Вольт амперная характеристика диода формула: Характеристики и параметры диодов: схемы, ВАХи, зависимости, диаграммы

Содержание

Вольт-амперная характеристика полупроводниковых диодов, типовые ВАХи

Электровакуумный диод представляет собой прибор, работающий за счет контроля интенсивности нагрева положительного и отрицательного полюсов устройства. Вход устройства при подаче электрического тока нагревается, после чего появляется эффект выхода электронов из металла. Если подавать электрический ток с отрицательным напряжением, осуществляется процесс обратный термоэлектронной эмиссии. За счет этого идет выпрямление мощности, которая подается на радиодеталь.

Вах полупроводникового прибора

Вольтамперная характеристика вакуумного диода

Данная характеристика состоит из классических трех ступеней:

  1. Нелинейная часть. Вольт амперная характеристика диода в месте подачи тока возрастает небольшими темпами. Это объясняется эффектом противодействия полю анода отрицательного напряжения свободных электронов. На данном участке ток анода крайне низок. Влияние напряжения на силу экспоненциально.
  2. Вторая часть кривой описывается законом степени 3/2. Влияние электричества на аноде от подаваемого напряжения в данном случае записывается формулой трех вторых, в которой напряжение на аноде умножается на константу, характеристики габаритов электрода.
  3. Напряжение насыщения. Если напряжение на аноде продолжает увеличиваться соразмерно предыдущим показателям, скорость увеличения выходного тока снижается. Повысить мощность на выходе невозможно из-за отсутствия свободных электронов.

Как работает диод

Диод – полупроводниковое устройство, которое обладает односторонней проводимостью. Эта характеристика появляется из-за особенностей pn перехода и сопротивления на его концах. Односторонняя проводимость обозначает, что радиодеталь пропустит электрический ток только в том случае, если на аноде (входе) будет больший потенциал. Если мощность выше на катоде, появляется обратный ток. Однако из-за высокой степени сопротивления величины такого электрического тока критически малы. Таким образом строится вольт амперная характеристика полупроводникового устройства.

Принцип функционирования диода вакуумного типа

При подаче электричества на выход электровакуумного диода электроны покидают поверхность из-за эффекта термоэлектронной эмиссии. При этом с накоплением свободных заряженных частиц в атмосфере появляется область, которая характеризуется негативным потенциалом. Характерной особенностью вакуумного прибора является то, что в это время поверхности анода начнут положительно заряжаться. Из-за этого последующим заряженным частицам потребуется более высокий уровень заряда для отрыва. В результате переходных процессов вокруг катода формируется облако заряженных частиц.

Интересно. Незначительная часть электронов возвращается на выход радиодетали. При температуре, которая соответствует требуемой, и стабилизации облака выход и возврат заряженных частиц из катода уравниваются, чем обеспечивают стабильное движение заряженных частиц.

Электрический ток в вакууме

Чтобы появилась возможность передавать ток в вакууме, требуется добавить в пространство свободные заряженные частицы при помощи явлений эмиссии:

  • Термоэлектронная – представляет собой процесс освобождения заряженных частиц металлами во время нагрева. Скорость процесса зависит от площади, условий нагрева и свойств материала. Когда кинетическая энергия превышает мощь электронных связей, происходит освобождение частиц;
  • Фотоэлектронная – возникает под действием освещения.
  • Автоэлектронная эмиссия происходит из-за влияния электрического поля.

Прямое и обратное напряжение диода

Уровень мощности, при котором прибор открыт, и через него течет электричество, называется ток. Обратное напряжение – отрицательная мощность, которая течет с катода на анод. В случае прямого напряжения уровень препятствия движению заряженных частиц не выше 100 Ом, однако при обратном напряжении уровень сопротивления возрастает в несколько сотен раз и может достигать миллионов Ом.

Прямое и обратное напряжение диода

Обратное включение диода, обратный ток

Обратный ток возникает, когда напряжение на катоде выше, чем на аноде. В такой ситуации заряженные частицы из области n перехода начнут смещаться к положительной части детали и передвигаться к отрицательному полюсу. Это приводит к возникновению области, которая содержит малое количество заряженных частиц, из-за чего повысится сопротивление. Однако течение электронов будет продолжаться.

Прямое включение диода, прямой ток

При подключении к аноду большего напряжения, чем на катоде, возникает прямой ток. В таком случае агрегат находится в открытом состоянии. Итоговое значение на выходе зависит от технических характеристик и уровня напряжения на входе. При этом свободные участки из области n типа передвигаются к заряженным частицам из Р типа и, наоборот. На месте pn перехода происходит встреча дырок и электронов, и осуществляется рекомбинация.

ВАХ и выпрямительный диод

ВАХ диода состоит из нескольких квадрантов:

  • В первом случае прибору присуща высокая проводимость, которая соответствует приложенному напряжению;
  • Во второй части радиоэлектронное устройство получает ток до состояния насыщения, затем сбрасывается;
  • В последующем сегменте присутствует обратная ветвь ВАХ диода. Аппроксимация данного состояния свидетельствует о низкой проводимости.

ВАХ стабилитрона

Идеализированная ВАХ полупроводникового диода

Данная характеристика присуща идеальному диоду. Главной задачей такого устройства является пропуск электричества исключительно в одну сторону. В таком случае сопротивление идеального радиоэлемента равно нулю в случае подключения положительного заряда к аноду, и может равняться бесконечности при обратном способе включения в цепь.

Практическое использование выпрямительного диода

Используют устройства в таких узлах:

  • БП силовых агрегатов автомобилей и кораблей;
  • В диодном мосту;
  • В устройствах для выпрямления переменного тока и гальванических емкостей;
  • В трансформаторах для передачи электричества посредством высоковольтной линии.

Выбор выпрямительных диодов

Во время подбора выпрямительных деталей требуется учитывать большое количество факторов:

  • Частота тока;
  • Значения входного тока в амперах;
  • Параметр входного напряжения в вольтах;
  • Устойчивость к условиям внешней среды..

Что обозначает маркировка

Типичная маркировка:

  • Первый символ – Д – диод;
  • Второй – нумерация, которая соответствует типу элемента, материалу и способу применения;
  • Третий – разновидность устройства.

Вольт амперная характеристика диода показывает основные параметры диода. При помощи графика можно получить точную информацию о зависимости значения напряжения на выходе диода от напряжения на входе. Существует несколько видов диодов: идеальный и реальный, выпрямительный и стабилитрон, кремниевый и германиевый, а также светодиод и вакуумный. Отличия между ними – в выполняемой работе. При этом формула выходного напряжения в цепи будет незначительно отличаться. Так как лабораторные условия встречаются редко, то возможны незначительные погрешности во время включения и последующего выполнения функций устройством. ВАХ полупроводникового агрегата существенно различается от типа к типу, отличные характеристики могут быть значительными.

Видео

Вольт-амперная характеристика вакуумного диода | Физика. Закон, формула, лекция, шпаргалка, шпора, доклад, ГДЗ, решебник, конспект, кратко

Раздел:

Электровакуумные приборы

Главной характеристикой диода является зависимость силы его анодного тока Iа от напряжения между анодом и катодом (анод­ного напряжения) Uа при номинальном на­кале катода. Эту зависимость изображают в виде графика, который и называют вольт-амперной (анодной) характеристикой.

Для снятия характеристики диода состав­ляют электрическую цепь по схеме, изоб­раженной на рис. 7.9. Здесь можно выделить цепь накала катода, в которую входит ис­точник накала и выключатель S. В анодную цепь входит промежуток в лампе анод-катод, миллиамперметр для измерения силы анодного тока, вольтметр для измерения анодного напряжения

Uа, реостат R, вклю­ченный как делитель напряжения, и источ­ник анодного напряжения.

Изменяя с помощью резистора R на­пряжение между анодом и катодом, а также изменяя полярность включения анодного ис­точника, измеряют силу тока в анодной цепи и строят график, который показан на рис. 7.10, для чистого металлического (не­активированного) катода.

Дело в том, что ток насыщения можно получить лишь у диодов, катоды которых металлические. Такие катоды из чистого воль­фрама используются, например, в элект­ронных микроскопах. Материал с сайта http://worldofschool.ru

Рис. 7.9. Схема установки для иссле­дования вольт-амперной характеристи­ки
Рис. 7.10. Вольт-амперная характерис­тика диода

В подавляющем большинстве электрон­ных ламп для уменьшения работы выхода электронов из катода последние покрывают различными веществами. Так, например, если нанести на вольфрам одну из окисей ще­лочноземельных металлов (бария и др.), то работа выхода уменьшается почти в 3 раза.

При исследовании диодов с активиро­ванными катодами можно наблюдать явление автоэлектронной эмис­сии.

Автоэлектронная эмис­сия — явление, когда за счет энергии электрического поля между анодом и катодом можно до­биться вырывания свободных электронов с холодного (не раскаленного) катода.

Автоэлектронная эмис­сия применяется в электронных лампах с холодным катодом (на графике показано пунктиром).

На этой странице материал по темам:
  • График вах вакуумного диода

  • Вольт-амперная характеристика вакуумного диода физика

  • Особенности вольт-амперной характеристики тд

  • Лабораторная работа изучение вольт амперных характеристик вакуумного диода

  • Вольт амперная хар-ка свободные носители в вакууме

Вопросы по этому материалу:
  • Что такое вольт-амперная характеристика диода?

  • Объясните характер изменения силы анодного тока в диоде при изме­нениях напряжения между анодом и катодом.

Использование метода наименьших квадратов для подбора параметров вольт-амперной характеристики диода Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.382.2/3

А. Е. Китаев

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА НАИМЕНЬШИХ КВАДРАТОВ ДЛЯ ПОДБОРА ПАРАМЕТРОВ ВОЛЬТ-АМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИОДА

АО «ННПО имени М.В. Фрунзе»

В данной работе метод наименьших квадратов применен для подбора параметров нелинейной модели полупроводникового диода: тока насыщения, температурного потенциала и внутреннего сопротивления диода (омического сопротивления области с меньшей концентрацией примесей). Последний параметр применяется в уравнении, уточняющем экспоненциальную формулу Шокли в области больших прямых токов, но рассмотренный метод применим и в случае равенства этого параметра нулю (когда уточненное выражение переходит в формулу Шокли).

Ключевые слова: метод наименьших квадратов.

