Диоди

Какво е диод?

Диодът е нелинеен полупроводников елемент, който има два електрода. През диода ще тече ток, винаги когато се пренася заряд между електродите на диода.

Съществено свойство на диода е, че големината на тока зависи съществено от поляритета на приложеното напрежение.

Идеалният диод има едностранна проводимост. Той може да се разглежда като отворен ключ, при един поляритет на приложеното напрежение и като затворен ключ при противоположна полярност на напрежението.

Къде се използват диодите?

Структура на диода

Специфичните свойства да диода се дължат на неговата структура. Тя се формира от един полупроводников кристал, в който са въведени акцепторни и донорни пимеси. При това едната част от кристала е от p- тип, а другата - от n-тип (както е показано на фигурата).

Граничната зона между областите с p-тип проводимост и n-тип проводимост се нарича pn преход. Свойствата на pn прехода са в основата на множество открития в електрониката като полупроводниковите дискретни елементи (диоди, транзистори, тиристори) и интегрални схеми.

Символ на диода

Диодът представлява кристал с pn преход. Неговата p-област се нарича анод, а n-областта му - катод.

Фигурата илюстрира символа на диода. Той представлява линия и стрелка, която сочи от анода към катода. Токът през диода тече по посока на стрелката.

Какво ще научите?

Принцип на действие на диода

Принципът на действие на диода се определя от промяната на условията на pn прехода при изменение на поляритета на приложеното напрежение.

pn преходът е основна съставна част на транзисторите и интегралните схеми. Разбирането на неговото действие е ключ към разбиране действието на всички полупроводникови елементи. По тази причина ще го разгледаме в по-големи подробности.

Несвързан диод

Преди да дискутираме влиянието на поляритета на напрежението върху електрическите свойства на диода, първо ще разгледаме условията, които съществуват на изолиран pn преход без приложено външно напрежение.

pn преходът в действителност съществува в единен монокристал. Но за да опростим нещата, ще предположим, че той се формира от прилепването на два отделни кристала съответно с p-тип и n-тип проводимост.

Отделни полупроводници

Нека припомним, че в силициев кристал всеки донорен атом отдава един свободен електрон и се превръща в положителен йон. По подобен начин, всеки акцепторен атом създава една дупка, като става отрицателен йон, когато приеме електрон. Двата материала съдържат и нищожно количество неосновни токоносители, произведени от топлината.

Кръгчетата с плюс и минус знак на фигурата представят донорните и акцепторни йони, докато малките сини и червени топчета са съответно свободните електрони и дупки. Забележете, че всеки къс полупроводник е електрически неутрален като цяло, защото има равенн брой положителни и отрицателни заряди.

Формиране на pn преход

Отделните парчета полупроводник от n-тип или p-тип ще фукционират самостоятелно като резистори. Но ако си представим, че те се обединят, за да формират диод, в целия кристал ще възникнат нови условия.

В този обединен кристал ще започне дифузионно движение на свободните токоносители (електрони и дупки). Някои от тях ще преминат през прехода. Акцепторните и донорните йони, обаче, остават фиксирани във възлите на кристалната решетка, защото са свързани с ковалентни връзки с атомите на силиция. Йоните никога не могат да се движат.

Движение на основните токоносители

Концентрацията на електроните в n областта (основни токоносители) е много по-голяма от концентрацията им в p областта, където те са неосновни токоносители. Поради разликата в концентрациите започва дифузионно движение на електрони от областта с по-висока концентрация (n) към тази с по-ниска концентрация (p).

Когато електроните преминат през прехода, те стават неосновни за p-областта и ако попаднат върху дупка, двата токоносителя се неутрализират взаимно. Този процес се нарича рекомбинация. Аналогични процеси се наблюдаваи и при придвижване на дупките през pn-прехода.

Обеднен слой

Когато електрон напусне n слоя, той оставя след себе си некомпенсиран положителен йон. Следователно от дясната страна на прехода ще се създаде положителен обемен заряд.

