Azotirovanie.ru

Инженерные системы и решения
2 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Работа диода и устройство

Работа диода и устройство

Наверное любой начинающий радиолюбитель знает, что диод в одну сторону пропускает ток, а в другую нет. Но как, и почему он так делает, знают, а тем более понимают не многие, даже некоторые инженеры не знают этого.

Работа диода — общие принципы внутреннего устройства

Структурно диод можно представить кристаллом полупроводника, состоящим из двух областей. Одна с проводимостью p-типа, а другая – проводимостью n-типа.


Работа диода поясняющая структурная схема

Анод это плюсовой электрод, в нем основными носителями заряда являются дырки.

Катод это минусовой электрод, в нем основными носителями заряда являются электроны.

На внешних поверхностях двух областей имеются контактные металлические слои, к которым припаяны внешние выводы. Такой полупроводниковый прибор может быть только в одном из двух состояний: открыт и закрыт

Работа диода при прямом включении

Если к выводам полупроводникового прибора подсоединить постоянное напряжение: на анод подать плюс» а на вывод катода соответственно «минус», то диод откроется и через него начнет идти ток, величина которого зависит от приложенного напряжения и внутренних свойств диода.

При прямом включении электроны из n области устремятся навстречу дыркам в p-область, а дырки из p в область n. На границе электронно-дырочного перехода, они встретятся, и осуществится их взаимное поглощение или рекомбинация.

Вывод диода, подключенный к минусу, будет посылать в область n огромное количество электронов, пополняя их убывание. А вывод, соединенный с плюсом, помогает восстанавливать концентрация дырок в области p. То есть, проводимость электронно-дырочного перехода увеличится, а сопротивление току резко уменьшится, а значит, через диод потечет ток, называемый прямым током диода Iпр.

Изменим полярность нашего подключения и посмотрим на изменения в работе подключенного полупроводникового прибора.

В этом случае электроны и дырки будут, оттеснятся от p-n перехода, а на границе электронно-дырочного перехода резко возрастает потенциальный барьер или другими словами зона обедненная носителями заряда дырками и электронами, которая будет препятствовать прохождению тока.

Но, так как в каждой из области имеется небольшое количество неосновных носителей заряда, то небольшой обмен носителями заряда между областями все же происходит, но он очень мал. Такой ток получил название обратный ток Iобр.

Напряжение, открытия диода, когда через него течет прямой ток называют прямым Uпр, а напряжение обратной полярности, при котором он запирается и через него течет Iобр называют обратным Uобр. При Uпр внутреннее сопротивление не выше нескольких десятков Ом, зато при Uобр сопротивление резко увеличивается до сотен и даже тысяч килоом. Это легко увидеть, если измерить обратное сопротивление с помощью мультиметра.

Сопротивление электронно-дырочного перехода величина не постоянная и зависит от Uпр. Чем оно выше, тем меньше сопротивление p-n переход, тем выше Iпр идущий через полупроводник. В закрытом состоянии на нем падает почти все напряжение, поэтому, Iобр ничтожно мал, а сопротивление p-n перехода огромно.

Если мы подсоединим диод в цепь переменного тока, то он будет открыт при положительных полуволне синусоидального напряжения, пропуская прямой ток , и заперт при отрицательной полуволне, почти не пропуская Iобр. Это главное свойства диодов используют для преобразования переменного напряжения в постоянный, и такие приборы называют выпрямительными.

Зависимость тока, проходящего через электронно-дырочный переход, от величины и полярности напряжения изображают в виде кривой, называемой ВАХ

Она состоит из двух ветвей: прямая ветвь — соответствует прямому току через диод, и обратная ветвь, соответствующая обратному току.

Прямая ветвь графика круто поднимается вверх и характеризует быстрый рост прямого тока с ростом значения прямого напряжения. Обратная ветвь, наоборот следует почти параллельно горизонтальной оси и характеризует медленный рост Iобр. Чем ближе к вертикальной оси прямая ветвь и чем ближе к горизонтальной оси обратная ветвь, тем лучше выпрямительные свойства полупроводника. Наличие Iобр является недостатком. Из кривой ВАХ видно, что Iпр во много больше Iобр.

Как мы видим из графика с увеличением прямого напряжения через электронно-дырочный переход ток сначало возрастает медленно, а затем гораздо быстрее.

Но такое резкое увеличение тока нагревает молекулы полупроводника. И если количество тепла будет выше отводимого от кристалл, то могут случится необратимые изменения и разрушение кристаллической решетки.

Поэтому необходимо использовать ограничительное сопротивление включенное последовательно.

При сильном увеличении обратного напряжения, может произойти пробой электронно-дырочного прибора. Даже существуют специальные полупроводниковые приборы называемые стабилитронами в которых применяется это свойство.

Пробой p-n перехода это явление резкого возрастания обратного тока при достижении обратным напряжением определенного критического уровня. Тепловые пробои в свою очередь делятся на электрический и тепловой, а электрический пробой бывает туннельный и лавинный.

