Что такое прямой ток

Прямое и обратное напряжение

Когда диод открыт, на нем имеется прямое напряжение. Обратным напряжением считается величина во время закрытия диода и прохождения через него обратного тока. Сопротивление диода при прямом напряжении очень мало, в отличие от обратного напряжения, возрастающего до тысяч кОм.

Если диоды использовать в работе с переменным током, то при плюсовой полуволне синуса напряжения он будет открыт, а при минусовой – закрыт. Такое свойство диодов применяют для выпрямления напряжения. Поэтому такие устройства называются выпрямителями.

4.3. Вольт-амперная характеристика диода Слайд № 11

Зависимость U = f(I) называется вольт-амперной характеристикой диода.

Характеристика диода выражается графиком, на котором видна зависимость тока, напряжения и его полярности. Вертикальная ось координат в верхней части определяет прямой ток, в нижней части – обратный.

Горизонтальная ось справа обозначает прямое напряжение, слева – обратное. Прямая ветка графика выражает ток пропускания диода, проходит рядом с вертикальной осью, так как выражает повышение прямого тока.

Вторая ветка графика показывает ток при закрытом диоде, и проходит параллельно горизонтальной оси. Чем круче график, тем лучше диод выпрямляет ток. После возрастания прямого напряжения, медленно повышается ток. Достигнув области скачка, его величина резко нарастает.

На обратной ветви графика видно, что при повышении обратного напряжения, величина тока практически не возрастает. Но, при достижении границ допустимых норм происходит резкий скачок обратного тока. Вследствие этого диод перегреется и выйдет из строя.

4.4. Пробой р-n-перехода Слайд № 12

Пробоем p-n-перехода называется явление резкого увеличения обратного тока при достижении обратным напряжением определенного критического значения. Различают электрический и тепловой пробои p-n-перехода.

Электрический пробой

Электрический пробой возникает в результате воздействия сильного электрического поля в p-n-переходе. Такой пробой является обратимым, то есть он не приводит к повреждению перехода, и при снижении обратного напряжения свойства диода сохраняются. Благодаря этому электрический пробой используют в качестве рабочего режима в полупроводниковых диодах.

В свою очередь, электрический пробой разделяется на туннельный и лавинный пробои.

Туннельный пробой

Туннельный пробой происходит в результате явления туннельного эффекта, который проявляется в том, что при сильной напряженности электрического поля, действующего в p-n-переходе малой толщины, некоторые электроны проникают (просачиваются) через переход из области p—типа в область n—типа без изменения своей энергии. Р-n-переходы малой толщины возможны только при высокой концентрации примесей в молекуле полупроводника.

Лавинный пробой

Лавинный пробой заключается в том, что под действием сильного электрического поля неосновные носители зарядов под действием тепла в p-n-переходе ускоряются на столько, что способны выбить из атома один из его валентных электронов и перебросить его в зону проводимости, образовав при этом пару электрон – дырка. Образовавшиеся носители зарядов тоже начнут разгоняться и сталкиваться с другими атомами, образуя следующие пары электрон – дырка. Процесс приобретает лавинообразный характер, что приводит к резкому увеличению обратного тока при практически неизменном напряжении.

1.2. Прямой ток диода. Ток рекомбинации. Сопротивление базы диода

При прямом смещении вследствие снижения потенциального барьера через переход протекают токи диффузии. Поэтому концентрация свободных носителей в запирающем слое увеличивается и генерационно-рекомбинационный процесс сдвигается в сторону возрастания скорости рекомбинации. При этом прямой ток определяется выражением:

I_пр = I_диф + I_r, где I_r – ток рекомбинации. Зависимость этого тока от напряжения имеет вид

,

т.е. I_r растет медленнее I_диф с ростом U. Поэтому влияние тока I_r на ВАХ сказывается только при малых прямых смещениях. При больших смещениях U_пр  0,2В током I_r можно пренебречь.

Прямой ток, протекая через толщу полупроводника, создает дополнительное падение напряжения U = I_пр*R, где R- сопротивление p и n – объемов (см. рис. 4). Поэтому к переходу будет приложена не полная величина внешнего напряжения, а только часть его U_пер = U − I_{Д *} R, где I_Д – ток, протекающий через диод.

Поскольку при обратных смещениях величина I_Д мала, то падение напряжения на сопротивлении R тела полупроводника можно пренебречь. Прямые токи через переход велики, поэтому они создают заметное падение напряжения на сопротивлении R.

Обычно в диодах применяют полупроводники с различной степенью легирования. Поэтому диффузионный поток носителей или инжекция из более сильно легированной области будет преобладать над встречным диффузионным потоком носителей противоположного знака. Область p-n перехода, из которой происходит инжекция, называется эмиттером. Область, в которую инжектируются носители над базой. Поскольку концентрация свободных носителей в слаболегированной базовой области мала, то сопротивление R_пер будет, определятся сопротивлением тела базы R_пер  r_б.