Подобно, когато дупка напусне p-слоя, тя оставя след себе си некомпенсиран отрицателн йон, който от своя страна създава отрицателен обемен заряд от ляво на прехода в p-областта.

В резултат близо до границата между двата слоя се формират две области от обемните заряди на йоните на примесите, в които липсват подвижни токоносители. Тази обща област се нарича обеднен слой do. Сумарният заряд в обединения слой е практически нула.

Потенциална Бариера и Електрическо поле

Некомпенсираните положително и отрицателно заредени йони в обеднения слой, създават електрическо поле Eo. Това електрическо поле възпрепятства дифузионното движение на електрони и дупки през прехода. Ако електрон или дупка навлязат в обединения слой, електрическото поле се стреми да ги върне обратно.

Вграденото електрическо поле (напрежението разделено на разстоянието) е еквивалентно на разликата в потенциалите. Потенциалната разлика е известна с термина потенциална бариера  Uo. При стайна темепература (25 oC), потенциалната бариера за силициев диод е приблизително 0.7V докато за гераманиев диод тя е 0.3V.

Дифузионен и Дрейфов Ток

Поради наличието на поле в обединения слой, само основни токоносители с достатъно голяма енергия ще успеят да преодолеят действието на полето и да преминат през прехода. Тези токоносители, които преминават през прехода, преодолявайки потенциалната бариера, образуват дифузионния ток ID. Той има електронна и дупчеста съставка. Условно приетата посока на тока съвпада с посоката на движение на положителните токоносители.

От друга страна, електрическото поле е ускоряващо за неосновните токоносители. Те преминат през прехода в посока, противоположна на дифузионния ток. Насоченото движение на неосновните токонисители под действие на поето се нарича дрейфов ток IE.

При постоянна температура настъпва равновесие и дифузионният и дрейфовият ток през прехода напълно се неутрализират. При липса на приложено напрежение върху диода, през pn -прехода не протича ток. 

Поляризиран диод

На фигурата е показан диод, включен към външен източник на напрежение Us. За по-ясно представяне, обедненият слой е показан като двуцветна лента. В зависимост от поляритета на приложеното напрежението се увеличава или намалява вътрешната потенциална бариера, и съответно се създават условия за промяна на електрическото поле E в обеднения слой.

При прилагане на външно напрежение към диода, то почти изцяло ще се съсредоточи върху обеднения слой, тъй като той има най-голямо специфично съпротивление в сrавнение с p- и n-областите. Промяната на поляритета на приложеното ннапрежение ще доведе до промяна в условията на прехода, а оттам и до промяна на тока през диода. Следователно големината на тока през диода зависи от поляритета на приложеното напрежение.

 

Право включване

Диодът е в право включване, когато отрицателният полюс на батерията е свързан към n-областта на диода, а положителният полюс към p-областта му.

В този случай източникът ще спомага движението на свободни електрони и дупки да преминават през прехода. Тези допълнителни токоносители ще предизвикат намаляване на широчината на обедненият слой d. Това е еквивалентно на намаляване на височината на потенциалната бариера и намаляване на електрическото поле E в обеднения слой. Потенциалната бариера ще се намали до Uo - Us, а стойността на електрическото поле ще е E < Eo.

Ток при право включване

През диод в право включване протича значителен ток. Токът е съставен от основни токоносители, чиято енергия е достатъчна, за да преодолеят потенциалната бариера.

При право включване се снижава потенциалната бариера и основните токоносители срещат по-малко съпротивление при движението си през прехода. С увеличаване на напрежението при право включване, токът в права посока IF ще продължава да нараства.

Обратно включване

Когато отрицателният полюс на източника е свързан към p-областта на диода ,а положителният полюс към n-областта му, диодът е обратно включен.

Отрицателният полюс на източника ще привлича дупки от p-областта, а положителният полюс - свободните електрони от n-областта. След като свободните електрони и дупки напускат прехода, те оставят некомпенсирани положително и отрицателно заредени йони. Тези нови йони увеличат разликата в потенциалите и довеждат до разширяване на обеднения слой. Потенциална бариера в този случай ще бъде: Uo + Us ,и електрическото поле E > Eo.

