Призначення вольт-амперної характеристики (ВАХ) діода

Широке застосування в галузі електроніки отримали напівпровідникові елементи, одним з яких є діод. Вони використовуються практично у всіх пристроях, але частіше – в різних блоках харчування і для забезпечення електробезпеки. Кожен з них має своє конкретне призначення і технічні характеристики. Для виявлення різного роду несправностей і отримання технічних відомостей потрібно знати ВАХ діода.

Загальні відомості

Діод (Д) – напівпровідниковий елемент, Службовець для пропускання струму через p-n-перехід тільки в одному напрямку. За допомогою Д можна випрямляти змінну U, отримуючи з нього постійне пульсуюче. Для згладжування пульсацій застосовують фільтри конденсаторного або індуктивного типу, а іноді їх і комбінують.

Д складається тільки з p-n-переходу з висновками, які називаються анодом (+) і катодом (-). Струм, при проходженні через провідник, надає на нього теплове дію. При нагріванні катод випускає негативно заряджені частинки – електрони (Е). Анод притягує електрони, так як має позитивним зарядом. В процесі утворюється емісійне поле, при якому виникає струм (емісійний). Між (+) і (-) відбувається генерація просторового негативного заряду, що заважає вільному руху Е. Е, які досягли анода, утворюють анодний струм, а які не досягли – катодний. Якщо анодний і катодний струми рівні нулю, Д знаходиться в закритому стані.

пристрій напівпровідника

Д складається з корпусу, що виготовляється з міцного діелектричного матеріалу. У корпусі знаходиться вакуумний простір з 2 електродами (анод і катод). Електроди, що представляють метал з активним шаром, мають непрямим напруженням. Активний шар при нагріванні випромінює електрони. Катод влаштований таким чином, що всередині його знаходиться дріт, яка розжарюється і випускає електрони, а анод служить для їх прийому.

У деяких джерелах анод і катод називають кристалом, який виготовляється з кремнію (Si) або германію (Ge). Одна з його складових частин має штучний брак електронів, а інша – надлишок (рис. 1). Між цими кристалами існує межа, яка називається p-n-переходом.

Малюнок 1 – Схематичне зображення напівпровідника p-n-типу.

Сфера застосування

Д широко застосовується в якості випрямляча змінного U в побудові блоків живлення (БП), діодних мостів, а також у вигляді одиночного елемента конкретної схеми. Д здатний захистити ланцюг від недотримання полярності підключення джерела живлення. У ланцюзі може статися пробій будь-якої напівпровідникової деталі (наприклад, транзистора) і спричинити за собою процес виходу з ладу ланцюжка радіоелементів. При цьому застосовується ланцюжок з декількох Д, підключених в зворотному напрямку. На основі напівпровідників створюються перемикачі для комутації високочастотних сигналів.

Д застосовуються у вугільній та металургійній промисловостях, особливо при створенні іскробезпечних кіл комутації у вигляді діодних бар'єрів, що обмежують U в необхідної електричного кола. Діодні бар'єри застосовуються разом з обмежувачами струму (резисторами) для зменшення значень I і підвищення ступеня захисту, а отже, електробезпеки та пожежної безпеки підприємства.

Вольт-амперна характеристика

ВАХ – це характеристика напівпровідникового елемента, що показує залежність I, що проходить через p-n-перехід, від величини і полярності U (рис. 1).

Малюнок 1 – Приклад вольт-амперної характеристики напівпровідникового діода.

ВАХ відрізняються між собою і це залежить від типу напівпровідникового приладу. Графіком ВАХ є крива, по вертикалі якої відзначені значення прямого I (вгорі). Внизу відзначені значення I при зворотному підключенні.По горизонталі вказані показання U при прямому і зворотному включенні. Схема складається з 2 частин:

1. Верхня і права – Д функціонує в прямому підключенні. Показує пропускної I і лінія йде вгору, що свідчить про зростання прямого U (U пр).
2. Нижня частина зліва – Д знаходиться в закритому стані. Лінія йде практично паралельно осі і свідчить про повільне наростання Iобр (зворотного потоку).

З графіка можна зробити висновок: чим крутіше вертикальна частина графіка (1 частина), тим ближче нижня лінія до горизонтальної осі. Це свідчить про високі випрямних властивості напівпровідникового приладу. Необхідно враховувати, що ВАХ залежить від температури навколишнього середовища, при зниженні температури відбувається різке зниження Iобр. Якщо температура підвищується, то підвищується і Iобр.

побудова графіка

Побудувати ВАХ для конкретного типу напівпровідникового приладу нескладно. Для цього необхідні блок живлення, мультиметр (вольтметр і амперметр) і діод (можна побудувати для будь-якого напівпровідникового приладу). Алгоритм побудови ВАХ наступний:

1. Підключити БП до діода.
2. Провести вимірювання U і I.
3. Внести дані в таблицю.
4. На підставі табличних даних побудувати графік залежності I від U (рис. 2).