Введение

Целью данной работы является разработка методики подбора параметров для нелинейной модели полупроводникового диода, уточняющей формулу Шокли. Именно формула Шокли обычно применяется для описания вольт-амперной характеристики р-п перехода, но при больших прямых токах в реальных полупроводниковых диодах наблюдаются отклонения от этой формулы. Известно, что ток диода можно неявным образом выразить через напряжение с помощью следующего более точного выражения [1]:

и _ Я

I = I, (е Фф_ 1). (1)

Здесь I, — это ток насыщения, ф — температурный потенциал, Я — омическое сопротивление области диода с меньшей концентрацией примесей (фактически этот параметр является внутренним сопротивлением диода). ~ I = _1, (е ФI, Яе Ф ). (2)

ЯФ

График, соответствующий этой кривой, обозначен на рис. 1 сплошной линией (пунктирная линия соответствует формуле Шокли). Из графика видно, что экспоненциальная кривая Шокли имеет более резкий рост. Кривая (2), соответствующая учету ненулевого внутреннего сопротивления Я, при больших значениях прямого напряжения асимптотически приближается к прямой линии:

т и фЯ.

1 * Я + Я1п( 1,»).

Я Я ф

Явная формула для напряжения, следующая из (1), записывается с использованием логарифмической функции:

и = ф 1п(1 +1) + 1Я . (3)

© Китаев А. Е., 2018.

Именно эту формулу из-за ее простоты целесообразно положить в основу дальнейших расчетов. Для подбора параметров 1ц, ф и R будет использован метод наименьших квадратов, адаптированный к данному нелинейному случаю.

Рис. 1. Графики вольт-амперных характеристик диода (сплошная линия — с учетом ненулевого внутреннего сопротивления Л, пунктир — без учета Л, в соответствии с формулой Шокли)

Методика

Если напрямую применить метод наименьших квадратов к соотношению (3), мы получим достаточно сложную систему из трех уравнений относительно трех неизвестных величин (1ц, ф, R). Можно упростить задачу, если использовать тот факт, что при больших прямых токах вольт-амперная характеристика, описываемая формулой (3), почти линейна. Ее наклон определяется параметром R. Это позволяет произвести оценку данного параметра, взяв несколько экспериментальных значений тока и напряжения, находящихся на квазилинейном участке характеристики, и применив обычный метод наименьших квадратов [4], предназначенный для поиска параметров R и Ь кривой y=xR+b. Значение R определяется следующей формулой:

ь ь ь

1 «У У. У X

Я =

ЬУ хгУг -У у. У х

г=1_г=1 г=1

ЬУ (хг )2 — (У*г )2

г=1 г=1

Здесь хг — это набор из Ь экспериментальных значений тока (приходящихся на квазилинейный участок), а уг — набор из Ь соответствующих им экспериментальных значений напряжения (Ь<Ы, где N — полное число экспериментальных отсчетов, приходящихся не только на квазилинейный, но и на нелинейный участок).

После этого получим формулу для параметров I и ф, считая, что третий параметр Я нам уже известен.+1))2

k=1 Is

(5)

N x x 2(фln(+1) + xR — y,)—= 0

i =1

I

x, + Is

Если ф из первого уравнения (5) подставить во второе (переименовав для удобства индексы суммирования), мы получим уравнение, куда входит лишь 1ц:

N

x

2 (xmR — ym )ln( +1)

I x x

2 ([- -«-]ln( ~r~ +1) + x,R — yi) = o.

г=1 2 (м—+1))2 x +

N

k=1

Is

Это уравнение можно решить численно (например, средствами пакета «Wolfram Mathematica») и найти значение Is. После этого из первого уравнения системы (5) можно найти значение ф. Параметр R здесь считается уже известным но его, возможно, придется изменить, чтоб добиться лучшего совпадения данных, вычисленных по формуле (3), с экспериментальными значениями. Например, можно провести расчет для нескольких значений R, построить график, отображающий зависимость квадратичного отклонения S в зависимости от R, и после этого подобрать значение R, при котором отклонение S минимально.

Отметим также, что система (5) пригодна и для случая формулы Шокли (когда в соотношениях (1) и (3) R=0).

В заключение статьи приведем график, где точками показаны экспериментальные данные, а сплошной линией — значения, вычисленные по формуле (3).

s

Рис. 2. Координата х — это ток (А), y — напряжение (В). R=0.63 Ом

Если принять аппроксимацию. (в предположении, что внутреннее сопротивление R задано).

3. Возможно варьирование значения R и повторение действий пункта 2 для лучшей аппроксимации экспериментальных данных теоретической кривой.

Полученная кривая довольно точно приближает массив экспериментальных данных. Приравнивание внутреннего сопротивления диода R нулю приводит к ухудшению соответствия.

Библиографический список

1. Степаненко, И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем / И.П. Степаненко. -М.: Энергия, 1977.

2. Китаев А.Е. / Материалы международной научно-технической конференции «Интерматик-2016», Часть 3. — М.: Галлея-Принт, 2016.

3. Дубинов, А. Е. W-функция Ламберта и ее применение в математических задачах физики / А. Е.Дубинов, И. Д.Дубинова, С. К. Сайков. — Саров: ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2006.

4. Зельдович, Я.Б. Элементы прикладной математики / Я.Б. Зельдович, А.Д. Мышкис. — М.: Наука, 1972.

5. Китаев, А.Е. Аналитическое представление характеристик биполярных транзисторов // Радиотехника 2017 N10 С.189-194.

6. Труды XX Научной конференции по радиофизике. — Н.Новгород: ННГУ, 2016.

Дата поступления в редакцию 23.03.2018

R=0, кривая, полученная таким способом, дает худшую

34

Tpydbi HrTy um. P.E. ArnKceeea № 2 (121)

A. E. Kitaev

USING OF THE LEAST-SQUARES METHOD FOR DIODE PARAMETERS FITTING

NNPO named after M.V. Frunze

Purpose: The purpose of this work is the algorithm design of parameter fitting for the nonlinear characteristics of semiconductor diode.

Methodology: In this paper the least-squares method is applied to the parameters fitting for the volt-ampere characteristic of semiconductor diode. These parameters are Is, 9 and R. Is is saturation current, q> is temperature voltage and R is the pure resistance of diode area with little impurity density. The third parameter is used in improved formula of characteristic that is more exact than the exponential Shockley formula. If this parameter is equal to zero this method can be applied to the original Shockley formula.

Findings: The least-squares method is adapted for application to this task. The calculations show that the accounting of third parameter R makes the approximation more exact.

Key words: least squares method, volt-ampere characteristic.

Полупроводниковый диод. ВАХ специальных диодов. — Help for engineer

Полупроводниковый диод. ВАХ специальных диодов.

Существует три вида диодов:

— газонаполненные;

— электровакуумные;

— полупроводниковые диоды, про которые и будет идти речь дальше.

В чистом полупроводнике отсутствуют свободные электроны, поэтому его электропроводность, как и у диэлектрика крайне мала. Если добавить в полупроводник примесь, то проводимость увеличится. Для того чтоб заметить изменение электропроводимости, достаточно в чистый полупроводник добавить очень малое количество примеси – 1 атом примеси на 106 атомов полупроводника. Электрическая проводимость любого вещества зависит от наличия в атоме свободных, слабо связанных электронов на внешней орбите.

Если электрон освободился от соседнего атома, то на месте оборванного электрона появилась новая дырка. Электроны двигаются от отрицательного к положительному потенциалу, а дырки можно рассматривать как такие, что двигаются в обратном направлении. Также дырки можно рассматривать как элемент положительного заряда. Примеси, которые образовывают свободные электроны в полупроводнике, называются донорными, а которые делают дырки – акцепторными. Процесс заполнения неполных валентных связей называется рекомбинация.

Рисунок 1 – Проводимость полупроводникового диода

p-n переход – это переходной слой, полученный на границе полупроводников разной проводимости.

Различают два типа перехода:

— плоскостной;

— точечный.

Принцип работы полупроводникового диода основан на особенности p-n перехода — ярко выраженная проводимость, которая зависит от полярности приложенного напряжения (рисунок 1).

На основании представленных характеристик материалов создан полупроводниковый прибор – диод.

Рисунок 2 – Обозначение диода

Обозначение диода в электрических схемах – VD.

Основные электрические параметры диода:

1. Іном – максимальное значение действующего тока через диод, которое его не перегревает.

2. Максимальный импульсный ток – Іі.max.

3. Обратное максимальное напряжение Uобр.

Все полупроводниковые приборы очень чувствительны к примесям в воздухе, поэтому их размещают в герметичном корпусе из стекла или керамики.

Работа диода при прямом приложенном напряжении имеет следующий вид (ток — черная кривая, напряжение — красная):

Рисунок 3 – Ток и напряжение на диоде

С рисунка видно, что при положительном напряжении диод VD открывается и напряжение имеет малое значение, при отрицательном напряжении диод закрывает мгновенно, переставая пропускать через себя ток.

Широко применяются при необходимости преобразования переменного напряжения в постоянное. Выпрямленное напряжение будет иметь пульсирующий вид, как изображено на рисунке 3 – однополупериодное выпрямление, если же применять диодный мост, то будет осуществлено двухполупериодное выпрямление. В полученном пульсирующем напряжении для электрических приборов будет важно действующее значение напряжения. Для трехфазных сетей применяют выпрямитель Ларионова.

Специальные диоды

Стабилитрон – разновидность диода, которому характерна вертикально спадающая ВАХ, на которой стабилитрон предназначен продолжительно работать.

Рисунок 4 – Вольт-амперная характеристика (ВАХ) стабилитрона

Предназначается для работы в источниках питания для стабилизации напряжения.

Основные характеристики: Uстабилизации, Іmin, Imax– граничные значения тока через стабилитрон.

Туннельный диод – это диод, которому характерно наличие в прямой ветке вольт-амперной характеристики участок с обратным сопротивлением. При увеличении прямого напряжения монотонно увеличивается выходное значение тока. Напряжение пробоя такого полупроводника практически равно нулю.

Рисунок 5 – ВАХ туннельного диода

Используются в схемах переключения и генераторах электрических колебаний.

Динистор – специальный диод, который сохраняет высокое сопротивление до определенного значения прямого напряжения, после чего сопротивление резко спадает и равно величине сопротивления открытого диода.


