P-n-переход и диод

Пробой — диод

Обрыв и пробой диода легко определяются с помощью омметра, причем прямое сопротивление исправного диода должно составлять десятки ом, а обратное — сотни килоом.
 

Обрывы или пробои диодов выпрямителя проверяют лампочкой мощностью 1 Вт. Источником тока является аккумуляторная батарея.
 

Во избежание пробоя диодов при проверке конденсатора необходимо, кроме размыкания перемычки П, отпаять провод, соединяющий вывод конденсатора с диодами моста.
 

В случае пробоя диода Дв при включении прибора в сеть предохранитель сгорает.
 

Ею зачастую обусловливаются пробои диодов и триодов, а также утечки.
 

Поэтому для исключения пробоя диодов желательно предварительно подобрать диоды по величине обратного тока при наибольшей амплитуде обратного напряжения.
 

Это явление называют пробоем диода. Заметим, что пробой сопровождается выходом диода из строя лишь в том случае, когда возникает чрезмерный разогрев перехода и происходят необратимые изменения его структуры. Если же мощность, выделяющаяся в диоде, поддерживается на допустимом уровне, он сохраняет работоспособность и после пробоя. Более того, для некоторых типов диодов пробой является основным рабочим режимом.
 

Анализ показал, что пробой диодов происходит в результате их малого быстродействия. Как видно из рис. 7, после окончания искрового разряда в свече зажигания ( / з на рис. 7) ток через диод V15 не прекращается и продолжает протекать еще некоторое время. Это время зависит от параметров катушки зажигания и параметров самого диода и может составлять 3 — 4 мс.
 

Влияние электрического поля на пробой диода заключается в том, что, воздействуя на атомы кристаллической решетки, оно повышает энергию валентных электронов и облегчает их переброс в зону проводимости.
 

Наиболее частой причиной является пробой диодов выпрямителя. В этом случае кривая Uf ( Ii) имеет тот же характер, что и у исправного реле, но идет значительно ниже. Для определения поврежденного диода распаивается схема и омметром определяется прямое и обратное сопротивление каждого диода, с учетом его полярности. Прямое сопротивление исправного диода — порядка нескольких ом, обратное — порядка сотен тысяч ом.
 

Наиболее часто встречающейся неисправностью является пробой диодов выпрямителя. В этом случае кривая L / f ( / i) располагается значительно ниже, чем при исправных диодах.
 

Основные неисправности диодов

Если это не так, неисправность вызвала другая причина:

• нарушение герметичности;
• разрыв перехода, превративший прибор в изолятор:
• тепловой пробой;
• электрический пробой:
• туннельный;
• лавинный.

При нарушении герметичности возникает протечка, мешающая нормальному функционированию.

Пробой p-n перехода

Пробоем называют увеличение электротока в противоположном направлении после достижении во время работы показателя обратного напряжения, являющегося максимально допустимым для прибора. Если он превышается, противоположный поток электротока резко увеличивается при незначительном изменении вольтажа. После обрыва перехода направление потока всего одно, полупроводник превращается в проводник.

Определить эту неисправность можно при помощи мультиметра, определяющего сопротивление и подающего сигнал при прохождении электротока.

Электрический пробой

Электрический туннельный или лавинный пробой можно устранить, если вовремя принять необходимые меры.

Причина электрического пробоя – сильный электроток в переходе или перегрев при отсутствии отвода тепла.

Туннельный пробой образуется, если во время работы на диод подается слишком высокое напряжение. Растет значение противоположного электротока, вольтаж снижается, электроны проходят через барьер, если его высота меньше их энергии.

Эту неисправность может вызвать:

• слишком маленькая толщина области p-n (меньше длины пробега электрона);
• обратный ток насыщения более 108 В/м;
• наличие свободных мест в области дырок, в которую переходят электроны.

Лавинный пробой – увеличение во время работы противоположного электротока при небольшом увеличении вольтажа. Причина образования – повышение ионизации в p-n области, вызывающее увеличение количества частиц, носящих заряд. Электроны теряют свои обычные характеристики.

Тепловой пробой

Эту неисправность чаще всего вызывает недостаточный отвод тепла, способствующего перегреву перехода во время работы.

В результате:

• в кристалле растет амплитуда колебаний атомов;
• электроны взаимодействуют с проводимой областью;
• быстро повышается температура;
• запускается процесс изменения структуры кристалла.

Полупроводник разрушается, причем процесс необратимый.

Обратное включение диода

Если плюс блока питания присоединяется к минусу полупроводника, а минус – к плюсу, работа диода прекращается (он закрывается). Заряженные частицы начинают отдаляться от области p-n, она расширяется, повышается сопротивление

При увеличении обратного напряжения до 100 В растет электроток в противоположном направлении. Рост резко увеличивается, если вольтаж превышает максимально допустимый для границы p-n. Обратный ток нагревает кристалл в диоде, переход пробивается, нормальная работа прибора прекращается. После выключения напряжения рядом с полюсами образуется диффузия.