Обратен ток

При обратно включване с увеличаване на обратното напрежение се разширява обедненият слой и се повишава потенциалната бариера на прехода. В резултат значително се затруднява преминаването на основни токоносители през прехода.

Обаче, през прехода ще преминава много слаб обратен ток, означаван с IR . Той се състои от термогенерираните неосновни токоносители, за които вътрешното поле на прехода е ускоряващо. Обратният ток IR не е зависи от поляритета на напрежението и от височината на потенциалната бариера.

Волт-амперна характеристика на диода

На фигурата е представена волт-амперната характеристика на изправителен диод.

Диодът е нелинеен полупроводников елемент. Той се характеризира с едностранна проводимост на тока. При право включване, токът нараства много бързо с увеличаване на напрежението U. Когато диодът е обратно включен, обратният ток е изключително малък.

Идеалният диод може да се разглежда като ключ, който е отворен при обратно включване, и се затваря при право включване.

Право включване

Фигурата представя волт-амперната характериситка на право включен диод. Стойността на правият ток IF нараства експоненциално като функция на напрежението в права посока UF. Това означава, че и незначително увеличение на напрежението върху диода, ще доведе до рязко увеличение на протичащия ток. Колкото по-голямо е приложеното напрежение, толкова по ниска е потенциалната бариера, и толкова по- голяма ще е стойността на тока в права посока.

Напрежение на отпушване

Трябва да се отбележи, че стойността на тока е ниска само за първите няколко десети от волта. Напрежението, при което стойността на тока започва рязко да нараства, се нарича напрежение на отпушване UTo.. Това напрежение е приблизително равно на стойността на потенциалната бариера на диода.

При стайна температура, напрежението на отпушване за силициев диод е приблизително около 0.7 V, докато за германиев диод то е около 0.3V.

Еквивалентна схема на силициев диод може да се представи като ключ и последователно включен източник на напрежение от 0.7 V. Това означава че през диода ще протича ток, когато приложеното право напрежение надвиши 0.7 V.

Играй и учи - Температура и Потенциална бариера

Нека си припомним, че при стайна темепратура, потенциалната бариера е около 0.7V за силициев диод и 0.3V за германиев диод. Както за германиев, така и за силициев диод, потенциалната барера намалява с 2 mV, за всеки градус в °C увеличение на темепературата.

Указания:

  • променяйте температурата
  • наблюдавайте възникналата промяна в потенциалната бариера

Обяснете:

- защо стойностите на потенциалната бариера зависят от температурата.

Температурна зависимост на правото напрежение върху диода

При увеличаване на температурата, напрежение върху диода намалява. Тъй като потенциалната бариера се снижава с увеличение на температури, все по-ниско напрежение ще бъде необходимо, за да се достигне стойност на тока, нормално протичащ при при стайна температурата. Влиянието на температурата се отчита чрез температурен коефициент. Този коефициент се изчислява като отношение от изменение на напрежението към промяна на температурата. В този случай диод с право включване ще има отрицателен температурен коефициент.

Това е много важно свойство на право включения диод. Използва се основно за температурна компенсация, както и като датчик за температура.

Обратно включване

Фигурата представя волт-амперната характеристика при обратно включване. Забележете, че обратният ток не зависи от промените в обратното напрежение.

Обратният ток се дължи на термично генерирани неосновни токоносители. Той се означава с Is и се нарича още ток на насищане. Терминът насищане произлиза от факта, че когато се увеличава обратното напрежение UR, това не предизвиква по-нататъшно увеличаване на броя на неосновните токоносители. Увеличаването на неосновните токоносители се дължи само и единствено на топлината.

Обратен ток на насищане

Тъй като обратният ток се дължи на образувани от топлината неосновни токоносители, той силно зависи от промени в температурата. Основно правило за тази зависимост е : Is удвоява стойността си на всеки 10 °C увеличение. Колкото по-висока е температурата, толкова по-силен ще е токът на насищане.