Рисунок 6 – Вольт-амперная характеристика динистора

Используют в схемах автоматики и генераторах переменно-линейного напряжения.

Варикап – диод, у которого изменяется емкость в зависимости от значения приложенного обратного напряжения.


Рисунок 7 – ВАХ варикапа

Применяются в электрических схемах, где необходима настройка частоты контура колебания, деление или умножение частоты.

Характерные для варикапа параметры:

— общая емкость – измеренная емкость при определенном обратном напряжении;

— коэффициент перекрытия по емкости – при двух некоторых значениях напряжения отношения емкостей варикапа.

— температурный коэффициент емкости – относительное изменение емкости, вызванное сменой температуры.

— предельная частота – та, на которой реактивная составляющая варикапа становится равна активной.

Фотодиод – спец диод, обратная проводимость которого изменяется от величины светового потока Ф.


Рисунок 8 – ВАХ фотодиода

Используются в измерителях светового потока и приборах автоматики.

Светодиод излучает свет при прохождении через него в прямом направлении электрического тока, цвет свечения определяется химическим составом кристалла.

Отличительной особенностью светодиода является экономичность – очень малое потребление тока (2-5мА).

Недостаточно прав для комментирования

| Отличия вах реального и идеализированного p-n-переходов

3.2 Ток через p-n-переход

Через p-n-переход течет ток, представляющий сумму диффузионной и дрейфовой составляющих. Диффузионный ток образуется основными носителями заряда, для движения которых диффузионное поле является тормозящим. Увеличение диффузионного тока увеличивает напряженность поля Едиф, контактную разность потенциалов φк и потенциальный барьер φк . Это приводит к уменьшению тока. Таким образом устанавливается равновесие.

Дрейфовый ток образуется неосновными носителями заряда, для которых диффузионное поле является ускоряющим.

В равновесном состоянии сумма диффузионного и дрейфового токов равна нулю:

3.3 Прямое включение p-n-перехода

Прямым называется такое включение, при котором создаваемое внешним напряжением поле направлено против диффузионного поля (рис.3.2).

Рис.3.2 Прямое включение p-n-перехода

В результате контактная разность потенциалов уменьшается, потенциальный барьер снижается, ток основных носителей заряда через переход увеличивается.

3.4 Обратное включение p-n-перехода

Обратное включение p-n-перехода характеризуется тем, что напряженность поля, создаваемого внешним напряжением, совпадает по направлению с напряженностью диффузионного поля (рис.3.3).

Рис.3.3 Обратное включение p-n-перехода

В результате контактная разность потенциалов увеличивается, потенциальный барьер повышается, ток основных носителей заряда через переход уменьшается.

1.5. Вольт – амперная характеристика (ВАХ) идеализированного p-n — перехода

Вольт — амперная характеристика p-n-перехода –это зависимость тока через переход от приложенного к нему напряжения.

Идеализация p-n –перехода заключается в принятии следующих допущений:

1.Прилегающие к переходу области p и n характеризуются нулевым удельным сопротивлением. Поэтому внешнее напряжение прикладывается непосредственно к p-n-переходу.

2.В области p-n- перехода отсутствуют процессы генерации и рекомбинации свободных носителей заряда. Тогда ток через переход в зависимости от приложенного к переходу внешнего напряжения Uвнеш, т. е. вольт- амперную характеристику можно описать формулой Шокли:

где I0 — тепловой ток, который создается неосновными носителями заряда и зависит от трех факторов:

1. Концентрации неосновных носителей заряда, обратно пропорциональной концентрации примесей.

2.  Ширины запрещенной зоны ∆W. Чем больше ∆W, тем меньше I0 .

3.  Температуры. С увеличением температуры растет скорость генерации носителей заряда и увеличивается их концентрация.

3.6 Зонная (энергетическая) диаграмма p-n-перехода

При Uвнеш = 0. Состояние равновесия. Уровень Ферми имеет одно значение для всей структуры (рис.3.4).

Рис.3.4 Зонная диаграмма равновесного p-n-перехода

При Uвнеш ≠0. Прямое включение p-n-перехода (рис.3.5).

Рис.3.5 Зонная диаграмма при прямом включении p-n-перехода

При Uвнеш ≠0. Обратное включение p-n-перехода (рис.3.6).

Рис.3.6 Зонная диаграмма при обратном включении p-n-перехода

3.7 Отличия ВАХ реального и идеализированного p-n-переходов

Реальные p-n-переходы являются, как правило, несимметричными. При этом концентрация примеси в одной области превышает концентрацию примеси в другой. Область с большей концентрацией называется эмиттером, с меньшей — базой. Меньшая концентрация примесей означает меньшую электропроводность и большее удельное сопротивление. Поэтому в реальных p-n-переходах пренебрегать удельным сопротивлением базы нельзя. Эквивалентная схема реального p-n-перехода имеет вид (рис.3.7).

Рис.3.7 Эквивалентная схема реального p-n-перехода

Вторым отличием реального p-n-перехода от идеализированного является наличие в обедненном слое процессов генерации и рекомбинации носителей заряда. Поэтому при обратном включении ток через переход не постоянен, а зависит от приложенного к переходу напряжения (рис.3.8).

Рис.3.8 Отличие ВАХ реального p-n-перехода от идеализированного

Третье отличие заключается в присутствии явления пробоя при обратном включении p-n-перехода.

3.8 Пробой p-n-перехода

Пробой проявляется как резкое увеличение тока через p-n-переход при незначительном изменении приложенного обратного напряжения.

Различают три вида пробоя.

Лавинный пробой — возникает за счет лавинного размножения неосновных носителей заряда путем ударной ионизации. Напряжение, при котором он появляется, увеличивается с ростом температуры (рис.3.8).

Рис.3.8 ВАХ при лавинном пробое

Туннельный пробой — возникает за счет перехода электронов из связанного состояния в свободное без сообщения им дополнительной энергии. С ростом температуры напряжение пробоя уменьшается (рис.3.9).

Рис.3.9 ВАХ при туннельном пробое p-n-перехода.

Тепловой пробой — это пробой, развитие которого обусловлено выделением тепла вследствие прохождения тока через переход. В отличие от лавинного и туннельного является необратимым. То есть в результате пробоя переход перестает работать. С ростом температуры напряжение пробоя уменьшается (рис.3.10).

Рис.3.10 ВАХ при тепловом пробое p-n-перехода

3.9 Зависимость ВАХ p-n-перехода от температуры

С ростом температуры ток через p-n-переход при прямом включении увеличивается из-за увеличения энергии носителей электрического заряда, которые за счет этого легче преодолевают потенциальный барьер.

При обратном включении p-n-перехода с ростом температуры ток через него увеличивается за счет увеличения скорости генерации носителей заряда в переходе (рис.3.11).

Рис.3.11 Зависимость ВАХ p-n-перехода от температуры

3.10 Зависимость ВАХ p-n-перехода от материала полупроводника

Вольт-амперная характеристика p-n-перехода зависит от ширины запрещенной зоны AW энергетической диаграммы материала полупроводника.

Чем больше ширина запрещенной зоны AW, тем меньше скорость тепловой генерации и меньше концентрация неосновных носителей, создающих обратный ток I0 . Следовательно обратный ток меньше.

При прямом включении p-n-перехода ток через него будет тем больше, чем меньше ширина запрещенной зоны. Действительно, ток через p-n-переход определяется как

С увеличением значения ∆W, ток I0 уменьшается и ток I также уменьшается. Для наиболее распространенных полупроводниковых материалов Ge, Si и GaAs ВАХ соотносятся следующим образом (рис.3.12).

Рис.3.12 Зависимость ВАХ p-n-перехода от материала

 Параметры транзистора как четырехполюсника. h-параметры

Биполярный транзистор в схемотехнических приложениях представляют как четырехполюсник и рассчитывают его параметры для такой схемы. Для транзистора как четырехполюсника характерны два значения тока I1 и I2 и два значения напряжения U1 и U2 (рис. 5.23).

Рис. 5.23. Схема четырехполюсника

В зависимости от того, какие из этих параметров выбраны в качестве входных, а какие в качестве выходных, можно построить три системы формальных параметров транзистора как четырехполюсника. Это системы z-параметров, y-параметров и h-параметров. Рассмотрим их более подробно, используя линейное приближение.

Система h-параметров

Система h-параметров используется как комбинированная система из двух предыдущих, причем из соображений удобства измерения параметров биполярного транзистора выбирается режим короткого замыкания на выходе (U2 = 0) и режим холостого хода на входе (I1 = 0). Поэтому для системы h-параметров в качестве входных параметров задаются ток I1 и напряжение U2, а в качестве выходных параметров рассчитываются ток I2 и напряжение U1, при этом система, описывающая связь входных I1, U2 и выходных I2, U1 параметров, выглядит следующим образом:

Идеальный диод

Представление реального диода в виде «идеального диода» равносильно модели идеального вентиля: полностью открыт (прямое включение), полностью закрыт (обратное включение). В закрытом положении ток равен нулю при любом отрицательном напряжении на диоде, в открытом положении напряжение равно нулю при любом токе. Таким образом дифференциальные сопротивления в закрытом и открытом состоянии равны соответственно бесконечности и нулю. На рис.2.2. представлены ВАХ «идеального диода»(жирно) и его схемы замещения в открытом и закрытом состяниях.

Рис. 2.2

Такое представление реального диода часто удобно использовать для анализа схем выпрямителей с большими значениями амплитуд выпрямляемых напряжений, когда нелинейностью начального участка прямой ветви ВАХ и наличием небольшого обратного тока можно пренебречь.

Рассмотрим пример работы простейшей выпрямительной схемы с «идеальным диодом» при гармоническом входном напряжении и нулевом постоянном смещении (Рис.2.3). Величина сопротивления нагрузки R , с которого снимается выпрямленное напряжение, значительно больше дифференциального сопротивления в открытом состоянии реального диода, и меньше дифференциального сопротивления закрытого перехода.

Рис. 2.3

Пусть , причем амплитуда Еm такова, что можно использовать модель «идеального диода». При положительных значениях входного напряжения диод обладает нулевым дифференциальным сопротивлением, и ток в цепи равен

а при отрицательных значениях е(t) ток равен нулю. Осциллограммы тока и напряжений в схеме показаны на рис.2.4.