Электрический пробой происходит в результате воздействия сильного электрического поля в переходе. Такой пробой считается обратимым, так как он не приводит к повреждению кристалла, и при снижении уровня обратного напряжения характеристики диода сохраняются.

Туннельный пробой возникает в результате туннельного эффекта, который заключается в том, что при высокой напряженности электрического поля в узком p-n переходе, отдельные электроны просачиваются через переход. Такие p-n переходы возможны только при условии высокой концентрации примесей в молекуле полупроводника.

При туннельном пробое происходит резкий рост Iобр при малом обратном напряжении. На основе этого свойства были разработаны туннельные диоды. Они применяются в усилителях, генераторах синусоидальных колебаний и в различных переключающих устройствах на высоких частотах.

Лавинный пробой происходит также под действием сильного электрического поля, когда неосновные носители зарядов под действием тепла в переходе ускоряются на столько, что выбивают из атома один из валентных электронов и выкидывают его в зону проводимости, создав при этом пару электрон – дырка. Образовавшиеся свободные носители начинают разгоняться и сталкиваться с другими атомами, выбивая другие электроны. Процесс носит лавинообразный характер, что приводит к резкому увеличению Iобр при практически неизменном уровне напряжения.

Эффект лавинного пробоя применяется в мощных выпрямительных агрегатах, используемых в металлургической и химической промышленности, а также в железнодорожном транспорте.

Тепловой пробой происходит из-за перегрева p-n перехода при протекании большого уровня тока, и при плохом теплоотводе. Это приводит к резкому возрастанию температуры перехода и соседних с ним областе, увеличивается колебания атомов структуры кристалла, исчезает связь валентных электронов. Электроны начинают уходить в в зону проводимости, идет лавинообразное повышение температуры, что приводит к разрушению кристалла и выходу из строя радиокомпонента.

Читайте так же:
Тепловое действие электрического тока в повседневной жизни

Описание работы выпрямительного устройства на полупроводниковых диодах

Светодиод это полупроводниковый источник света. Генерация света в нем осуществляется за счет энергии, выделяемой при рекомбинации носителей тока дырок или электронов, в зависимости от проводимости p-n перехода, на границе полупроводниковых материалов.

Тиристор это полупроводниковый прибор, изготовленный на основе монокристаллического полупроводника, обладающего тремя и более p-n-переходами.

Стабилитрон — разновидность полупроводникового диода, работающего при напряжении обратного смещении в режиме пробоя. До момента наступления пробоя через стабилитрон текут совсем незначительные токи утечки, а его сопротивление достаточно высокое. В момент пробоя ток через него резко увеличивается, а его дифференциальное сопротивление снижается до малых величин. За счет этого в режиме пробоя напряжение на стабилитроне поддерживается с неплохой точностью в большом диапазоне обратных токов.

Варикап — это очередная разновидность полупроводникового диод, который способен изменять свою внутреннюю емкость прямо пропорционально уровню приложенного обратного напряжения смещения p-n перехода от единиц до сотен пикофарад.

Это еще одна разновидность типичного полупроводникового диода, его отличительная особенность это малое падение напряжения при прямом включении. Название свое он получил в честь немецкого физика изобретателя Вальтера Шоттки. В этих диодах в роли потенциального барьера применяется переход металл-полупроводник, а не p-n переход. Допустимое обратное напряжение диодов Шоттки обычно около 1200 вольт, например CSD05120 и его аналоги, на практике они используются в низковольтных цепях при обратном напряжении до нескольких десятков вольт.

Все эти компоненты различаются по назначению, применяемым материалам, типам р-n переходов, конструктивному исполнению, мощности и прочим признакам и характеристикам. Широкое распространение получили выпрямительные, импульсные диоды, варикапы, диоды Шотки, тринисторы, светодиоды, и тиристоры. Рассмотрим их основные технические характеристики и общие свойства, хотя у каждого типа из этих полупроводниковых компонентов много и своих сугубо индивидуальных параметров

Полупроводниковый диод

Полупроводниковые диоды

В самом начале радиотехники первым активным элементом была электронная лампа. Но уже в двадцатые годы прошлого века появились первые приборы доступные для повторения радиолюбителями и ставшие очень популярными. Это детекторные приёмники. Более того они выпускались в промышленном масштабе, стоили недорого и обеспечивали приём двух-трёх отечественных радиостанций работавших в диапазонах средних и длинных волн.

Именно в детекторных приёмниках впервые стал использоваться простейший полупроводниковый прибор, называемый вначале детектором и лишь позже получивший современное название – диод.

Диод это прибор, состоящий всего из двух слоёв полупроводника. Это слой “p”- позитив и слой “n”- негатив. На границе двух слоёв полупроводника образуется “p-n” переход. Анодом является область “p”, а катодом зона “n”. Любой диод способен проводить ток только от анода к катоду. На принципиальных схемах он обозначается так.

Условное графическое обозначение диода

Как работает полупроводниковый диод.