В силициев (Si) диод броят на неосновните токоносители е по-малък от този в германиев (Ge) диод. Това означава, че токът на насищане Is в силициев диод е много по-малък, отколкото този в германиев диод. В повечето приложения, обратният ток на силициев диод е твърде малък и може да се пренебрегне. Важно е да се запомни, че при обратно включен диод токът винаги е близък до нула.

Общ обратен ток

Общият обратен ток на диода е съставен от тока на насищане (който е много малък и силно зависи от температурата) и от тока на утечка по повърхността (който също е много малък и зависи от приложеното напрежение). Токът на утечка по повърхността е резултат от несъвършенства в кристалната решетка.

Известно е, че протичащият в диода ток, е много малък за всяко обратно напрежение, което е по-ниско от пробивното напрежение UBR. В областта на пробив, токът бързо нараства дори и при незначително повишение на напрежението.

Като цяло, диодите никога не функционират в областта на пробив. Единствено изключение от това правило е Ценеровият диод, който се използва за специфични цели и чието действие е разгледано в отделен e-Tr@iner.

Товарна права

Фигурата илюстрира елементатна електрическа схема за включване на диода. Чрез прилагане на закона на Кирхоф се достига до линейна зависимост между тока във веригата и напрежението върху диода U = Us - I.R. е Us е напрежението на източника, а U и I са респективно напрежението и тока през диода. Това е уравнение на права линия и се нарича товарна права.

Товарната права може да се построи лесно в полето на волт-амперната характеристика с отрезите си от осите респективно (I=0,U=Us) и (U=0, I=Us/R). Наклонът на линията е пропоционален на 1/R.

Работна точка

Товарната права се използва, за да се определят точните стойности на тока и напрежението през диода.

Пресечната точка между товарната права и волт-амперната характеристика на диода се нарича работна точка Q.

При източник с напрежение Us и товарно съпротивление R, координатите на работната точка Q (IQ ,UQ) ще представят точните стойности на напрежението върху диода и тока през него за дадената схема.

Параметри на диода - Постоянно токово съпротивление

Постоянно токовото съпротивление на диода се определя от съотношението на напрежението и тока за дадена работната точка.

При право включване, постоянно токовото съпротивление на диода се означава с RF. За работната точка Q съпротивлението се изчислява от RF = UQ / IQ . При обратно включване съпротивлението се означава с RR. Диодът има ниска стойност на съпротивлението при право включване RF (по-малко от 100 ома) и голяма стойност на RR (няколко стотин килоома до мегаом).

Диодът е нелинеен елемент и стойността на съпротивлението по постоянен ток в право включване зависи от избраната работна точка. То ще намалява с увеличаване на тока. При всички случаи постоянно токовото съпротивление в права посока е ниско.

Тестване на диода

Диодът може да се тества за годност като се измери съпротивлението на диода чрез омметър. Изправният диод има ниско съпротивление в едната посока, и високо съпротивление в другата.

Точната стойност на съпротивлението не е от значение. Ключов момент при тестването е да се наблюдава високо отношение на обратното към правото съпротивление на диода. За типичен силициев диод, отношението трябва да е по високо от 1000:1.

Възможни неизправности в диода са: ниско съпротивление в двете посоки, означава че в диода има късо съединение, а високо съпротивление и в двете посоки означава че диодът е прекъснал.

Макс. допустими параметри на диода - Максимално допустима мощност

Максимално допустимата мощност на диода силно зависи от две температури: околната температура и максимално допустимата температура на pn прехода. Околната температура Ta е температурата на заобикалящият въздух, а Tj се нарича температура на прехода и означава температурата на pn- прехода в диода.

Когато се отделя мощност в диода, температурата на диода нараства. Когато температурата на прехода стане много висока и превиши максималното допустима температура на прехода Tjmax, диодът ще се разруши. За силициев диод Tjmax е около 150oC, а за германиев -- 75oC.

Максимално допустимата мощност Pmax отделена в диода се дефинира като мощността, при която температурата на прехода достига Tjmax.