Рис. 2.4

Поскольку напряжение на нагрузке R несинусоидально, его можно разложить в ряд Фурье по гармоникам частоты входного напряжения. Выпрямленным напряжением является постоянная составляющая напряжения uR (t) :

Из рисунка 2.4 видно, что напряжение на нагрузке отнюдь не постоянно, а пульсирует относительно постоянного напряжения UR,0.

При наличии дополнительного постоянного напряжения Есм (смещение) изменится уровень положительных и отрицательных напряжений на диоде, т.к. входное напряжение выпрямителя будет равно

На рис.2.5 показаны осциллограммы тока и напряжений для отрицательного смещения. На рисунке положительные уровни сигналов отмечены штриховкой.

Рис. 2.5

Как видим, обратное напряжение на диоде здесь увеличилось на величину смещения, а выпрямленное напряжение уменьшилось не только за счет уменьшения амплитуды тока, но и за счет уменьшения длительности импульсов тока.

В данной схеме выпрямителя выходное напряжение не постоянно, а имеет форму усеченных косинусоидальных импульсов, что свидетельствует о наличии в спектре тока и напряжения гармоник частоты выпрямляемого напряжения. Для уменьшения амплитуды гармоник на нагрузке выпрямителя ставят специальные фильтры нижних частот. Простейшим вариантом такого фильтра является параллельная цепочка RC вместо одного сопротивления R (см.рис.2.6).

Рис. 2.6

Величину емкости определяют исходя из заданного коэффициента подавления амплитуды первой гармоники, как наибольшей в спектре тока или из неравенства:

При выполнении этого неравенства постоянная составляющая тока протекает через резистор R , а все переменные составляющие – через конденсатор С , так как его сопротивление переменным токам будет значительно меньше сопротивления резистора.

Можно рассмотреть работу выпрямителя и во временной области. Осциллограммы токов и напряжений в установившемся режиме показаны на рис. 2.7, причем входное и выходное напряжения здесь совмещены на одном графике.

Рис. 2.7

Напряжение на диоде определяется разностью входного и выходного напряжений:

Напряжение же на выходе можно представить в виде процессов заряда и разряда конденсатора С . При положительных напряжениях на диоде сопротивление последнего равно нулю (или мало в реальном диоде в прямом режиме) конденсатор быстро (практически мгновенно) заряжается до напряжения, примерно равному е(t1); в следующие моменты времени напряжение на диоде становится отрицательным, диод закрывается, и емкость медленно разряжается через сопротивление R достаточно большой величины. При правильном выборе С и R постоянная времени разряда емкости значительно больше постоянной времени заряда, так что при разряде напряжение на выходе почти не меняется. В установившемся режиме выходное напряжение колеблется около некоторого среднего значения Uвых,0 , близком по величине к амплитуде входного напряжения. Пульсации выпрямленного напряжения здесь значительно меньшие, чем в схеме без конденсатора.

Программа курса «Твердотельная электроника» | Радиофизический факультет НИ ТГУ

Целью курса «Твердотельная электроника» является ознакомление с физическими принципами работы, характеристиками и функциональными возможностями основных твердотельных приборов.

 

Задачей курса «Твердотельная электроника» является выработка умения качественно объяснить и математически описать физические процессы, лежащие в основе действия твердотельных приборов различного назначения, и на основе полученных соотношений корректно рассчитать их параметры. Изучение дисциплины предусматривает также ознакомление с новыми идеями и экспериментальными результатами в области твердотельной электроники.

 

 I. СОДЕРЖАНИЕ КУРСА 

(лекции – 52 часа)

1. Введение (2 часа)


Краткий исторический обзор развития твердотельной электроники, роль твердотельных приборов и устройств на их основе в науке и технике. Предмет и содержание курса.

 

2. Контактные явления на границе металл-полупроводник (6 часов)


Термоэлектронная эмиссия из полупроводника, термодинамическая работа выхода, контактная разность потенциалов. Запорные и антизапорные слои. Распределение потенциала в области пространственного заряда (ОПЗ) запорного слоя Шоттки. Ширина и емкость запорного слоя Шоттки, диодная теория выпрямления. Эквивалентная схема диода с барьером Шоттки. Функциональные возможности диодов с барьером Шоттки.

 

3. Электронно-дырочные переходы (14 часов)


Образование электронно-дырочного перехода (p-n-перехода), контактная разность потенциалов. Распределение потенциала в ОПЗ p-n-перехода. Ширина и емкость ОПЗ. Диодная теория выпрямления полупроводникового диода. Влияние рекомбинации и генерации носителей в ОПЗ p-n-перехода на вид вольт-амперных характеристик. Частотные свойства полупроводникового диода, эквивалентная схема. Электрический пробой p-n-перехода. Переходные процессы в диодах с p-n-переходом. Функциональные возможности полупроводниковых диодов (выпрямительные диоды, стабилитроны, импульсные диоды, детекторы СВЧ-диапазона, параметрические диоды и варикапы).


4. Гетеропереходы (4 часа)


Получение гетеропереходов. Энергетическая диаграмма идеального гетероперехода. Основные свойства гетеропереходов (односторонняя инжекция, суперинжекция, локализация носителей, эффект оптического окна).

 

5. Диоды для усиления и генерации СВЧ-мощности (6 часов)


Туннельный диод, его вольт-амперная характеристика и частотные свойства. Диод Ганна, вольт-амперная характеристика, формирование домена, возможные режимы работы. Мощность и коэффициент полезного действия диодов Ганна.

 

6. Биполярные транзисторы (10 часов)


Структура и принцип действия транзистора в качестве усилителя. Коэффициент передачи тока на низкой частоте в схеме с общей базой. Статические характеристики и коэффициент передачи тока в различных схемах включения. Выражения для переменных токов в транзисторе, его эквивалентная схема. Частотная зависимость коэффициента передачи тока, предельная частота усиления, граничная частота (частота отсечки) коэффициента передачи тока. Различные типы быстродействующих транзисторов.

 

7. Полевые транзисторы (6 часов)


Принцип действия и статические характеристики полевого транзистора с pn-переходом в качестве затвора, его эквивалентная схема и частотные свойства. Принцип действия и статические характеристики полевого транзистора с изолированным затвором. Преимущества и недостатки полевых транзисторов. Устройство и принцип действия энергонезависимых элементов памяти на основе МОП-транзисторов.

8. Интегральные микросхемы (2 часа).


Понятие об интегральной микросхеме (ИМС). Классификация интегральных микросхем. Полупроводниковые, пленочные, гибридные и совмещенные ИМС. Степень интеграции. Полупроводниковые биполярные ИМС. Топология интегрального биполярного транзистора. МДП – интегральные микросхемы.

 

9. Оптоэлектронные полупроводниковые приборы (2 часа).


Фотодиод с pn-переходом. Принцип действия. Составляющие фототока. Спектральная характеристика фотодиода. Излучающий диод. Принцип действия. Спектр излучения диода. Внешний квантовый выход и мощность излучения.


II. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КУРСА

1. Рекомендуемая литература (основная)

 

1. В.И. Гаман. Физика полупроводниковых приборов: Учебное пособие.- 2-е изд.- Томск: Изд-во НТЛ, 2000.- 426 с.

2. С. Зи. Физика полупроводниковых приборов: В 2-х книгах: Пер. с англ.- 2-е изд.- М.: Мир, 1984.- Кн.1.- 456 с., Кн.2.- 456 с.

3. В.А. Гуртов. Твердотельная электроника. – М.: Техносфера, 2005, 408 с.

 

2. Рекомендуемая литература (дополнительная)

 

1. Лебедев А.И. Физика полупроводниковых приборов. – М.: Физматлит, 2008. – 488 с.

2. И.П. Степаненко Основы микроэлектроники: Учеб. пособие для вузов. – 2-е изд. М.:, СПб.: Лаб. базовых знаний, 2001. – 488 с.

3. Н.М. Тугов, Б.А. Глебов, Н.А. Чарыков. Полупроводниковые приборы. – М.: Энергоатомиздат, 1990.- 576 с.

3. Рекомендуемая литература по практическим занятиям (основная)

1. Малянов С.В., Калыгина В.М. Сборник задач по физике биполярных полупроводниковых приборов: Учебное пособие. – Томск: Изд-во НТЛ, 2008. – 112 с.

 

Контрольные вопросы

1. Нарисуйте энергетическую диаграмму запорного слоя Шоттки при отсутствии и при наличии внешней разности потенциалов.

2. Какое уравнение надо решать для определения зависимости потенциальной энергии электрона от его координаты в ОПЗ запорного слоя Шоттки? Запишите его.

3. Какой вид имеют зависимости ширины запорного слоя и его ёмкости от напряжения?

4. Запишите выражение для ВАХ диода Шоттки и проанализируйте зависимость плотности тока от напряжения.

5. Нарисуйте эквивалентную схему диода Шоттки при наличии прямого и обратного напряжений.

6. Нарисуйте энергетические диаграммы для рn-перехода, у которого р— и n— области являются невырожденными полупроводниками, и для перехода, у которого эти области вырождены.

7. Какой вид имеют зависимости ширины и ёмкости ОПЗ от напряжения для ступенчатого и плавного рn-переходов?

8. Записать граничное условие, связывающее концентрацию избыточных дырок на границе ОПЗ и базы с напряжением на pn-переходе.

9. Пояснить физический смысл инжекционной (диффузионной) и рекомбинационной составляющих прямого тока через рn-переход. Как они зависят от напряжения?

10. Пояснить физический смысл диффузионной и генерационной составляющих обратного тока через рn-переход. Как они зависят от напряжения?

11. Нарисуйте эквивалентную схему диода с рn-переходом. Какой вид она будет иметь при большом обратном напряжении?

12. Пояснить физический смысл барьерной и диффузионной емкостей диода с с рn-переходом.

13. Какими физическими процессами обусловлен переходный процесс при переключении диода из пропускного в запорное состояние?

14. Изобразить энергетическую диаграмму резкого анизотипного pN-гетероперехода. Основные области практического применения гетеропереходов.

15. При выполнении каких условий полупроводниковый диод может выполнять роль выпрямителя?

16. В чем преимущества использования структур с барьером Шоттки для создания импульсных диодов и детекторов СВЧ-диапазона?