В полупроводнике “n” типа имеются свободные электроны, частицы со знаком минус, а в полупроводнике типа “p” наличествуют ионы с положительным зарядом, их принято называть «дырки». Подключим диод к источнику питания в обратном включении, то есть на анод подадим минус, а на катод плюс. Между зарядами разной полярности возникает притяжение и положительно заряженные ионы тянутся к минусу, а отрицательные электроны дрейфуют к плюсу источника питания. В “p-n” переходе нет носителей зарядов, и отсутствует движение электронов. Нет движения электронов – нет электрического тока. Диод закрыт.

Диод закрыт

При прямом включении диода происходит обратный процесс. В результате отталкивания однополярных зарядов все носители группируются в зоне перехода между двумя полупроводниковыми структурами. Между частицами возникает электрическое поле перехода и рекомбинация электронов и дырок. Через “p-n” переход начинает протекать электрический ток. Сам процесс носит название «электронно-дырочная проводимость». При этом диод открыт.

Диод открыт

Возникает вполне естественный вопрос, как из одного полупроводникового материала удаётся получить структуры, обладающие различными свойствами, то есть полупроводник “n” типа и полупроводник “p” типа. Этого удаётся добиться с помощью электрохимического процесса называемого легированием, то есть внесением в полупроводник примесей других металлов, которые и обеспечивают нужный тип проводимости. В электронике используются в основном три полупроводника. Это германий (Ge), кремний (Si) и арсенид галлия (GaAs). Наибольшее распространение получил, конечно, кремний, так как запасы его в земной коре поистине огромны, поэтому стоимость полупроводниковых приборов на основе кремния весьма невысока.

При добавлении в расплав кремния ничтожно малого количества мышьяка (As) мы получаем полупроводник “n” типа, а легируя кремний редкоземельным элементом индием (In), мы получаем полупроводник “p” типа. Присадок для легирования полупроводниковых материалов достаточно много. Например, внедрение атомов золота в структуру полупроводника увеличивает быстродействие диодов, транзисторов и интегральных схем, а добавление небольшого числа различных примесей в кристалл арсенида галлия определяет цвет свечения светодиода.

Типы диодов и область их применения.

Семейство полупроводниковых диодов очень большое. Внешне они очень похожи за исключением некоторых групп, которые отличаются конструктивно и по ряду параметров. Наиболее распространены следующие модификации полупроводниковых диодов:

Выпрямительные диоды. Предназначены для выпрямления переменного тока.

Быстровосстанавливающийся диод RU4Am

Стабилитроны. Обеспечивают стабилизацию выходного напряжения.

Диоды Шоттки. Предназначены для работы в импульсных преобразователях и стабилизаторах напряжения. Например, в блоках питания персональных компьютеров.

Импульсные диоды отличаются очень высоким быстродействием и малым временем восстановления. Они применяются в импульсных блоках питания и в другой импульсной технике. К этой группе можно отнести и туннельные диоды.

Быстрый диод RGP30J

СВЧ диоды имеют определённые конструктивные особенности и работают в устройствах на высоких и сверхвысоких частотах.

Диоды Ганна. Они предназначены для генерирования частот до десятков гигагерц.

Лавинно-пролётные диоды генерируют частоты до 180 ГГц.

Фотодиоды имеют миниатюрную линзу и управляются световым излучением. В зависимости от типа могут работать как в инфракрасном, так и в ультрафиолетовом диапазоне спектра.

Читайте так же:
Количество теплоты электрического тока единица измерения

Светодиоды. Излучают видимый свет практически любой длины волны. Спектр применения очень широк. Рассматриваются как альтернатива электрическим лампам накаливания и других осветительных приборов.

Мощный светодиод

Твёрдотельный лазер так же представляет собой полупроводниковый диод. Спектр применения очень широк. От приборов военного назначения до обычных лазерных указок, которые легко купить в магазине. Его можно обнаружить в лазерных считывателях CD/DVD-плееров, а также лазерных уровнях (нивелирах), используемых в строительстве. Чтобы не говорили сторонники лазерной техники, как ни крути, лазер опасен для зрения. Так что, будьте внимательны при обращении с ним.

Также стоит отметить, что у каждого типа диодов есть и подгруппы. Так, например, среди выпрямительных есть и ультрабыстрые диоды. Могут называться как Ultra-Fast Rectifier, HyperFast Rectifier и т.п. Пример – ультрабыстрый диод с малым падением напряжения STTH6003TV/CW (аналог VS-60CPH03). Это узкоспециализированный диод, который применяется, например, в сварочных аппаратах инверторного типа. Диоды Шоттки являются быстродействующими, но не способны выдерживать больших обратных напряжений, поэтому вместо них применяются ультрабыстрые выпрямительные диоды, которые способны выдерживать большие обратные напряжения и огромные прямые токи. При этом их быстродействие сравнимо с быстродействием диодов Шоттки.

Мощные выпрямительные ультрабыстрые диоды

Параметры полупроводниковых диодов.

Параметров у полупроводниковых диодов достаточно много и они определяются функцией, которую те выполняют в конкретном устройстве. Например, в диодах, генерирующих СВЧ колебания, очень важным параметром является рабочая частота, а также та граничная частота, на которой происходит срыв генерации. А вот для выпрямительных диодов этот параметр совершенно не важен.