Физика8 класс

§ 42. Зависимость силы тока от напряжения

Различные действия тока, такие как нагревание проводника, магнитные и химические действия, зависят от силы тока. Изменяя силу тока в цепи, можно регулировать эти действия. Но чтобы управлять током в цепи, надо знать, от чего зависит сила тока в ней.

Мы знаем, что электрический ток в цепи — это упорядоченное движение заряженных частиц в электрическом поле. Чем сильнее действие электрического поля на эти частицы, тем, очевидно, и больше сила тока в цепи.

Но действие поля характеризуется физической величиной — напряжением (§ 39). Поэтому можно предположить, что сила тока зависит от напряжения. Установим эту зависимость на опыте.

На рисунке 68, а изображена электрическая цепь, состоящая из источника тока, амперметра, спирали из никелиновой проволоки (проводника), ключа и параллельно присоединённого к спирали вольтметра. На рисунке 68, б показана схема этой цепи (прямоугольником условно обозначен проводник).

Рис. 68. Установка для определения зависимости силы тока от напряжения

Замыкают цепь и отмечают показания приборов. Затем присоединяют к первому источнику второй такой же источник питания и снова замыкают цепь. Напряжение на спирали при этом увеличится вдвое, и амперметр покажет вдвое большую силу тока. При трёх источниках напряжение на спирали увеличивается втрое, во столько же раз увеличивается сила тока.

Таким образом, опыт показывает, что во сколько раз увеличивается напряжение, приложенное к одному и тому же проводнику, во столько же раз увеличивается сила тока в нём. Другими словами, сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на концах проводника.

На рисунке 69 показан график зависимости силы тока в проводнике от напряжения между концами этого проводника.

Рис. 69. График зависимости силы тока в проводнике от напряжения

На графике в условно выбранном масштабе по горизонтальной оси отложено напряжение в вольтах, а по вертикальной — сила тока в амперах.

Вопросы

1. Как на опыте показать зависимость силы тока от напряжения?
2. Как зависит сила тока в проводнике от напряжения на концах проводника?
3. Какой вид имеет график зависимости силы тока от напряжения? Какую зависимость между величинами он отражает?

Упражнение 27

1. При напряжении на концах участка цепи, равном 2 В, сила тока в проводнике 0,4 А. Каким должно быть напряжение, чтобы в том же проводнике сила тока была 0,8 А?
2. При напряжении на концах проводника 2 В сила тока в проводнике 0,5 А. Какой будет сила тока в проводнике, если напряжение на его концах увеличится до 4 В; если напряжение на его концах уменьшится до 1 В?

Работа диода и его вольт-амперная характеристика

Под вольт-амперной характеристикой данных приборов понимается кривая линия, которая показывает то, в какой зависимости находится электрический ток, протекающий через p-n-переход, от объемов и полярности напряжения, воздействующего на него.

Подобный график можно описать следующим образом:

1. Ось, расположенная по вертикали: верхняя область соответствует значениям прямого тока, нижняя область параметрам обратного тока.
2. Ось, расположенная по горизонтали: область, находящаяся справа, предназначена для значений прямого напряжения; область слева для параметров обратного напряжения.
3. Прямая ветвь вольт-амперной характеристики отражает пропускной электрический ток через диод. Она направлена вверх и проходит в непосредственной близости от вертикальной оси, поскольку отображает увеличение прямого электрического тока, которое происходит при увеличении соответствующего напряжения.
4. Вторая (обратная) ветвь соответствует и отображает состояние закрытого электрического тока, который также проходит через прибор. Положение у нее такое, что она проходит фактически параллельно относительно горизонтальной оси. Чем круче эта ветвь подходит к вертикали, тем выше выпрямительные возможности конкретного диода.
5. По графику можно наблюдать, что после роста прямого напряжения, протекающего через p-n-переход, происходит медленное увеличение показателей электрического тока. Однако постепенно, кривая достигает области, в которой заметен скачок, после которого происходит ускоренное нарастание его показателей. Это объясняется открытием диода и проведением тока при прямом напряжении. Для приборов, изготовленных из германия, это происходит при напряжении равном от 0,1В до 0,2В (максимальное значение 1В), а для кремниевых элементов требуется более высокий показатель от 0,5В до 0,6В (максимальное значение 1,5В).
6. Показанное увеличение показателей тока может привести к перегреву полупроводниковых молекул. Если отведение тепла, происходящее благодаря естественным процессам и работе радиаторов, будет меньше уровня его выделения, то структура молекул может быть разрушена, и этот процесс будет иметь уже необратимый характер. По этой причине, необходимо ограничивать параметры прямого тока, чтобы не допустить перегрева полупроводникового материала. Для этого, в схему добавляются специальные резисторы, имеющие последовательное подключение с диодами.
7. Исследуя обратную ветвь можно заметить, что если начинает увеличиваться обратное напряжение, которое приложено к p-n-переходу, то фактически незаметен рост параметров тока. Однако в случаях, когда напряжение достигает параметров, превосходящих допустимые нормы, может произойти внезапный скачок показателей обратного тока, что перегреет полупроводник и будет способствовать последующему пробою p-n-перехода.