17. Нарисуйте ВАХ туннельного диода и поясните природу тока в пропускном и запорном направлениях.

18. Нарисуйте ВАХ диода Ганна и поясните, какой физический процесс обуславливает появление участка с отрицательной дифференциальной проводимостью.

19. Перечислите возможные режимы работы диода Ганна. Чисто качественно поясните, чем эти режимы различаются.

20. Запишите выражение для коэффициента передачи тока биполярного транзистора, включенного в схему с общей базой. Поясните его зависимость от отношения ширины базы к диффузионной длине неосновных носителей заряда.

21. Нарисуйте систему выходных характеристик биполярного транзистора, включенного в схему с общей базой.

22. Запишите выражение для коэффициента передачи тока биполярного транзистора, включенного в схему с общим эмиттером, и нарисуйте систему выходных характеристик.

23. Дайте определение предельной частоты усиления по току биполярного транзистора. Как она зависит от коэффициента диффузии неосновных носителей заряда и ширины базы?

24. Чем обусловлена частотная зависимость коэффициента передачи тока в биполярном транзисторе?

25. Изобразите структуру полевого транзистора с рn-переходом в качестве затвора и поясните механизм усиления переменного сигнала.

26. Нарисуйте систему выходных характеристик и характеристику передачи нормально открытого полевого транзистора с рn-переходом.

27. Запишите выражение, которое связывает переменный ток в цепи стока полевого транзистора с переменным напряжением на затворе.

28. Изобразите структуру МДП-транзистора и поясните механизм усиления переменного сигнала.

29. Дайте определение граничной частоты полевого транзистора.

Вопросы билетов

1. Используя формулу для распределения потенциала Ф(х), получить выражения для: напряжённости поля в запорном слое Шоттки; ширины ОПЗ; ёмкости запорного слоя Сб. Проанализировать зависимость Сб от напряжения.

2. Получить выражение для вольт-амперной характеристики диода с барьером Шоттки и проанализировать зависимость плотности тока от напряжения. Области практического применения ДБШ. ( Используя готовое выражение для плотности термоэмиссионного потока электронов из металла в вакуум ).

3. Используя выражения для плотности постоянного тока и напряженияU(t)=U+uiexp(iwt)получить формулы для плотности тока и активной проводимости диода с барьером Шоттки. Обосновать структуру эквивалентной схемы ДБШ.

4. Построить энергетическую диаграмму pn-перехода, у которого p и n области являются невырожденными полупроводниками, получить выражение для контактной разности потенциалов.

5. Решая уравнение Пуассона, получить распределение потенциальной энергии электрона, а также напряжённости электрического поля в резком p-n-переходе.

6. Используя готовые выражения для ширины ОПЗ, получить выражение для ёмкости резкого pn-перехода и провести анализ зависимости Сp-n от U.

7. Диодная теория выпрямления диода с полуограниченной базой. Получить выражение для плотности тока и дать анализ её зависимости от напряжения. ( Считая уравнение непрерывности для дырок в n-области диода известным ).

8. Используя выражение для плотности переменного тока через диод с базой n — типа: ,провести анализ частотной зависимости активной проводимости диода.

9. Используя выражение для плотности переменного тока через диод с базой n — типа: ,провести анализ частотной зависимости диффузионной ёмкости. Пояснить физический смысл диффузионной емкости диода.

10. Гетеропереходы. Энергетическая диаграмма и ВАХ идеального pN— гетероперехода. Основные свойства гетеропереходов (односторонняя инжекция, суперинжекция, локализация носителей заряда, эффект «оптического окна») и их использование в приборах.

11. Провести анализ ВАХ туннельного диода при прямом и обратном напряжениях, используя энергетическую диаграмму. Из готового выражения для туннельного токаполучить формулы для Umax и Umin. Практическое применение туннельных диодов.

12. Диод Ганна. Используя энергетическую диаграмму n-GaAs, получить зависимостьскорости дрейфа электронов от напряжённости электрического поля. Проанализировать вид ВАХ. Практическое применение диодов Ганна

13. Механизм формирования доменов сильного электрического поля в диоде Ганна и возможные режимы его работы (пролётный, с подавлением домена, ограниченного накопления объёмного заряда). Практическое применение диодов Ганна.

14. Описать принцип действия биполярного pnp-транзистора в качестве усилителя мощности. Дать определение коэффициента передачи тока в схеме с общей базой иустановить его связь с эффективностью эмиттера, коэффициентом переноса дырок, коэффициентом умножения коллектора.

15. Используя выражения для постоянных токов через эмиттер и коллектор, получить формулу, описывающую низкочастотный коэффициент передачи тока pnp-транзистора.

16. Коэффициент передачи тока и статические характеристики (входные и выходные)pnp-транзистора в схеме с общей базой.

17. Коэффициент передачи тока и статические характеристики (входные и выходные)pnp-транзистора в схеме с общим эмиттером.

18. Принцип действия и статические характеристики (выходные, входные и характеристика передачи) полевого транзистора с pn-переходом в качестве затвора.Получить выражения для дифференциальной проводимости канала, тока насыщения стока и крутизны характеристики передачи.

19. Эквивалентная схема и частотные свойства полевого транзистора с pn-переходом в качестве затвора. Получить выражение для граничной частоты (или частоты отсечки) и сформулировать различные варианты её увеличения.

20. Принцип действия и статические выходные характеристики нормально закрытого МДП-транзистора. Преимущества и недостатки полевых транзисторов.

Все вопросы в формате MSWord

Уравнение диода | PVОбучение

Обзор

  1. I 0 напрямую связан с рекомбинацией и, таким образом, обратно пропорционален качеству материала.
  2. Неидеальные диоды содержат член «n» в знаменателе показателя степени. N — коэффициент идеальности, варьирующийся от 1 до 2, который увеличивается с уменьшением тока.

Идеальные диоды

Диодное уравнение дает выражение для тока через диод как функцию напряжения.{\ frac {q V} {k T}} -1 \ справа) $ $

где:
I = чистый ток, протекающий через диод;
I 0 = «темновой ток насыщения», плотность тока утечки диода в отсутствие света;
В = приложенное напряжение на клеммах диода;
q = абсолютное значение заряда электрона;
k = постоянная Больцмана; и
T = абсолютная температура (К).

«Ток темнового насыщения» (I 0 ) является чрезвычайно важным параметром, который отличает один диод от другого.I 0 является мерой рекомбинации в устройстве. Диод с большей рекомбинацией будет иметь большее I 0 . Отличное обсуждение параметра рекомбинации находится в

.

Обратите внимание:

  • I 0 увеличивается по мере увеличения T ; и
  • I 0 уменьшается по мере повышения качества материала.

При 300K кТл/кв = 25,85 мВ, «тепловое напряжение».{\frac{q V}{n k T}}-1\right)$$

где:
n = коэффициент идеальности, число от 1 до 2, которое обычно увеличивается по мере уменьшения тока.

Уравнение диода показано на интерактивном графике ниже. Измените ток насыщения и наблюдайте за изменением кривой IV. Обратите внимание, что хотя вы можете просто изменять температуру и коэффициент идеальности, полученные ВАХ вводят в заблуждение. При моделировании подразумевается, что входные параметры независимы, но это не так. В реальных устройствах ток насыщения сильно зависит от температуры устройства. Точно так же механизмы, которые изменяют фактор идеальности, также влияют на ток насыщения.Температурные эффекты обсуждаются более подробно на странице «Влияние температуры».

Изменение темнового тока насыщения изменяет напряжение включения диода. Фактор идеальности изменяет форму диода. График вводит в заблуждение из-за коэффициента идеальности. Это означает, что увеличение коэффициента идеальности увеличит напряжение включения. На самом деле это не так, поскольку любой физический эффект, увеличивающий коэффициент идеальности, существенно увеличивает темновой ток насыщения I 0 , так что устройство с высоким коэффициентом идеальности обычно имеет более низкое напряжение включения.

Закон диода для кремния проиллюстрирован на следующем рисунке. Повышение температуры заставляет диод «включаться» при более низких напряжениях.

Диодный закон для кремния — ток меняется в зависимости от напряжения и температуры. При заданном токе кривая смещается примерно на 2 мВ/°С. Светло-голубая кривая показывает влияние на кривую IV, если I 0 не изменяется с температурой. В действительности I 0 быстро меняется с температурой, что приводит к темно-синей кривой.

Уравнение тока диода | Electrical4U

Что такое уравнение тока диода?

Уравнение тока диода выражает зависимость тока, протекающего через диод, от приложенного к нему напряжения. Математически уравнение тока диода можно выразить следующим образом:

Где,

  • I — ток, протекающий через диод
  • I 0 — темновой ток насыщения,
  • q — заряд электрона,
  • В — напряжение, приложенное к диоду,
  • η — (экспоненциальный) фактор идеальности.
  • — постоянная Больцмана
  • T — абсолютная температура в Кельвинах.

В этом уравнении необходимо подробно обсудить два параметра.

Это I 0 , темновой ток насыщения, и η, (экспоненциальный) фактор идеальности.

Темновой ток насыщения (I 0 ) указывает плотность тока утечки, протекающего через диод в отсутствие света (отсюда «темнота»).

Этот параметр является характеристикой рассматриваемого диода и указывает величину рекомбинации, которая происходит в нем.

То есть I 0 будет больше для диода, в котором скорость рекомбинации выше, и наоборот. Кроме того, видно, что его значение прямо пропорционально абсолютной температуре и обратно пропорционально качеству материала.

η, (экспоненциальный) коэффициент идеальности

Фактор идеальности (η) показывает близость поведения рассматриваемого диода к идеальному диоду.

То есть, если рассматриваемый диод ведет себя точно так же, как идеальный диод, то η будет равно 1.Его значение увеличивается от 1 по мере увеличения разницы между поведением идеального диода и рассматриваемого диода: чем больше отклонение, тем больше значение η.

Значение η обычно считается равным 1 для германиевых диодов и 2 для кремниевых диодов.

Однако его точное значение для данного диода зависит от различных факторов, таких как дрейф электронов, диффузия, рекомбинация носителей, которая происходит в обедненной области, уровень легирования, технология производства и чистота материалов.

Кроме того, видно, что его значение зависит от значения уровней тока и напряжения. Тем не менее, в большинстве случаев его значение находится в диапазоне от 1 до 2.