Поэтому, при прямых смещениях выражение для ВАХ диода имеет вид

.

Падение напряжения на сопротивлении тела базы r_б и определяет более медленный рост тока при прямых смещениях.

1.3. Классификация полупроводниковых диодов

В основе практического применения диодов в радиотехнике и их классификации лежит ряд свойств переходов:

1. Выпрямительные диоды.
2. Высокочастотные диоды.
3. Импульсные диоды.

Используют свойства асимметрии вольт-амперной характеристики.

1. Стабилитроны.

Используют явления электрического пробоя в переходе.

1. Варикапы.

Используют зависимость емкости перехода от приложенного напряжения.

1. Туннельные и обращённые диоды.

Используют туннельный эффект и туннельный пробой в переходе.

1. Диоды Шоттки.

Используют свойства перехода металл – полупроводник. Диоды обозначают буквенно-цифровым кодом. Первый символ обозначает материал кристалла: 1 или Г – германий (Ge); 2 или К – кремний (Si); 3 или А – арсенид галлия (GaAs). Следующий символ обозначает под класс прибора:

Д – выпрямительные, импульсные диоды;

Ц – выпрямительные столбы и блоки; И – туннельные диоды; А – СВЧ диоды; С – стабилитроны; В – варикапы; Г – генераторы шума; Л – светоизлучающие диоды; О – оптопары; Н – диодный тиристор; У – триодный тиристор. Последующая группа символов характеризует специальные свойства приборов. Например:

Прямой ток

Е сли внешнее напряжение приложить плюсом к p-области, минусом к n-области, то оно будет противостоять контактной разности _к. Следовательно, к переходу приложена разность потенциалов _к-U_пр; внутри перехода электрическое поле уменьшается, диффузионный ток дырок из p-области и электронов из n-области преобладает над дрейфовым током, и результирующий ток не равен нулю. Из-за снижения потенциального барьера этот ток может достичь больших значений, т.к. обеспечивается движением основных носителей заряда.

Этот ток называется прямым током. Прохождение прямого тока сопровождается увеличением концентрации неосновных носителей в каждой области на границе с переходом и вблизи него. Этот процесс называется инжекцией неосновных носителей.

Инжекция происходит в обе области, но если, например, N_a>>N_д , то инжекцией электронов можно пренебречь.

Под действием прямого напряжения уменьшается толщина p-n-перехода

При этом уменьшается сопротивление перехода, т.е. оно является нелинейным (зависит от приложенного напряжения).

Обратный ток

Е сли внешнее напряжение приложить плюсом к n­-области, а минусом к p-области, то оно совпадает с направлением внутреннего поля, т.е. к переходу приложена суммарная разность потенциалов: _к+U_обр.

Электрическое поле в переходе увеличивается, дрейфовый ток становится больше тока диффузии. Результирующий ток называется обратным, он сопровождается движением через переход неосновных носителей: дырок из n-области, и электронов из p-области. Перенос неосновных носителей через переход называется экстракцией. Ток за счет экстракции невелик, т.к. создается неосновными носителями, которые находятся от границ перехода на расстоянии диффузионной длины. При увеличении обратного напряжения обратный ток сначала растет, а затем достигает уровня насыщения и практически перестает зависеть от напряжения.

Под действием обратного напряжения толщина перехода увеличивается

При этом возрастает его сопротивление.

Таким образом, р-n–переход обладает нелинейной проводимостью: в прямом направлении она гораздо больше, чем в обратном. Это свойство р-n–структуры находит широкое применение в полупроводниковой электронике.

1.3.3.Статическая вольт-амперная характеристика р-n перехода

1. Конструкция перехода плоскопараллельная, ось х перпендикулярна границе;
2. Пренебрегаем генерацией и рекомбинацией носителей заряда в самом переходе;
3. Пренебрегаем объемным омическим сопротивлением p- и n- областей, прилегающих к переходу.

Ток через переход найдем как сумму потоков дырок и электронов, проходящих через границы перехода. Плотность дырочного тока на границе перехода с n-областью (x_n=0):

Концентрация дырок на границе перехода и n-области и концентрация электронов на границе перехода и p-области соответственно равны

В установившемся режиме избыточная концентрация неосновных носителей убывает вдоль x по экспоненте:

В германии = 0,7. 2мм, в кремнии = 0,2. 0,6 мм.

Отсюда вольт–амперная характеристика

Таким образом, I₀ – это ток перехода при достаточно большом обратном напряжении.

Ток I₀ — это ток экстракции тех носителей заряда, которые образуются в пределах диффузионной длины от границ с переходом за счет термогенерации. Его называют тепловым током I_т .

Если переход несимметричен (у нас из-за N_а >>N_д , p_n >>n_p),

Прямая ветвь В.А.Х. идет очень круто вблизи оси тока. При небольших значениях U_пр (десятки мВ) прямой ток через переход резко возрастает.