В импульсных и переключающих диодах важна скорость переключения и время восстановления, то есть скорость полного открытия и полного закрытия. В мощных силовых диодах важна рассеиваемая мощность. Для этого их монтируют на специальные радиаторы. А вот диоды, работающие в слаботочных устройствах, ни в каких радиаторах не нуждаются.

Но есть параметры, которые считаются важными для всех типов диодов, перечислим их:

U пр. – допустимое напряжение на диоде при протекании через него тока в прямом направлении. Превышать это напряжение не стоит, так как это приведёт к его порче.

U обр. – допустимое напряжение на диоде в закрытом состоянии. Его ещё называют напряжением пробоя. В закрытом состоянии, когда через p-n переход не протекает ток, на выводах образуется обратное напряжение. Если оно превысит допустимое значение, то это приведёт к физическому «пробою» p-n перехода. В результате диод превратиться в обычный проводник (сгорит).

Очень чувствительны к превышению обратного напряжения диоды Шоттки, которые очень часто выходят из строя по этой причине. Обычные диоды, например, выпрямительные кремниевые более устойчивы к превышению обратного напряжения. При незначительном его превышении они переходят в режим обратимого пробоя. Если кристалл диода не успевает перегреться из-за чрезмерного выделения тепла, то изделие может работать ещё долгое время.

I пр. – прямой ток диода. Это очень важный параметр, который стоит учитывать при замене диодов аналогами или при конструировании самодельных устройств. Величина прямого тока для разных модификаций может достигать величин десятков и сотен ампер. Особо мощные диоды устанавливают на радиатор для отвода тепла, который образуется из-за теплового действия тока. P-N переход в прямом включении также обладает небольшим сопротивлением. На небольших рабочих токах его действие не заметно, но вот при токах в единицы-десятки ампер кристалл диода ощутимо нагревается. Так, например, выпрямительный диодный мост в сварочном инверторном аппарате обязательно устанавливают на радиатор.

I обр. – обратный ток диода. Обратный ток – это так называемый ток неосновных носителей. Он образуется, когда диод закрыт. Величина обратного тока очень мала и его в подавляющем числе случаев не учитывают.

U стаб. – напряжение стабилизации (для стабилитронов). Подробнее об этом параметре читайте в статье про стабилитрон.

Кроме того следует иметь в виду, что все эти параметры в технической литературе печатаются и со значком “max”. Здесь указывается предельно допустимое значение данного параметра. Поэтому подбирая тип диода для вашей конструкции необходимо рассчитывать именно на максимально допустимые величины.

Что такое тепловой ток полупроводникового диода

3.7. Полупроводниковые диоды

1. Электронно-дырочный переход

Основным элементом большинства полупроводниковых приборов является электронно-дырочный переход ( p — n переход) – область на границе двух полупроводников с электронный и дырочной проводимостью.

При отсутствии внешнего электрического поля за счет теплового движения носители заряда будут диффундировать из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией: электроны из n области переходят в р область, дырки – в обратном направлении (см. рисунок 3.26а, где темными кружками изображены электроны, светлыми – дырки). В результате ухода электронов в n области остаются положительные ионы донорной примеси, а в результате ухода дырок в p области остаются отрицательные ионы акцепторной примеси. Кроме этого, электроны, пришедшие в р область, рекомбинируют с дырками, образуя отрицательные ионы. Аналогично, дырки в n области рекомбинируют с электронами, образуя положительные ионы.

В результате на границе между областями образуется двойной слой разноименно заряженных ионов (на рисунке ионы показаны кружками с плюсом и минусом). Этот слой называется запирающим. Он обеднен основными носителями заряда и обладает большим сопротивлением по сравнению с сопротивлением n и p областей.

Между образовавшимися объемными зарядами существует электрическое поле с разностью потенциалов 0,3-0,7 В (контактная разность потенциалов). Напряженность этого поля Ек направлена из n области в р область (рис. 3.26а).

Она препятствует дальнейшей диффузии основных носителей заряда и способствует переходу неосновных носителей в соседнюю область. Для основных носителей в этом случае возникает потенциальный барьер, высота которого равна контактной разности потенциалов.

Электрический ток, созданный диффузией основных носителей через переход, называется диффузионным. Электрический ток, созданный движением неосновных носителей под действием электрического поля, называется дрейфовым. Эти токи направлены в разные стороны и в отсутствие внешнего электрического поля компенсируют друг друга. Поэтому полный ток через переход равен нулю.

2. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода

Полупроводниковый диод представляет собой кристалл с электронно-дырочным переходом, к противоположным областям которого присоединены контакты для включения в цепь. Рассмотрим процессы протекания тока через диод при различной полярности внешнего напряжения.