В условиях прямого смещения через диод будет протекать большой ток. Таким образом, уравнение тока диода (уравнение 1) становится

. С другой стороны, если диод смещен в обратном направлении, то экспоненциальный член в уравнении (1) становится незначительным. Таким образом, мы имеем

Теперь давайте рассмотрим режим . Уравнение тока диода принимает форму, когда диод работает при комнатной температуре.В этом случае T = 300 K, также и . Таким образом,

При возвратно-поступательном движении получается 25,87 мВ, которое называется тепловым напряжением. Таким образом, уравнение для диода при комнатной температуре принимает вид

Диоды — Learn.sparkfun.com

Авторы: Джимблом Избранное Любимый 66

Реальные характеристики диода

В идеале диоды будут блокировать любой и весь ток, протекающий в обратном направлении, или просто действовать как короткое замыкание, если ток течет в прямом направлении.К сожалению, фактическое поведение диода не совсем идеально. Диоды потребляют некоторое количество энергии при проведении прямого тока, и они не блокируют весь обратный ток. Реальные диоды немного сложнее, и все они имеют уникальные характеристики, которые определяют, как они на самом деле работают.

Зависимость тока от напряжения

Наиболее важной характеристикой диода является его отношение ток-напряжение ( i-v ). Это определяет, каков ток, протекающий через компонент, с учетом того, какое напряжение измеряется на нем.Резисторы, например, имеют простую линейную зависимость i-v … Закон Ома. Однако кривая i-v диода полностью не -линейна. Это выглядит примерно так:

Зависимость тока от напряжения диода. Чтобы преувеличить некоторые важные моменты сюжета, шкалы как в положительной, так и в отрицательной половинах не равны.

В зависимости от приложенного к нему напряжения диод будет работать в одной из трех областей:

  1. Прямое смещение : Когда напряжение на диоде положительное, диод «включен» и через него может протекать ток.Напряжение должно быть больше, чем прямое напряжение (V F ), чтобы ток был значительным.
  2. Обратное смещение : Это режим «выключения» диода, при котором напряжение меньше V F , но больше -V BR . В этом режиме протекание тока (в основном) блокировано, а диод выключен. Очень небольшой ток (порядка нА), называемый обратным током насыщения, может протекать через диод в обратном направлении.
  3. Пробой : Когда напряжение, приложенное к диоду, очень большое и отрицательное, большой ток может течь в обратном направлении, от катода к аноду.

Прямое напряжение

Для того, чтобы «включиться» и проводить ток в прямом направлении, диоду необходимо приложить к нему определенное положительное напряжение. Типичное напряжение, необходимое для включения диода, называется прямым напряжением (V F ).Его также можно назвать напряжением включения или напряжением включения .

Как мы знаем из кривой i-v , ток через диод и напряжение на диоде взаимозависимы. Больше ток — больше напряжение, меньше напряжение — меньше ток. Однако, как только напряжение приближается к номинальному прямому напряжению, большое увеличение тока должно означать лишь очень небольшое увеличение напряжения. Если диод является полностью проводящим, обычно можно предположить, что напряжение на нем является номинальным прямым напряжением.

Мультиметр с настройкой диода можно использовать для измерения (минимального) прямого падения напряжения на диоде.

V F конкретного диода зависит от того, из какого полупроводникового материала он сделан. Как правило, кремниевый диод имеет V F около 0,6–1 В . Диод на основе германия может быть ниже, около 0,3 В. Диод типа также имеет определенное значение для определения прямого падения напряжения; светоизлучающие диоды могут иметь намного большее V F , в то время как диоды Шоттки специально разработаны для того, чтобы иметь гораздо более низкое, чем обычно, прямое напряжение.

Напряжение пробоя

Если к диоду приложить достаточно большое отрицательное напряжение, он поддастся и позволит току течь в обратном направлении. Это большое отрицательное напряжение называется напряжением пробоя . Некоторые диоды на самом деле предназначены для работы в области пробоя, но для большинства обычных диодов не очень полезно подвергать их воздействию больших отрицательных напряжений.

Для обычных диодов это напряжение пробоя составляет от -50 до -100 В или даже более отрицательное.

Диод Листы данных

Все вышеперечисленные характеристики должны быть подробно описаны в техническом описании каждого диода. Например, в этой таблице данных для диода 1N4148 указано максимальное прямое напряжение (1 В) и напряжение пробоя (100 В) (среди множества другой информации):

.

Техническое описание может даже представить вам очень знакомый график зависимости тока от напряжения, чтобы более подробно описать поведение диода. Этот график из таблицы данных диода увеличивает извилистую часть прямой области кривой i-v .Обратите внимание, как больший ток требует большего напряжения:

На этой диаграмме указана еще одна важная характеристика диода — максимальный прямой ток. Как и любой другой компонент, диоды могут рассеивать только определенную мощность, прежде чем они перегорят. Для всех диодов должны быть указаны максимальный ток, обратное напряжение и рассеиваемая мощность. Если на диод действует большее напряжение или ток, чем он может выдержать, ожидайте, что он нагреется (или, что еще хуже, расплавится, задымится и т. д.).

Некоторые диоды хорошо подходят для высоких токов — 1 А и более — другие, такие как слабосигнальный диод 1N4148, показанный выше, могут подходить только для тока около 200 мА.


Этот 1N4148 — это всего лишь небольшая выборка из всех существующих диодов различных типов. Далее мы рассмотрим, какое удивительное разнообразие диодов существует и для чего служит каждый тип.


← Предыдущая страница
Идеальные диоды

Характеристики переходных диодов — Технические статьи

В этой статье мы рассмотрим характеристики переходных диодов и научимся анализировать схемы, содержащие диоды, работающие при прямом, обратном и пробивном смещениях.

Характеристики диода перехода

Одним из наиболее распространенных применений диода является p-n переход. Этот p-n-переход можно использовать для работы и реализации функций диода, поскольку он может проводить значительный ток в прямом направлении и практически не проводить ток в обратном направлении. В этой статье мы сосредоточимся на характеристиках переходного диода i v , в частности p-n перехода.

На рис. 1.1 показаны характеристики диода с кремниевым переходом.Этот же диод и его характеристики показаны на рис. 1.2, чтобы проиллюстрировать больше свойств диода. Глядя на рисунок 1.2, обратите внимание на разрыв в начале координат; эта неоднородность вызвана изменением шкал от обратного и прямого напряжения. Характеристическая кривая p-n перехода состоит из трех уникальных участков:

  1.  Область прямого смещения — определяется соотношением и > 0
  2. .
  3.  Область обратного смещения — определяется как v  < 0

  4.  Область пробоя — это определяется v  < - V ZK

Мы узнаем о каждой из этих областей, начиная с области прямого смещения.{v/V_{T}}-1)$$

Уравнение 1.1

 

Рисунок 1.1 Характеристики диода с кремниевым переходом

 

Рисунок 1.2 Подробная информация о зависимости диода между током и напряжением

 

В уравнении 1.1 I S  является постоянным значением, которое присваивается конкретному диоду при заданной температуре. Этот ток I S,  известен как ток насыщения.В качестве альтернативы, другое название, которое чаще используется, — это ток шкалы. Это справочное название шкалы возникло из-за того, что ток I S прямо пропорционален площади поперечного сечения данного переходного диода. Имея это в виду, если площадь переходного диода удвоится, значение I S соответственно удвоится.

Что касается диодов со слабым сигналом, которые очень часто используются в электронных схемах, где требуется высокая частота или небольшой ток (например, в телевизорах, радио и цифровых логических схемах), то I обычно составляет порядка 10 -15 Ампер.Ток шкалы считается сильно зависящим от температуры и удваивается при повышении температуры на каждые 5ºC.

Если мы снова посмотрим на уравнение 1.1, то увидим, что напряжение VT известно как тепловое напряжение, которое представляет собой константу, определяемую формулой: 

 

$$V_{T}=\frac{kT}{q}$$    

Уравнение 1.2

 

и

  • k = постоянная Больцмана = 1,38•10 -23 джоуль/кельвин
  • T = абсолютная температура в кельвинах = 273.{-19}C}=86,2\frac{\mu V}{K}$$

    Уравнение 1.2a

     

    , а поскольку по определению 1 В = 1 Дж/Кл, мы получаем

     

    $$V_{T}=(86,2\frac{\mu V}{K})T$$

     

    Если принять во внимание комнатную температуру (20ºC), уравнение 1.2a дает значение напряжения для V T , равное 25,3 мВ.

    Если мы посмотрим на переходной диод, который работает в прямом направлении с током i (тем более для i >> I S), , тогда уравнение 1.{v/V_{T}}$$    

    Уравнение 1.3

     

    Это же уравнение можно записать в логарифмической форме как

    .

     

    $$v=V_{T}ln\frac{i}{I_{S}}$$    

    Уравнение 1.4

     

    Эта экспоненциальная зависимость является исключительной характеристикой диодов с переходом и используется во многих интересных приложениях.

    Теперь посмотрим на прямое смещение i v  в уравнении 1.{(В_{2}-В_{1})/В_{Т}}$$

     

    , который при упрощении дает

     

    $$V_{2}-V_{1}=V_{T}ln\frac{I_{2}}{I_{1}}$$

     

    Присмотревшись внимательно к рис. 1.2, мы видим, что ток довольно мал для v меньше 0,5 В, что мы считаем незначительным. Это значение напряжения называется напряжением включения. Это определенное прямое напряжение, при котором диод начинает значительно проводить ток. Этот порог в ВАХ является следствием экспоненциальной зависимости.

    Другим следствием этой взаимосвязи является быстрое увеличение текущих i . Кроме того, для диода, который считается «полностью проводящим», падение напряжения находится в довольно узком диапазоне, примерно от 0,6 до 0,8 В. Это обеспечивает простую модель диода, поскольку мы предполагаем, что проводящий диод имеет напряжение приблизительно 0,7 В на нем. Существует множество различных диодов, которые демонстрируют такое же падение напряжения 0,7 В, но при разных значениях тока. Например, если мы рассмотрим диод с малым сигналом, падение напряжения равно 0.7 В будет при i = 2 мА, в то время как диод большей мощности может иметь такое же падение 0,7 В при i = 2 А.