Излъчване на топлина

Реалното нарастване на температурата на прехода зависи от процента на топлинна енергия, която може да бъде отведена (излъчена) в обкръжаващата среда. Топлинната енергия, отдадена в прехода, може да се намали сравнително лесно чрез излъчване от корпуса на елемента.

На фигурата са представени най-често срещаните корпуси на диоди (не в реалните им размери), които се използват при различна мощност. Елементите, които работят с по-голяма мощност, обикновенно са и с по-големи размери на корпуса, и съответно с по-голяма възможност за отвеждане на топлината.

Радиатори

За да се използват диодите при големи мощности, площта на корпуса, от която се излъчва топлината, се увеличава чрез монтиране на елемента върху радиатор (метална повърхност). Диодът може да се прикрепи към радиатор с вертикални ребра, които отвеждат по-ефективно високата температура, извън корпуса на елемента.

На фигурата са показани няколко вида радиатори. Независимо кой вид се използва, при всички случаи, целта е да се намали температурата на корпуса. Топлината бързо се отведежда в околния въздух и така се подобрят максимално допустимите параметри на диода. За работа при много високи мощности, охлаждането допълнително може да се подобри като към радиатора се монтира вентилатор.

Максимално допустим ток

Максимално допустимата мощност на диода е пряко свързана с максимално допустим ток IFmax. Фигурата илюстрира важността на този параметър. Ако токът през диода стане прекалено голям, отделената топлина ще разруши диодната структура. Даже при работа със стойности на тока близки до IFmax,, без да се надвишава стойността му, се скъсява времето за използване на диода и се влошават неговите параметрите.

Следователно при работа на диода не трябва да се надвишава IFmax, за да се гарантира надеждна и безопасна експлоатация на прибора.

Токоограничителен резистор

На фигурата е илюстриран включения в схемата на диода токоограничаващ резистор. Той има задачата да ограничи тока през диода, за да не се надхвърли максимално допустимата му стойност.

Токът през последователно свързания резистор I = (Us - U) /R, се изчислява като се приложи закона на Ом. В уравнението Us е напрежението на източника и U е напрежението върху диода.

Тъй като за последователни схеми, токът е един и същ във всички части на схемата, то през диода ще тече същият ток както и през токоограничаващия резистор.

Пробивно напрежение

Когато обратното напрежение нарастне твърде много, говорим за пробив.

При пробивно напрежение UBR, обратният ток значително нараства при незначително изменение на обратното напрежение. Токът при пробив може да доведе до разрушаване на диода. За да не се случи това, токът трябва да се ограничи с токоограничителен резистор, както това се прави и при право включване а диода.

В много приложения, диодът се използва с цел едностранна проводимост на тока. В такъв случай пробивното напрежение рядко се достига. Пробивното напрежение за германиев изправителен диод е в границите 30 V- 120 V, а за силициев диод в стойностите между 100 V и 2000 V.

Капацитет на диода

Капацитетите на диода са от особена важност при работа с високочестотни сигнали и в режим на превключване. Капацитетите на диода са свързани с промяна на заряда, предизвикани от изменение на приложеното напрежение.

Бариерният капацитет на прехода Cj се оределя от заряда на йоните на примесите в областта на обеднения слой. Анимацията илюстрира промените, които настъпват в този заряд в отговор на изменение за променливото напрежение um.

При право включване преобладава дифузния капацитет Cs, който се определя от неравновесните заряди на неосновни ностели в неутралните области, близо до прехода. Тези заряди се изменят вследствие на инжекцията при право свързване на диода.

Точков диод

Капацитетите на диода намаляват ефективността на диода при работа с високочестотни сигнали. Те ограничават и бързодействието при превключване.

Зареждането и разреждането на капацитетите определя честотните свойства на диода и неговото бързодействие. За високочестотни и бързопревключващи диоди капацитетите трябва да са минимални.

Фигурата илюстрира структурана на така наречения точков диод който се използва за високочестотни приложения. Този диод има много малка площ на прехода и съответно много малки капацитети (по-малки от 1 pF). Пръстенът върху корпуса указва местоположението на катода, а цвета му - пробивното напрежение на диода.