Особенности ВАХ реальных р-n-переходов

Р еальная ВАХ(2) отличается от идеализированной (1): Прямая ветвь — из-за падения напряжения на омических сопротивлениях базы и эмиттера (r_б>>r_э). Обратная ветвь: в идеализированном p-n-переходе при U_обр>>_m обратный ток не зависит от напряжения. Это тепловой ток I_обр = I_т . В реальных переходах I_обр заметно зависит от U_обр, и в кремниевых переходах I_обр в 100. 1000 раз больше теплового тока. Это объясняется термогенерацией носителей заряда в самом переходе (I_r) и существованием токов утечки (I_ут). Эти токи с увеличением U_обр растут.

Эквивалентная схема

В реальных диодах при больших обратных напряжениях может происходить пробой.

Пробой p-n перехода — это значительное возрастание обратного тока при увеличении приложенного U_обр . Три вида пробоя:

• т уннельный электрический
• лавинный
• тепловой

Туннельный пробой

В основе туннельного пробоя — туннельный эффект, “просачивание” основных носителей – электронов сквозь потенциальный барьер, высота которого больше, чем энергия носителей. Туннельный переход из валентной зоны р-полупроводника в зону проводимости n-полупроводника возникает в узких p-n переходах при Е=10 МВ/см.

Рис.. Энергетическая диаграмма, поясняющая возникновение свободных носителей заряда при туннельном переходе.

сли p и n области сильно легированы, то ширина ОПЗ становится малой и за счет туннельного эффекта появляется конечная вероятность для электронов из валентной зоны проникнуть в зону проводимости, преодолев барьер, который возникает в сильном электрическом поле. Для туннельного эффекта характерно то, что электроны после преодоления энергии не изменяют своей энергии, следовательно для того, чтобы этот эффект имел место электрическое поле должно быть настолько с ильным, чтобы обеспечить такой наклон зон при котором заполненные электронами уровни валентной зоны оказались напротив незаполненных энергетических уровней разрешенной зоны рис.. Поскольку туннельный механизм перехода носителей имеет место только при малой ширине ОПЗ, то для этого типа пробоя характерны невысокие пробивные напряжения. К отличительным особенностям туннельного пробоя следует так же отнести сравнительно слабую зависимость от температуры напряжения пробоя.

Лавинный пробой

Лавинный пробой — вызывается ударной ионизацией, которая происходит, когда напряженность поля велика и неосновные носители, двигаясь через p-n переход, ускоряются настолько, что при соударении с атомами в зоне перехода ионизируют их: появляется пара электрон-дырка. Вновь возникшие носители заряда ускоряются полем Е и вызывают ионизацию следующего атома. Если процесс идет лавинно, возрастает обратный ток, который ограничивается только сопротивлением внешней цепи. Лавинный пробой возникает в высокоомных полупроводниках с большой шириной p-n перехода.

Лавинный пробой характеризуют коэффициентом лавинного умножения, для которого справедливо следующее соотношение:

где J — обратный ток до умножения (равный сумме тока насыщения и генерационного), n — коэффициент, который зависит от материала и профиля легирования pn перехода, этот коэффициент может иметь значения от 2 до 6

Напряжение лавинного пробоя зависит от степени легирования p и n областей.

Тепловой пробой

Т епловой пробой возникает из-за разогрева перехода, когда теплота, выделяемая в переходе, не отводится

При увеличении обратного напряжения увеличивается и мощность рассеиваемая в переходе в виде тепла, поэтому для pn переходов со сравнительно высокими обратными токами возможен разогрев pn перехода, происходит интенсивная генерация электронно-дырочных пар и увеличение I_обр.,что в свою очередь приведет к увеличению обратного тока. Возрастание обратного тока приведет к дополнительному выделению тепла и соответственно дополнительному разогреву, что явится причиной дальнейшего увеличения обратного тока. Таким образом в pn переходе возникает положительная обратная связь, которая приводит к возникновению тепловой неустойчивости — тепловому пробою.

Как видно из рис при тепловом пробое на обратной характеристике pn перехода возникает участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. На этом участке имеет место возрастание тока при уменьшении напряжения (неустойчивость тока). Если не принять специальных мер для ограничения тока, то диод выходит из строя. Предпосылкой для возникновения теплового пробоя служат большие значения обратного тока, поэтому этот тип пробоя легче возникает в приборах, изготовленных на основе материалов с небольшой шириной запрещенной зоны. В диодах на основе Si и GaAs он может иметь место при высоких температурах, когда значения обратных токов становятся большими.

У вас большие запросы!

Точнее, от вашего браузера их поступает слишком много, и сервер VK забил тревогу.

Эта страница была загружена по HTTP, вместо безопасного HTTPS, а значит телепортации обратно не будет.
Обратитесь в поддержку сервиса.

Вы отключили сохранение Cookies, а они нужны, чтобы решить проблему.

Почему-то страница не получила всех данных, а без них она не работает.
Обратитесь в поддержку сервиса.

Вы вернётесь на предыдущую страницу через 5 секунд.
Вернуться назад