    Область обратного смещения

    Эта область начинает свою работу, когда напряжение диода, v, становится отрицательным. Самое первое уравнение, обсуждаемое в этой статье, уравнение 1.1, иллюстрирует, что если напряжение отрицательное и немного превышает  В Тл  (~ 25,3 мВ), то экспоненциальный член $$\frac{v}{V_ {T}}$$ тривиально по сравнению с целым.Таким образом, ток диода можно выразить как:

     

    $$i\simeq -I_{S}$$

     

    Это означает, что если ток имеет обратное направление, он считается постоянным и эквивалентным  I S . Поскольку этот ток постоянный, он получил название «ток насыщения».

    Однако в реальных диодах эти обратные токи проявляются, и хотя они могут быть относительно небольшими, они намного больше, чем I S .Например, если мы посмотрим на ток насыщения слабого сигнального диода, который, как говорят, составляет от 10 90 360 -14 90 361 до 10 90 360 -15 90 361 А, он может иметь обратный ток 1 нА. Этот ток будет частично увеличиваться с увеличением величины обратного напряжения. Из-за относительно небольшой величины обратного тока увидеть вольт-амперную характеристику на рисунке 1.2 не представляется возможным.

    Область пробоя

    Последняя область работы диода известна как область пробоя, которая показана на рисунке 1.2. В эту область входят только тогда, когда величина обратного напряжения превышает пороговое значение, относящееся к самому конкретному диоду, известное как напряжение пробоя. Это также известно как «колено» вольтамперной кривой на рис. 1.2, которое обозначено как V ZK , где Z обозначает стабилитрон, а K обозначает колено.

    Глядя на детальный рисунок, иллюстрирующий вольт-амперные характеристики, мы видим, что обратный ток резко возрастает в области пробоя, а падение напряжения довольно мало.Пробой диода обычно не является разрушительным, при условии, что мощность, рассеиваемая внутри диода, ограничивается внешней цепью на безопасном уровне. Этот уровень обычно указан на устройстве или в инструкции к устройству. Таким образом, необходимо ограничить обратный ток в этой области пробоя определенным значением, которое согласуется с допустимой рассеиваемой мощностью.

    Еще стоит отметить, что поскольку ВАХ в области пробоя очень близка к вертикальной линии, мы можем использовать ее в приложениях регулирования напряжения.Об этом мы поговорим в отдельной статье.

    Заключение

    В этой статье мы обсудили три различных участка переходного диода и их характеристики. Я надеюсь, что эта статья помогла вам лучше понять, что такое переходные диоды. Вы должны уметь различать каждый регион, а также объяснять, для чего они используются.

    В следующей статье мы более подробно рассмотрим прямое направление и модель с постоянным падением напряжения.Основываясь на предыдущих статьях этой серии, теперь мы сможем поговорить об анализе схем, в которых используются диоды с прямой проводимостью.

    Спасибо, что прочитали. Если у вас есть какие-либо вопросы или комментарии, пожалуйста, оставьте их ниже!

    Следующая статья в серии: Анализ прямопроводящих диодов

    Определение ВАХ с помощью осциллографа

    Контрольно-измерительное решение

    Осциллографы R&S ® RTC1000 имеют встроенный тестер компонентов.Он состоит из генератора сигналов, который подает синусоидальный сигнал частотой 50 Гц или 200 Гц с определенной амплитудой (макс. 9 В) и ограниченным током (макс. 10 мА) на ИУ. В этом режиме осциллографы используют аналого-цифровой преобразователь для оцифровки сигналов, на которые влияет компонент, и отображения их в виде сигнала зависимости тока от напряжения.

    Принцип действия

    Принцип действия можно легко проиллюстрировать на примере линейного пассивного компонента. На рис. 1 показана вольт-амперная характеристика 2.Резистор 1 кОм, подключенный к тестеру компонентов. Хорошо видно линейное поведение компонента. Ток растет линейно с ростом напряжения. Например, ток составляет примерно 2 мА при напряжении 4 В. По закону Ома значение сопротивления составляет примерно 2 кОм.

    Линейную зависимость между током и напряжением с реальным сопротивлением можно проверить с помощью второго резистора. На рис. 2 показана вольт-амперная характеристика другого компонента, подключенного к тестеру компонентов.Более крутой наклон характеристики означает, что при том же напряжении протекает больший ток, чем при использовании резистора 2,1 кОм. По закону Ома сопротивление второго компонента меньше. Ток при 0,9 В составляет примерно 8 мА. Результатом является значение сопротивления приблизительно 110 Ом. Тестер компонентов осциллографов R&S®RTC1000 также может отображать характеристики нелинейных пассивных компонентов, таких как конденсаторы. На рис. 3 показан конденсатор емкостью 0,1 мкФ, подключенный к тестеру и первоначально возбуждаемый сигналом частотой 50 Гц.Нелинейную характеристику легко распознать по эллиптической форме полученной кривой.

    Зависимость ВАХ от частоты можно проиллюстрировать, просто изменив частоту стимула на 200 Гц. Реактивное сопротивление конденсатора можно рассчитать по следующей формуле:

    Вольт-амперная характеристика SCL диода для различных начальных значений…

    Контекст 1

    … использовалось значение из 36 . Формула ͑ 49 ͒ приближается к ͑ 47 ͒ в пределе v 0 → 0.Следовательно, оно расширяет выражение Чайлда-Ленгмюра 13,14 до конечных скоростей инжекции. Эта формула, как нам стало известно, 37 была выведена ранее. Похоже, что Гилл 38 в своей статье 1925 г. уже знал об этой формуле и понимал феномен, лежащий в основе SCL, но не опубликовал полного анализа. Более обширный анализ был представлен позднее Клином и Роте39, Фэй, Сэмюэлем и Шокли29, Зальцбергом и Хаффом40 и Джаффом41, которые все были знакомы с ним. Однако эта формула не встречается в учебниках 36,42, поэтому она оставалась скрытой, по крайней мере, для части сообщества физиков плазмы и полупроводников.Это одна из причин, по которой мы пересмотрели эту проблему и независимо перевывели эту формулу. 43 Кроме того, другие авторы ͑ см. разд. III D ͒ предлагают различные формулы для тока SCL, пытаясь объяснить более высокие токи, полученные экспериментально или численно. Возвращаясь к ͑ 49 ͒ , истинному СХЛ-потоку, мы замечаем, что в n 0 нет сингулярности, пока v 0 0. исчезает. Вольт-амперная характеристика, ограниченная объемным зарядом, I SCL a J SCL ␦ 2 в зависимости от U показана на рис.6 для нескольких значений v 0 . Прямая линия, соответствующая v 0 ϭ 0, представляет собой закон Чайлда–Ленгмюра ͑ 47 ͒ . Как правило, при отношении X 50 2 U порядка единицы и выше возникают сильные отклонения. Это означает, что в этой области через диод могут проходить гораздо более высокие токи, чем предсказывает закон Чайлда-Ленгмюра. Только для X → 0, т. е. в двух пределах v 0 → 0 или U → ρ, ͑ 51 ͒ последнее представляет правильный ток СКЛ. Другой способ визуализировать вовлеченные различия состоит в том, чтобы выразить J через J, рассматривая …

    Кривые зависимости тока диода от напряжения, для ADALM1000 [Analog Devices Wiki]

    Цель:

    Целью этого мероприятия является исследование характеристик тока в зависимости от напряжения различных твердотельных диодов с PN-переходом, таких как обычный кремниевый диод, диод с барьером Шоттки, диод Зенера и светоизлучающий диод (СИД).

    Примечания:

    Как и во всех лабораториях ALM, мы используем следующую терминологию при описании подключений к разъему M1000 и настройке оборудования.Заштрихованные зеленым прямоугольники обозначают подключения к разъему аналогового ввода-вывода M1000. Выводы канала аналогового ввода/вывода обозначаются как CA и CB. При настройке на форсирование напряжения/измерения тока добавляется V , как в CA- V , или при настройке на форсировку тока/измерение напряжения добавляется -I, как в CA-I. Когда канал сконфигурирован в режиме высокого импеданса только для измерения напряжения, -H добавляется как CA-H.

    Следы осциллографа аналогичным образом обозначаются по каналу и напряжению/току.Например, CA- V , CB- V для сигналов напряжения и CA-I, CB-I для сигналов тока.

    Фон:

    Диод с PN-переходом — это устройство, которое обычно используется в схемах, таких как выпрямление, где ток может течь только в одном направлении. Когда диод изготовлен из кремния, прямое падение напряжения обычно составляет 0,7 В , а характеристика В D по сравнению с характеристикой I D , относящаяся к напряжению и току диода, может быть описана экспоненциальной зависимостью:

    где I S и n — масштабные коэффициенты, а kT/q (~ 25.4 мВ при комнатной температуре) есть так называемое тепловое напряжение В Т .

    Условные обозначения диодов:

    Каждый тип диода имеет определенный схематический символ, который является вариацией обычного символа диода, показанного слева на рисунке 1. Катод в форме буквы «Z» обозначает стабилитрон, как и второй символ на рисунке 1. «S» фасонный катод обозначает диод Шоттки, как в следующем символе. Стрелки, направленные от диода, обозначают светодиод, как показано на символе справа.Стрелки, указывающие на диод, представляют фотодетектор света.

    Рисунок 1. Схематические обозначения диодов.

    Основы стабилитрона

    :

    Зенеровский диод по конструкции и работе аналогичен обычному диоду. В отличие от обычного диода, предназначенного для предотвращения тока в обратном направлении, стабилитрон в основном используется в обратной области выше напряжения пробоя. Его характеристика I vs, V аналогична характеристике обычного диода.Регулируя легирование P- и N-сторон перехода, можно сконструировать стабилитрон, пробой которого происходит при напряжении от нескольких вольт до нескольких сотен вольт. См. рис. 2. В этой области пробоя или стабилитрона напряжение на диоде будет оставаться примерно постоянным в широком диапазоне токов. Максимальный потенциал обратного смещения, который можно приложить перед входом в область Зенера, называется пиковым обратным напряжением (PIV) или пиковым обратным напряжением (PRV).

    Рисунок 2. Характеристики прямого и обратного стабилитронов I/ V .

    При напряжениях выше начала пробоя увеличение приложенного напряжения вызовет больший ток, протекающий через диод, но напряжение на диоде останется почти на уровне В Z .Диод Зенера, работающий в режиме обратного пробоя, может обеспечивать опорное напряжение для таких систем, как регуляторы напряжения или компараторы напряжения.