Обозначение и расшифровка диодов

Обозначение выпрямительного диода на схеме согласно “ГОСТ 2.730-73 ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Приборы полупроводниковые”.
В приложении данного ГОСТа указаны размеры в модульной сетке. Выглядит это следующим образом:

Существуют различные варианты обозначения диодов.

Согласно ОСТ 11366.919-81 следующее буквенно-цифровое обозначение:

• 1) первая буква или цифра указывает на материал:
  • 1 (Г) — германий Ge
  • 2 (К) — кремний Si
  • 3 (А) — галлий Ga
  • 4 (И) — индий In
• 2) Вторая буква — это подкласс полупроводникового прибора. Для нашего случая — это буква Д.
• 3) Третья цифра — функционал элемента в зависимости от класса (диоды, варикапы, стабилитроны и др.).

Например, для выпрямительных диодов (Д):

101…199 — диоды малой мощности с постоянным или средним значением прямого тока менее 0,3А.

201…299 — диоды средней мощности с постоянным или средним значением прямого тока от 0,3 до 10А.

Также существуют диоды большой мощности с током более 10А. Отвод тепла у диодов малой мощности осуществляется через корпус, у диодов средней и большой мощности через теплоотводящие радиаторы.

До 1982 года была другая классификация:

• первая Д — характеризовала весь класс диодов
• далее шел цифровой код:
  • от 1 до 100 — для точечных германиевых диодов
  • от 101 до 200 — для точечных кремниевых диодов
  • от 201 до 300 — для плоскостных кремниевых диодов
  • от 301 до 400 — для плоскостных германиевых диодов
  • от 401 до 500 — для смесительных СВЧ детекторов
  • от 501 до 600 — для умножительных диодов
  • от 601 до 700 — для видеодетекторов
  • от 701 до 749 — для параметрических германиевых диодов
  • от 750 до 800 — для параметрических кремниевых диодов
  • от 801 до 900 — для стабилитронов
  • от 901 до 950 — для варикапов
  • от 951 до 1000 — для туннельных диодов
  • от 1001 до 1100 — для выпрямительных столбов
• третья цифра — разновидность групп однотипных приборов

Система JEDEC (США)

• первая цифра — число p-n переходов (1 — диод; 2 — транзистор; 3 — тиристор)
• далее N (типа номер) и серийный номер
• после может идти пару цифр про номиналы и отдельные характеристики диода

Система Pro Electron (Европа)

По данной системе приборы делятся на промышленные и бытовые. Бытовые кодируются двумя буквами и тремя цифрами от 100 до 999. У промышленных приборов будет идти три буквы и две цифры от 10 до 99. Для диодов:

• 1) первая буква:
  • A — германий Ge
  • B — кремний Si
  • C — галлий Ga
  • R — другие полупроводники
• 2) Вторая буква — это буква A, указывающая на маломощные импульсные и универсальные диоды.
• 3) Третья буква отвечает за принадлежность элемента к сфере специального применения (промышленность, военная). “Z”, “Y”, “X” или “W”.
• 4) Четвертая — это 2х, 3х или 4х-значный серийный номер прибора.
• 5) Дополнительный код — в нем для выпрямительных диодов указывается максимальная амплитуда обратного напряжения.

Система JIS (Япония)

Применяется в странах Азии и тихоокеанского региона.

• первая цифра — число переходов (0 — фототранзистор, фотодиод; 1 — диод; 2 — транзистор; 3 — тиристор)
• затем буква S (semiconductors) — полупроводниковые
• затем буква, отвечающая за тип прибора:
  • A — ВЧ транзисторы p-n-p
  • B — НЧ транзисторы p-n-p
  • С — ВЧ транзисторы n-p-n
  • D — НЧ транзисторы n-p-n
  • E — диоды
  • F — тиристоры
  • G — диоды Ганна
  • H — однопереходные транзисторы
  • J — полевые транзисторы с p-каналом
  • K — полевые транзисторы с n-каналом
  • M — симметричные тиристоры
  • Q — светоизлучающие диоды
  • R — выпрямительные диоды
  • S — малосигнальные диоды
  • T — лавинные диоды
  • V — варикапы, p-i-n диоды, диоды с накоплением заряда
  • Z — стабилитроны, стабисторы, ограничители

В нашем случае будет буква R.

Рег. номер прибора
Модификация прибора
Далее может идти индекс, описывающий специальные свойства

Существуют и специальные обозначения от фирм-изготовителей, которые отличаются от приведенных выше.