Читайте так же:
Как без силы тока найти количество теплоты

Сначала подключим положительный полюс источника напряжения к области р-типа, а отрицательный – к области n -типа (прямое подключение) и будем постепенно увеличивать подаваемое напряжение (рис. 3.26 б). Напряженность внешнего электрического поля Епр направлена противоположно напряженности электрического поля запирающего слоя Ек, высота потенциального барьера понижается, что способствует движению основных носителей заряда через переход. Сопротивление перехода резко уменьшается и уже при напряжении десятые доли вольта запирающий слой (и, соответственно, потенциальный барьер) практически исчезает. Поэтому на начальном участке прямая ветвь вольт-амперной характеристики (зависимость силы тока в элементе от приложенного к нему напряжения) полупроводникового диода имеет значительную нелинейность, а затем становится почти линейной (рис. 3.27а). Небольшая нелинейность здесь объясняется тем, что при увеличении силы тока n и p области нагреваются и их сопротивление уменьшается (за счет генерации основных носителей заряда). У германиевых диодов рост тока начинается уже при напряжении около 0,1 В, а у кремниевых – около 0,5 В (рис. 3.27а).

При повышении температуры происходит разрыв ковалентных связей в полупроводниках, что приводит к увеличению концентрации носителей и, соответственно, уменьшению сопротивления. Поэтому при повышении температуры прямая ветвь вольт-амперной характеристики приближается к оси силы тока (рис. 3.28).

Если к диоду приложить напряжение обратной полярности (обратное подключение), то направление напряженности внешнего поля совпадет с направлением напряженности запирающего электрического слоя (рис. 3.26 в). Результирующее поле усиливается (потенциальный барьер повышается). Толщина запирающего слоя, а, следовательно, и сопротивление перехода значительно увеличивается. Это приводит к почти полному прекращению тока основных носителей и почти не увеличивает ток неосновных носителей, поскольку их число ограничено. В результате при увеличении обратного напряжения обратный ток через переход сначала резко увеличивается (за счет уменьшения тока основных носителей, направленного навстречу току неосновных), а затем практически не изменяется (рис. 3.27б). Рост обратного тока происходит за счет нагрева перехода током, а также за счет увеличения числа носителей заряда в результате ударной ионизации (при высоком обратном напряжении электроны приобретают большую скорость и энергию, достаточную для выбивания из атомов кристаллической решетки новых электронов).

Обратный ток сильно зависит от температуры и у германиевых диодов он значительно больше, чем у кремниевых. Поэтому германиевые диоды можно использовать как датчики температуры при их обратном включении.

При некотором значении обратного напряжения возникает электрический пробой p — n перехода (при нем еще не происходит разрушения структуры вещества). Сопротивление запирающего слоя значительно уменьшается и обратный ток резко возрастает (участок А-Б-В на рисунке 3.27б). Могут существовать два вида электрического пробоя – лавинный и туннельный. Лавинный пробой происходит за счет лавинного увеличения числа носителей в результате ударной ионизации. Он характерен для p — n переходов большой толщины, получающихся при малой концентрации примесей в полупроводниках. В тонких переходах возможен туннельный пробой за счет туннельного эффекта. Работа диода в режиме электрического пробоя используется в специальных типах диодов – полупроводниковых стабилитронах.

При дальнейшем увеличении напряжения возникает тепловой пробой перехода (участок В-Г). При протекании большого обратного тока в переходе выделяется количество теплоты больше того, которое отводится от перехода. Поэтому температура перехода увеличивается, сопротивление уменьшается и ток еще больше возрастает. Переход перегревается и вещество разрушается.

Анализ прямого и обратного подключения диода к источнику напряжения позволяет сделать вывод, что полупроводниковый диод хорошо проводит ток в прямом направлении и очень плохо в обратном. Это свойство диода позволяет применять его для выпрямления переменного тока.

3. Проверка исправности и определение выводов диодов

Проверка исправности полупроводниковых диодов может осуществляться с помощью омметра. Для этого измеряют сопротивление диода, подключая его к омметру сначала в одном направлении, затем в обратном. Как указывалось выше, при подключении диода в прямом направлении его сопротивление малое, в обратном направлении – очень большое. У неисправного диода сопротивление в обоих случаях равно нулю или бесконечности.

По аналогии с выводами вакуумного диода выводы полупроводникового диода также называют катодом и анодом. Катод – это вывод от области n типа, а анод – вывод от области p типа. На корпусе больших диодов изображают условное обозначение диода, на корпусе малых диодов делают специальную отметку, позволяющую найти вывод анода. Полярность диода можно определить экспериментально с помощью омметра. Для этого нужно знать, какой вывод внутреннего источника питания омметра подключен к гнезду "общ". Это можно определить с помощью диода с маркированной полярностью или вольтметра.

Для определения выводов диода необходимо подключить его к омметру в прямом направлении (чтобы сопротивление было малым) и посмотреть, какой вывод диода подключен к проводу омметра, соединенному с положительным полюсом внутреннего источника питания. Этот вывод диода и будет анодом.