Малюнок 2 – Приклад нелінійної ВАХ діода.

ВАХ буде різна для кожного напівпровідника. Наприклад, одним з найпоширеніших напівпровідників є діод Шотткі, названий німецьким фізиком В. Шотткі (рисунок 3).

Малюнок 3 – ВАХ Шотткі.

Виходячи з графіка, що носить асиметричний характер, видно, що для цього типу діода характерно мале падіння U при прямому підключенні. Присутній експоненціальне збільшення I і U. Струм в бар'єрі обумовлений негативно зарядженими частинками при зворотному і прямому зсувах. Шотткі мають високу швидкодію, так як дифузні і рекомбінаційні процеси відсутні. I залежить від U завдяки зміні кількості носіїв, які беруть участь в процесах переносу заряду.

Кремнієвий напівпровідник широко застосовується практично у всіх електричних схемах пристроїв. На малюнку 4 зображено його ВАХ.

Малюнок 4 – ВАХ кремнієвого Д.

На малюнку 4 ВАХ починається з 0,6-0,8 В. Крім кремнієвих Д існують ще германієві, які при нормальній температурі будуть нормально працювати. Кремнієвий має менший Іпр і Iобр, тому теплової незворотний пробою у германієвого Д настає швидше (при подачі високого Uобр), ніж у його конкурента.

Випрямний Д застосовується для перетворення змінного U в постійне і на рисунку 5 наведена його ВАХ.

Малюнок 5 – ВАХ випрямного Д.

На малюнку зображена теоретична (пунктирна крива) і практична (експериментальна) ВАХ. Вони не збігаються з-за того, що в теорії не враховувалися деякі аспекти:

1. Наявність R (опору) емітерний області кристала, висновків і контактів.
2. Струми витоку.
3. Процеси генерації і рекомбінації.
4. Пробої різних типів.

Крім того, температура навколишнього середовища значно впливає на вимірювання, і ВАХ не збігаються, так як теоретичні значення отримують при температурі +20 градусів. Існують і інші важливі характеристики напівпровідників, які можна зрозуміти з маркування на корпусі.

Існують і додаткові характеристики. Вони потрібні для застосування Д в певною схемою з U і I. Якщо використовувати малопотужний Д в пристроях з U, що перевищує максимально допустимий Uобр, то відбудеться пробій і вихід з ладу елемента, а також це може спричинити за собою ланцюжок виходу інших деталей з ладу.

Додаткові характеристики: максимальні значення Iобр і Uобр; прямі значення I і U; ток перевантаження; максимальна температура; робоча температура і так далі.

ВАХ допомагає визначити такі складні несправності Д: пробій переходу і розгерметизація корпусу.Складні несправності можуть призвести до виходу з ладу дорогих деталей, отже, перед монтажем Д на плату необхідно його перевірити.

можливі несправності

Згідно зі статистикою, Д або інші напівпровідникові елементи виходять з ладу частіше, ніж інші елементи схеми. Несправний елемент можна обчислити і замінити, але іноді це призводить до втрати функціональності. Наприклад, при пробої p-n-переходу, Д перетворюється в звичайний резистор, а така трансформація може призвести до сумних наслідків, починаючи від виходу з ладу інших елементів і закінчуючи пожежею або поразкою електричним струмом. До основних несправностей відносяться:

1. Пробій. Діод втрачає здатність пропускати струм в одному напрямку і стає звичайним резистором.
2. Конструктивне пошкодження.
3. Витік.

При пробої Д не пропускає струм в одному напрямку. Причин може бути декілька і виникають вони при різких ростах I і U, які є неприпустимими значеннями для певного Д. Основні види пробоїв p-n-переходу:

При тепловому на фізичному рівні відбувається значне зростання коливання атомів, деформація кристалічної решітки, перегрів переходу і потрапляння електронів в проведену зону. Процес незворотній і призводить до пошкодження радіодеталі.

Електричні пробої носять тимчасовий характер (кристал не деформується) і при поверненні до нормального режиму роботи його функції напівпровідника повертаються. Конструктивним пошкодженням є фізичні ушкодження ніжок і корпусу. Витік струму виникає при розгерметизації корпусу.

Для перевірки Д досить випаять одну ніжку і продзвонити його мультиметром або омметром на налічіяе пробою переходу (повинен звониться тільки в одному напрямку). В результаті з'явиться значення R p-n-переходу в одному напрямку, а в іншому прилад покаже нескінченність. Якщо звониться в 2 напрямки, то радіодеталей несправна.

Якщо відпала ніжка, то її потрібно припаяти. При пошкодженні корпусу – деталь необхідно замінити на справну.

При розгерметизації корпусу знадобиться побудова графіка ВАХ і порівняння його з теоретичним значенням, узятим з довідкової літератури.

Таким чином, ВАХ дозволяє не тільки отримати довідкові дані про діод або будь-якому напівпровідниковому елементі, а й виявити складні несправності, які неможливо визначити при перевірці приладом.