напряжения

По сути, это стабилизатор напряжения. Стабилитрон диод чувствителен к температуре. Для напряжений стабилитрона ниже 5 вольт по мере увеличения температуры напряжение уменьшается, в то время как напряжения стабилитрона выше 6 вольт, когда температура увеличивается, напряжение стабилитрона увеличивается.

Само собой разумеется, что диоды с напряжением около 5-6 В по своей природе более стабильны. Обычно номинальное напряжение измеряется при температуре 25 ° C.

В поисках термостабильности, необходимой в некоторых приложениях, можно последовательно соединить стабилитроны различных типов с противоположными температурными коэффициентами, чтобы колебания напряжения компенсировали друг друга.

Для этого можно использовать и обычные диоды в прямой поляризации, включенные последовательно с стабилитроном, при условии, что они имеют тепловой коэффициент, противоположный таковому у стабилитрона.

Диоды Зенера могут быть соединены последовательно для получения более высоких напряжений. Результирующее напряжение будет суммой отдельных последовательно включенных стабилитронов. Очевидно, что невозможно подключить их параллельно (для увеличения управляемого тока), даже если они имеют одинаковое номинальное напряжение.

Стабилитрон, установленный на алюминиевом радиаторе в электронном приборе 70-х годов

Стабилитроны имеют напряжения пробоя от 2,4 до 200 В. Рядом с символом такого диода часто записывают напряжение пробоя. Изготовители указывают также минимальный обратный ток, при котором должен работать опорный диод, чтобы обеспечить наступление пробоя. Максимальный ток ограничивается максимально допустимой мощностью рассеяния.

Источник

Обратное напряжение пробоя светодиода

Для правильного подключения и понимания принципов работы различных контроллеров и драйверов светодиодов необходимо хотя бы поверхностно разобраться с понятием ток, напряжение , область допустимой мощности эксплуатации и овладеть минимальным набором терминов и приёмов электроники для начинающих. Мы постараемся объяснить это понятным языком как для «чайника». Напряжение светодиодов – это непосредственно напряжение на кристалле светодиода и оно мало зависит от протекающего по кристаллу тока. Обратите внимание на следующий график

Характеристики светодиодов напряжение и ток

По вертикальной оси отложен ток в миллиамперах, по горизонтальной оси отложено напряжение в вольтах. Рассмотрим участок отрицательных токов и напряжений – это ситуация когда напряжение прикладывается к кристаллу в нерабочем обратном направлении – диод запирается. Хорошо видно что напряжение светодиодов до примерно 25 вольт практически не вызывает протекание тока сквозь кристалл и лишь превышение порога в 25 вольт вызывает существенное увеличение протекающего тока . Обратное пробивное напряжение светодиодов не является стандартизированным выдерживаемым при производстве параметром и может существенно различаться у различных экземпляров и различного цвета свечения LED , но в данной ситуации нас интересует лишь принцип – поэтому конкретная величина пробивного напряжения нам сейчас не важна. Так вот при превышении порога в 25 вольт увеличение напряжения на несколько вольт сильно увеличивает протекающий сквозь кристалл ток, до определённого момента это не важно , но при превышении допустимой рассеиваемой на кристалле мощности происходит так называемый тепловой пробой кристалла. Немного формул : рассеиваемая мощность P=UxI , где – напряжение на кристалле , — ток протекающий сквозь кристалл , — мощность выделяющаяся на кристалле. При размере smd светодиода в простонародье именуемого 3528 допустимая неразрушающая мощность равняется примерно 0,25 ватт. При превышении этого порога будут происходить необратимые процессы – светодиод просто сгорит. При напряжении порядка 25 вольт достаточно будет тока в 100 миллиампер. По нашей ВАХ это будет примерно соответствовать 27 вольтам обратного напряжения. То есть если приложить к кристаллу в обратном направлении напряжение в 27 вольт – кристалл перегорит — напряжение светодиодов

в обратном направлении не должно быть больше 25 вольт. . Какие выводы следует сделать на основании этого графика?

Напряжение светодиодов в 25 вольт приложенное в обратном напряжении выведет кристалл из строя , при этом напряжение в 12 – 15 вольт в обратном направлении абсолютно безопасно для LED.

Рабочее напряжение светодиодов приложеное в обратном направлении не зажигает и не выводит из строя кристалл.

Для использования в наружной рекламе LED обратная ветвь ВАХ больше нам не нужна – посмотрим напряжение светодиодов в прямом направлении.

Источник

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!

1. Борисов В.Г — Юный радиолюбитель. 1985г.
2. Горюнов Н.Н. Носов Ю.Р — Полупроводниковые диоды. Параметры, методы измерений. 1968г.

Источник