Что такое тепловой ток полупроводникового диода

Ольга Александровна Косарева

Шпаргалка по общей электротехники и электроники

1. ИСТОРИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ

Фундамент для возникновения и развития электроники был заложен работами физиков в XVIII и XIX вв. Первые в мире исследования электрических разрядов в воздухе были осуществлены в XVIII в. в России академиками Ломоносовым и Рихманом и независимо от них американским ученым Франклином. Важным событием явилось открытие электрической дуги академиком Петровым в 1802 г. Исследования процессов прохождения электрического тока в разреженных газах проводили в прошлом веке в Англии Крукс, Томсон, Тоунсенд, Астон, в Германии Гейслер, Гитторф, Плюккер и др. В 1873 г. Лодыгин изобрел первый в мире электровакуумный прибор – лампу накаливания. Независимо от него несколько позже такую же лампу создал и усовершенствовал американский изобретатель Эдисон. Электрическая дуга впервые была применена для целей освещения Яблочковым в 1876 г. В 1887 г. немецкий физик Герц открыл фотоэлектрический эффект.

Термоэлектронная эмиссии была открыта в 1884 г. Эдисоном. В 1901 г. Ричардсон провел детальное исследование термоэлектронной эмиссии. Первая электронно-лучевая трубка с холодным катодом была создана в 1897 г. Брауном (Германия). Использование электронных приборов в радиотехнике началось с того, что в 1904 г. английский ученый Флеминг применил двухэлектродную лампу с накаленным катодом для выпрямления высокочастотных колебаний в радиоприемнике. В 1907 г. американский инженер Ли-де-Форест ввел в лампу управления сетку, т. е. создал первый триод. В том же году профессор Петербургского технологического института Розинг предложил применить электронно-лучевую трубку для приема телевизионных изображений и в последующие годы осуществил экспериментальное подтверждение своих идей. В 1909-191 1 гг. в России Коваленков создал первые триоды для усиления дальней телефонной связи. Важное значение имело изобретение подогревного катода Чернышевым в 1921 г. В 1926 г. Хелл в США усовершенствовал лампы с экранирующей сеткой, а в 1930 г. он предложил пентод, ставший одной из наиболее распространенных ламп. В 1930 г. Кубецкий изобрел фотоэлектронные умножители, в конструкции которых значительный вклад внесли Векшин-ский и Тимофеев. Первое предложение о специальных передающих телевизионных трубках сделали независимо друг от друга в 1930–1931 гг. Константинов и Катаев. Подобные же трубки, названные иконоскопами, построил в США Зворыкин.

Читайте так же:
Сила тока формулы через количество теплоты

Изобретение таких трубок открыло новые широкие возможности для развития телевидения. Несколько позднее в 1933 г. Шмаков и Тимофеев предложили новые более чувствительные передающие трубки (супериконоскопы или суперэмитроны), позволившие вести телевизионные передачи без сильного искусственного освещения. Русский радиофизик Рожановский в 1932 г. предложил создать новые приборы с модуляцией электронного потока по скорости. По его идеям Арсеньева и Хейль в 1939 г. построили первые такие приборы для усиления и генерации колебаний СВЧ, названные пролетными клистронами. В 1940 г. Коваленко изобрел более простой отражательный клистрон, который широко используется для генерирования колебаний СВЧ.

Большое значение для техники дециметровых волн имели работы Девяткова, Данильцева, Хохлова и Гуревича, которые в 1938–1941 гг. сконструировали специальные триоды с плосковыми дисковыми электродами. По этому принципу в Германии были выпущены металлокерамические и в США ма-ячковые лампы.

2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

По сравнению с электронными лампами у полупроводниковых приборов имеются существенные достоинства:

1) малый вес и малые размеры;

2) отсутствие затрат энергии на накал;

3) более высокая надежность в работе и большой срок службы (до десятка тысяч часов);

4) большая механическая прочность (стойкость к тряске, ударам и другим видам механических перегрузок);

5) различные устройства (выпрямители, усилители, генераторы) с полупроводниковыми приборами имеют высокий КПД, так как потери энергии в самих приборах незначительны;

6) маломощные устройства с транзисторами могут работать при очень низких питающих напряжениях;

7) принципы устройства и работы полупроводниковых приборов использованы для создания нового важного направления развития электроники – полупроводниковой микроэлектроники.

Вместе с тем полупроводниковые приборы в настоящее время обладают следующими недостатками:

1) параметры и характеристики отдельных экземпляров приборов данного типа имеют значительный разброс;

2) свойства и параметры приборов сильно зависят от температуры;

3) наблюдается изменение свойств приборов с течением времени (старение);

4) их собственные шумы в ряде случаев больше, нежели у электронных приборов;

5) большинство типов транзисторов непригодно для работы на частотах выше десятков мегагерц;

6) входное сопротивление у большинства транзисторов значительно меньше, чем у электронных ламп;

7) транзисторы пока еще не изготавливают для таких больших мощностей, как электровакуумные приборы;

8) работа большинства полупроводниковых приборов резко ухудшается под действием радиоактивного излучения.

Транзисторы успешно применяются в усилителях, приемниках, передатчиках, генераторах, телевизорах, измерительных приборах, импульсных схемах, электронных счетных машинах и др. Использование полупроводниковых приборов дает огромную экономию в расходовании электрической энергии источников питания и позволяет во много раз уменьшить размеры аппаратуры.