    Основы диода Шоттки

    :

    В диоде с барьером Шоттки используется выпрямляющий переход металл-полупроводник, образованный путем нанесения покрытия, испарения или напыления одного из множества металлов на полупроводниковый материал n-типа или p-типа. Как правило, кремний n-типа и GaAs n-типа используются в коммерчески доступных диодах Шоттки. Свойства диода с барьером Шоттки со смещением в прямом направлении определяются явлением большинства носителей.Свойства обычного диода с PN-переходом определяются неосновными носителями. Диоды Шоттки представляют собой устройства с основными носителями, которые можно быстро переключать с прямого на обратное смещение без эффекта накопления неосновных носителей.

    Нормальная кривая зависимости тока от напряжения (I/ В ) для диода с барьером Шоттки похожа на кривую для диода с PN-переходом со следующими исключениями:

    1. Обратное напряжение пробоя диода с барьером Шоттки ниже, а обратный ток утечки выше, чем у диода с PN-переходом, изготовленного из полупроводникового материала с таким же удельным сопротивлением.
    2. Прямое напряжение при определенном прямом токе также ниже для диода с барьером Шоттки, чем для диода с PN-переходом. Например, при прямом токе смещения 2 мА низкобарьерный кремниевый диод Шоттки будет иметь прямое напряжение ~0,3 вольт, в то время как кремниевый диод с PN-переходом будет иметь напряжение ~0,7 вольт. Это более низкое прямое падение напряжения может сократить мощность, рассеиваемую в диоде, более чем наполовину. Эта экономия энергии может быть очень значительной, когда диоды должны нести большие прямые токи.Зависимость тока от напряжения (I/ В ) для диода с барьером Шоттки определяется следующим уравнением, известным как уравнение Ричардсона. Основное отличие от обычного уравнения диода заключается в I S с добавлением модифицированной константы Ричардсона A*.

    Где:
    A = площадь соединения
    A* = модифицированная постоянная Ричардсона (значение зависит от материала и легирующей примеси) = 110 A/(°K 2 -см 2 ) для Si n-типа
    T = абсолютная температура в ºK
    q = электронный заряд = 1.6 * 10 -19 C
    f B = высота барьера в вольтах k = постоянная Больцмана = 1,37 * 10 -23 Дж/ K
    n = коэффициент идеальности (коэффициент прямого наклона, определяемый границей металл-полупроводник)

    Основные сведения о светодиодах:

    Светодиод представляет собой переходной диод, который излучает свет при прямом смещении. На самом деле все диоды с PN-переходом излучают фотоны при прямом смещении, просто фотоны находятся в инфракрасном диапазоне, а физическая форма диода не позволяет фотонам покинуть корпус.Для достижения свойства излучения видимого света необходимо изготовить светодиод из материалов с большей шириной запрещенной зоны, отличных от кремния. В результате прямое падение напряжения на светодиоде превышает 0,7 В; обычно порядка 1,5-2 вольт в зависимости от длины волны излучаемого света. Светодиод также встроен в специальный прозрачный корпус, как показано на рисунке 3.

    Рисунок 3. Светодиоды.

    Светодиод представляет собой полупроводниковый прибор, который излучает электромагнитное излучение в оптических и инфракрасных частотах.Устройство представляет собой диод с PN-переходом, изготовленный из полупроводников p-типа и n-типа, обычно GaAs, GaP или SiC. Они излучают свет только тогда, когда внешнее приложенное напряжение используется для прямого смещения диода выше минимального порогового значения. Прироста потенциальной электрической энергии, обеспечиваемой этим напряжением, достаточно, чтобы заставить электроны течь из материала n-типа через барьер перехода и в область p-типа. Это пороговое напряжение для начала протекания тока через переход и образования света составляет В 0 .Испускание света происходит после попадания электронов в p-область (а дырок в n-область). Эти электроны составляют небольшое меньшинство, окруженное дырками (по сути, античастицами электронов), и они быстро найдут дырку для рекомбинации. Энергетически электрон релаксирует из возбужденного состояния (зона проводимости) в основное состояние (валентная зона). Диоды называются светоизлучающими, потому что энергия, отдаваемая электроном при его релаксации, излучается в виде фотона. Выше порогового значения ток и светоотдача экспоненциально увеличиваются с напряжением смещения на диоде.Кванты энергии или фотон имеют энергию E = hf. Соотношение между энергией фотона и напряжением включения В 0 :

    Где:
    E g – размер энергетической щели
    V 0 – пороговое напряжение
    f и λ – частота и длина волны испускаемых фотонов
    c – скорость света
    e – заряд электрона
    ч — постоянная Планка

    Лабораторные эксперименты:

    Вы будете делать I vs. В измерения на различных типах диодов в этой части лаб.

    Материалы:

    Аппаратный модуль ADALM1000
    Макетная плата без пайки
    1 — Резистор (47 Ом или любое аналогичное значение от 47 Ом до 1 кОм)
    1 — Обычный диод (1N4001 или аналогичный)
    1 — Диод Шоттки (1N5817 или аналогичный)
    1 — 6.2 вольт Стабилитрон (1N4735 или аналогичный)
    Различные — светодиодный диод (5 мм красный, желтый, зеленый, синий или белый и т. д.)

    Направления:

    Текущий против.Характеристики напряжения диода PN-перехода можно измерить с помощью модуля M1000 и следующих подключений, показанных на рис. 4. Зеленые прямоугольники показывают, куда подключать ALM1000. На макетной плате подключите выход генератора канала А к одному концу резистора. Другой конец резистора подключается к одному концу измеряемого диода, как показано на схеме. Вход канала В также подключен ко второму концу резистора. Другой конец диода подключен к земле.Обязательно обратите внимание на правильную полярность диода.

    Рисунок 4. Диаграмма подключения диода I по сравнению с кривыми В

    Настройка оборудования:

    Генератор канала А должен быть настроен на треугольную волну частотой 100 Гц с максимальным напряжением 3 вольта и минимальным напряжением 0 вольт. Текущая кривая канала А используется для измерения тока в резисторе (и диоде). Канал B осциллографа используется для измерения напряжения на диоде. Вертикальный диапазон должен быть настроен на канал А на 5 мА на деление, а канал В также на 0.2В на деление. Ток, протекающий через диод, I D , также является напряжением, измеренным на резисторе (в данном примере 100 Ом). Математическая кривая, представляющая собой разницу CA- V — CB- V , деленную на сопротивление, также является током. Используйте режим отображения XY для построения графика зависимости напряжения на диоде (канал B- V ) по оси X от тока в диоде (CA-I) по оси Y.

    Процедура:

    Загрузите захваченные данные для каждого типа диода в программу анализа данных, такую ​​как MATLAB или электронную таблицу (Excel), и рассчитайте ток диода I D .Постройте график зависимости тока от прямого напряжения смещения на диоде. Соотношение напряжения диода и тока должно быть логарифмическим. При построении в логарифмическом масштабе линия должна быть прямой.

    Анализ данных светодиодов:

    Как обсуждалось в разделе, посвященном светодиодам, отношение I/ V светодиодов разного цвета (, т.е. длина волны ) можно использовать для измерения постоянной Планка. В технических описаниях ваших светодиодов различных цветов должна быть указана длина волны излучаемого света.Используйте эти цифры в своих расчетах.

    Один из рассматриваемых методов начинается с нанесения данных I/ V для каждого цветного светодиода на полулогарифмический график. Ваши данные должны приближаться к прямой линии, что свидетельствует об экспоненциальном характере зависимости тока от напряжения. Рабочее определение порогового напряжения может быть значением напряжения смещения, когда ток достигает 0,01 мА . Экстраполируйте кривые I/ В туда, где они пересекают ток 0,01 мА, и используйте это как рабочее значение В 0 .

    Постройте таблицу со столбцами для V 0 , λ и f. Для каждого светодиода используйте измеренное значение В 0 и значение f, чтобы определить значение постоянной Планка и ввести его в качестве столбца в таблице. Найдите среднее значение постоянной Планка и ее неопределенность из ваших экспериментальных значений. Сравните со значением, указанным ранее.

    Вопросов:

    Каково математическое выражение для тока диода I D при заданном напряжении на диоде V D ?

    Как изменяются параметры диода в зависимости от типа диода, Шоттки, светодиода и т. д.?

    Измерение напряжения пробоя стабилитрона:

    Дополнительные материалы:

    2-1,5-вольтовые элементы последовательно (например, элементы AA)

    Направления:

    Чтобы измерить обратное напряжение пробоя вашего стабилитрона, нам нужно получить разность напряжений больше, чем напряжение пробоя диода 6,2 В 1N4735. Аппаратное обеспечение ADALM1000 может создавать (и измерять) напряжения только до 5 В максимум. Мы можем добавить внешний источник отрицательного напряжения, чтобы в сочетании с положительным внутренним напряжением получить общее напряжение, достаточно высокое для этого эксперимента.Самый простой способ — добавить фиксированное отрицательное напряжение от внешней батареи (3 В ), как показано на рисунке 5. Используя разное количество 1,5 элементов В , можно получить отрицательное напряжение -1,5, -3 и -4,5. . Общее обратное напряжение, приложенное к стабилитрону, будет равно отрицательному напряжению, вычтенному из положительного напряжения, генерируемого каналом AWG A.

    Рисунок 5. Диод Зенера I по сравнению с установкой В .

    Настройка оборудования:

    Генератор канала А должен быть настроен на треугольную волну частотой 100 Гц с максимальным напряжением 3 вольта и минимальным напряжением 0 вольт таким образом, чтобы он колебался от 0 вольт до +3 вольт.Этот размах, добавленный к смещению -3 В от внешней батареи, должен быть достаточно большим, чем напряжение пробоя вашего стабилитрона 1N5230 4,7 В. Перед измерением обязательно подключите внешний аккумулятор.

    Процедура:

    Загрузите захваченные данные для каждого типа диода в программу анализа данных, такую ​​как MATLAB или электронную таблицу (Excel), и рассчитайте ток диода I D . Не забудьте добавить смещение 3 вольта к измерениям для канала B, чтобы получить истинное напряжение на стабилитроне.Вероятно, вам следует измерить фактическое напряжение батареи для точного измерения напряжения пробоя.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.