Ведутся исследования по улучшению полупроводниковых приборов по применению для них новых материалов. Созданы полупроводниковые выпрямители на токи в тысячи ампер. Применение кремния вместо германия позволяет эксплуатировать приборы при температуре до 125" С и выше. Созданы транзисторы для частот до сотен мегагерц и более, а также новые типы полупроводниковых приборов для сверхвысоких частот. Замена электронных ламп полупроводниковыми приборами успешно осуществлена во многих радиотехнических устройствах. Промышленность выпускает большое количество полупроводниковых диодов и транзисторов различных типов.

3. ДВИЖЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ В ОДНОРОДНОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ

Взаимодействие электронов с электрическим полем является основным процессом в электровакуумных и полупроводниковых приборах.

Электрон является частицей материи с отрицательным электрическим зарядом, у которого абсолютное значение e = 1,610 -19 Кл. Масса неподвижного электрона равна m = 9,110 -28 г. С возрастанием скорости движения масса электронов увеличивается. теоретически при скорости движения, равной с = 3·10 8 м/с, масса электрона должна стать бесконечно большой. В обычных электровакуумных приборах скорость электронов не превышает 0,1с. При этом условии можно считать массу электрона постоянной, равной т.

Если разность потенциалов между электродами U, а расстояние между ними d, то напряженность поля равна: Е= U/d. Для однородного электрического поля величина Е является постоянной.

Пусть из электрода, имеющего более низкий потенциал, например из катода, вылетает электрон с кинетической энергией W0 и начальной скоростью v0, направленной вдоль силовых линий поля. Поле действует на электрон и ускоряет его движение к электроду, имеющему более высокий потенциал, например к аноду. То есть электрон притягивается к электроду с более высоким потенциалом. В данном случае поле называется ускоряющим.

В ускоряющем поле происходит увеличение кинетической энергии электрона за счет работы поля по перемещению электрона. В соответствии с законом сохранения энергии увеличение кинетической энергии электрона W-W0 равно работе поля, которая определяется произведением перемещаемого заряда е на пройденную им разность потенциалов U: W-W! = mv 2 /2 – mv 2 /2 = eU. Если начальная скорость электрона равна нулю, то W = mv 2 /2 = 0 и W=mv 2 /2 = eU, т. е. кинетическая энергия электрона равна работе поля. Скорость электрона в ускоряющем поле зависит от пройденной разности по’тенциалов.

Что такое тепловой ток полупроводникового диода

Ознакомиться с основными фотометрическими величинами; ознакомиться с принципом работы фотометра; проверить выполнение закона Ламберта для источника света

Общие сведения

Полупроводниковые диоды и стабилитроны

Выпрямительные диоды и стабилитроны представляют собой полупроводниковые приборы с одним электронно-дырочным переходом (p–n-переходом).

Читайте так же:
Тепловое действие тока закон джоуля ленца примеры использования

Одним из свойств p–n-перехода является способность изменять свое сопротивление в зависимости от полярности напряжения внешнего источника. Причем разница сопротивлений при прямом и обратном направлениях тока через p–n-переход может быть настолько велика, что в ряде случаев, например для силовых диодов, можно считать, что ток протекает через диод только в одном направлении – прямом, а в обратном направлении ток настолько мал, что им можно пренебречь. Прямое направление – это когда электрическое поле внешнего источника направлено навстречу электрическому полю p–n- перехода, а обратное – когда направления этих электрических полей совпадают. Полупроводниковые диоды, использующие вентильное свойство p–n-перехода, называются выпрямительными диодами и широко используются в различных устройствах для выпрямления переменного тока.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) идеализированного p–n-перехода описывается известным уравнением

где (I_0) – обратный ток p–n-перехода; (q) – заряд электрона (q=1,6cdot 10^<-19> Кл); (k) – постоянная Больцмана (k = 1,38⋅10^ <-23>Джcdot град); (T) – температура в градусах Кельвина.

Графическое изображение этой зависимости представлено на рис. 1.1.

Вольт-амперная характеристика имеет явно выраженную нелинейность, что предопределяет зависимость сопротивления диода от положения рабочей точки.

Различают сопротивление статическое (R_<ст>) и динамическое (R_<дин>). Статическое сопротивление (R_<ст>), например в точке А (рис. 1.1), определяется как отношение напряжения (U_A) и тока (I_A), соответствующих этой точке: (R_ <ст>= frac = tg)

Динамическое сопротивление определяется как отношение приращений напряжения и тока (рис. 1.1): (R_ <дин>= frac);

Рис. 1.1Рис. 1.1

При малых значениях отклонений (∆U) и (ΔI) можно пренебречь нелинейностью участка АВ характеристики и считать его гипотенузой прямоугольного треугольника АВС, тогда (R_ <дин>= tgβ).

Если продолжить линейный участок прямой ветви вольт-амперной характеристики до пересечения с осью абсцисс, то получим точку (U_0) – напряжение отсечки, которое отделяет начальный пологий участок характеристики, где динамическое сопротивление (R_<дин>) сравнительно велико от круто изменяющегося участка, где (R_<дин>) мало.

При протекании через диод прямого тока полупроводниковая структура нагревается, и если температура превысит при этом предельно допустимое значение, то произойдет разрушение кристаллической решетки полупроводника и диод выйдет из строя. Поэтому величина прямого тока диода ограничивается предельно допустимым значением (I_<пр.max>) при заданных условиях охлаждения.

Если увеличивать напряжение, приложенное в обратном направлении к диоду, то сначала обратный ток будет изменяться незначительно, а затем при определенной величине (U_<проб>) начнется его быстрое увеличение (рис. 1.2), что говорит о наступлении пробоя p–n-перехода. Существуют несколько видов пробоя p–n-перехода в зависимости от концентрации примесей в полупроводнике, от ширины p–n-перехода и температуры:

  • обратимый (электрический пробой);
  • необратимые (тепловой и поверхностный пробои).

Необратимый пробой для полупроводникового прибора является нерабочим и недопустимым режимом.

Рис. 1.2Рис. 1.2

Поэтому в паспортных данных диода всегда указывается предельно допустимое обратное напряжение (U_<проб>) (напряжение лавинообразования), соответствующее началу пробоя p–n-перехода. Обратное номинальное значение напряжения составляет обычно (0,5 U_<проб>) и определяет класс прибора по напряжению. Так, класс 1 соответствует 100 В обратного напряжения, класс 2 – 200 В и т. д.

В некоторых случаях этот режим пробоя используют для получения круто нарастающего участка ВАХ, когда малому приращению напряжения (∆U) соответствует большое изменение тока (ΔI) (рис. 1.2). Диоды, работающие в таком режиме, называются стабилитронами, т. к. в рабочем диапазоне при изменении обратного тока от (i_<обр. min>) до (i_<обр. max>) напряжение на диоде остается почти неизменным, стабильным. Поэтому для стабилитронов рабочим является участок пробоя на обратной ветви ВАХ, а напряжение пробоя (напряжение стабилизации) является одним из основных параметров.

Стабилитроны находят широкое применение в качестве источников опорного напряжения, в стабилизаторах напряжения, в качестве ограничителей напряжения и др.

Эксперимент

Оборудование

Оборудование, используемое в лабораторной работе: вритуальный лабораторный стенд, блок No 1 (схемы А1–А4); комбинированный прибор «Сура», мультиметры; соединительные провода.

Порядок выполнения работы

Изучить схемы включения полупроводниковых приборов А1–А4 (рис. 1.3–1.6) для снятия вольт-амперных характеристик ВАХ диода и стабилитрона.

Ознакомиться с устройством лабораторного стенда, найти на стенде блок №1 и схемы А1–А4.

Порядок выполнения задания №1 «Исследование полупроводникового диода»
Экспериментальное получение прямой ветви ВАХ диода (I_ <пр>= f(U_<пр>)) с использованием схемы A1, представленной на рис. 1.3.
  1. Установить напряжение источника питания на 5 В
  2. Выставить значение потенциометра (R1) на максимум.
  3. Включить установку
  4. Внимательно изучить схему

Рис. 1.3Рис. 1.3

Экспериментальное получение обратной ветви ВАХ диода (I_ <обр>= f(U_<обр>)) с использованием схемы А2, представленной на рис. 1.4.
  1. Установить напряжение блока питания 30 В.
  2. Выставить значение потенциометра (R2) на максимум
  3. Внимательно изучить схему установки

Рис. 1.4Рис. 1.4

По данным табл. 1.1 и 1.2 построить ВАХ диода.

По ВАХ или таблицам определить:
  1. Статическое сопротивление диода в прямом включении (R_<ст.пр>=frac>>) при U пр = 0,4 В и U пр = 0,1 В.
  2. Динамическое сопротивление диода в прямом включении (R_<дин.пр>=frac>>) на начальном участке ВАХ ( U пр =0 В и U пр = 0,1 В ) и на участке насыщения ВАХ ( U пр = 0,4 В и U пр = 0,45 В ).
  3. Статическое сопротивление диода в обратном включении (R_<ст.обр>=frac>>) при U обр = 5 В и U обр = 25 В.
  4. Динамическое сопротивление диода в обратном включении (R_<дин.обр>=frac>>) на начальном участке ВАХ ( U пр =0 В и U пр = 5 В ) и на участке насыщения ВАХ ( U пр = 20 В и U пр = 25 В ).
Порядок выполнения задания No2 «Исследование полупроводникового стабилитрона»
Экспериментальное получение прямой ветви ВАХ стабилитрона (I_ <пр>= f(U_<пр>)) с использованием схемы A3, представленной на рис. 1.5.
  1. Установить напряжение источника питания на 5 В
  2. Выставить значение потенциометра (R5) на максимум.
  3. Включить установку
  4. Внимательно изучить схему

Рис. 1.5Рис. 1.5

Экспериментальное получение обратной ветви ВАХ стабилитрона (I_ <обр>= f(U_<обр>)) с использованием схемы А4, представленной на рис. 1.6.
  1. Установить напряжение блока питания 30 В.
  2. Выставить значение потенциометра (R7) на максимум
  3. Внимательно изучить схему установки

Рис. 1.6Рис. 1.6

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector