Jaké je dopředné a zpětné napětí diody?

Dioda je jedním z druhů zařízení navržených na polovodičovém základě. Má jeden pn přechod, stejně jako anodový a katodový výstup. Ve většině případů je určen pro modulaci, usměrnění, konverzi a další akce s příchozími elektrickými signály.

Pracovní princip:

1. Elektrický proud působí na katodu, ohřívač začne svítit a elektroda začne emitovat elektrony.
2. Mezi dvěma elektrodami vzniká elektrické pole.
3. Pokud je anoda kladná, pak k sobě začne přitahovat elektrony a výsledné pole je katalyzátorem tohoto procesu. V tomto případě vzniká emisní proud.
4. Mezi elektrodami dochází ke vzniku prostorového záporného náboje, který může interferovat s pohybem elektronů. To se stane, pokud je anodový potenciál příliš slabý. V tomto případě části elektronů nedokážou překonat účinek záporného náboje a začnou se pohybovat opačným směrem a opět se vracejí ke katodě.
5. Všechny elektrony, které dosáhly anody a nevrátily se na katodu, určete parametry katodového proudu. Proto tento indikátor přímo závisí na kladném anodovém potenciálu.
6. Tok všech elektronů, který by se mohl dostat k anodě, se nazývá anodový proud, jehož indikátory v diodě vždy odpovídají parametrům katodového proudu. Někdy mohou být oba indikátory nulové, k tomu dochází v situacích, kdy má anoda záporný náboj. Pole, které vzniklo mezi elektrodami, v tomto případě částice neurychluje, ale naopak zpomaluje a vrací zpět ke katodě. Dioda v tomto případě zůstává v uzamčeném stavu, což vede k přerušení obvodu.

Zařízení

Následuje podrobný popis diodového zařízení, studium těchto informací je nezbytné pro další pochopení principů fungování těchto prvků:

1. Корпус je vakuová láhev, která může být vyrobena ze skla, kovu nebo odolného keramického materiálu.
2. Uvnitř balónu jsou tam 2 elektrody. První je vyhřívaná katoda, která má zajistit proces emise elektronů. Konstrukčně nejjednodušší katodou je vlákno s malým průměrem, které se během provozu zahřívá, ale dnes jsou běžnější nepřímo žhavené elektrody. Jsou to válce vyrobené z kovu a mají speciální aktivní vrstvu schopnou emitovat elektrony.
3. Uvnitř katodynepřímé teplo existuje specifický prvek – drát, který svítí pod vlivem elektrického proudu, nazývá se ohřívač.
4. Druhá elektroda je anoda, je potřeba pro příjem elektronů, které byly uvolněny katodou. K tomu musí mít kladný potenciál vzhledem k druhé elektrodě. Ve většině případů má anoda také válcový tvar.
5. Obě elektrody vakuová zařízení jsou zcela identická s emitorem a bází polovodičových různých prvků.
6. Pro výrobu diodového krystalu nejčastěji se používá křemík nebo germanium. Jedna z jeho částí je elektricky vodivá typu p a má nedostatek elektronů, který je tvořen umělou metodou. Opačná strana krystalu má také vodivost, ale je typu n a má přebytek elektronů. Mezi těmito dvěma oblastmi existuje hranice, která se nazývá pn přechod.

Takové vlastnosti vnitřního zařízení dávají diodám jejich hlavní vlastnost – schopnost vést elektrický proud pouze jedním směrem.

Jmenování

Níže jsou uvedeny hlavní oblasti použití diod, na jejichž příkladu je jasný jejich hlavní účel:

1. Diodové můstky jsou 4, 6 nebo 12 diod vzájemně propojených, jejich počet závisí na typu obvodu, který může být jednofázový, třífázový polomůstkový nebo třífázový celomůstkový. Vykonávají funkce usměrňovačů, tato možnost se nejčastěji používá v automobilových generátorech, protože zavedení takových můstků, stejně jako použití kartáčových sběračů s nimi, umožnilo výrazně snížit velikost tohoto zařízení a zvýšit její spolehlivost. Pokud je zapojení provedeno sériově a v jednom směru, pak to zvyšuje minimální napětí, které bude potřeba k odblokování celého diodového můstku.
2. Diodové detektory získané kombinovaným použitím těchto zařízení s kondenzátory. To je nezbytné, aby bylo možné izolovat nízkofrekvenční modulaci od různých modulovaných signálů, včetně verze rádiového signálu s amplitudovou modulací. Takové detektory jsou součástí designu mnoha domácích spotřebitelů, jako jsou televizory nebo rádia.
3. Zajištění ochrany spotřebičů před přepólováním při sepnutí obvodových vstupů proti vznikajícímu přetížení nebo klíče k průrazu elektromotorickou silou, ke které dochází při samoindukci, ke které dochází při vypnutí indukční zátěže. Pro zajištění bezpečnosti obvodů před přetížením se používá řetězec skládající se z několika diod připojených k napájecím sběrnicím v opačném směru. V tomto případě musí být vstup, kterému je poskytována ochrana, připojen ke středu tohoto řetězce. Při běžném provozu obvodu jsou všechny diody v sepnutém stavu, pokud však zjistí, že vstupní potenciál překročil povolené meze napětí, aktivuje se jeden z ochranných prvků. Tím je tento přípustný potenciál omezen v rámci přípustného napájecího napětí v kombinaci s přímým poklesem napětí na ochranném zařízení.
4. Spínače, vytvořené na bázi diod, se používají k provádění spínání signálů s vysokými frekvencemi. Řízení takového systému se provádí pomocí stejnosměrného elektrického proudu, oddělení vysokých frekvencí a dodávky řídicího signálu, ke kterému dochází v důsledku indukčnosti a kondenzátorů.
5. Vytvoření diodové jiskrové ochrany. Používají se bočníkové diodové bariéry, které zajišťují bezpečnost omezením napětí v odpovídajícím elektrickém obvodu. Spolu s nimi se používají odpory omezující proud, které jsou nezbytné k omezení indikátorů elektrického proudu procházejícího sítí a zvýšení stupně ochrany.

Využití diod v elektronice je dnes velmi široké, protože bez těchto prvků se neobejde prakticky žádné moderní elektronické zařízení.

Přímé připojení diody

Pn-přechod diody může být ovlivněn napětím přiváděným z externích zdrojů. Indikátory, jako je velikost a polarita, ovlivní jeho chování a elektrický proud, který jím prochází.

Níže podrobně zvážíme možnost, ve které je plus připojen k oblasti typu p a záporný pól k oblasti typu n. V tomto případě dojde k přímému zařazení:

1. Ve stresu z vnějšího zdroje se v pn přechodu vytvoří elektrické pole, přičemž jeho směr bude opačný než vnitřní difúzní pole.
2. Polní napětí se výrazně sníží, což způsobí prudké zúžení bariérové ​​vrstvy.
3. Pod vlivem těchto procesů značný počet elektronů se bude moci volně pohybovat z p-oblasti do n-oblasti, stejně jako v opačném směru.
4. Indikátory driftového proudu zůstávají během tohoto procesu stejné, protože přímo závisí pouze na počtu minoritních nabitých nosičů umístěných v oblasti pn přechodu.
5. Elektrony mají zvýšenou úroveň difúze, což vede k injekci menšinových nosičů. Jinými slovy, v n-oblasti dojde ke zvýšení počtu děr a v p-oblasti bude zaznamenána zvýšená koncentrace elektronů.
6. Nedostatek rovnováhy a zvýšený počet menšinových nosičů způsobí, že jdou hluboko do polovodiče a mísí se s jeho strukturou, což nakonec vede ke zničení jeho vlastností elektrické neutrality.
7. Polovodič současně je schopen obnovit svůj neutrální stav, je to způsobeno příjmem nábojů z připojeného externího zdroje, což přispívá ke vzniku stejnosměrného proudu ve vnějším elektrickém obvodu.

Reverzní zapojení diody

Nyní bude zvažován jiný způsob zapnutí, při kterém se změní polarita externího zdroje, ze kterého je napětí přenášeno:

1. Hlavní rozdíl oproti přímému začlenění je v tomže vytvořené elektrické pole bude mít směr, který se zcela shoduje se směrem vnitřního difúzního pole. V souladu s tím se bariérová vrstva již nebude zužovat, ale naopak roztahovat.
2. Pole umístěné v pn-křižovatce, bude mít zrychlující účinek na řadu menšinových nosičů náboje, z tohoto důvodu zůstanou indikátory driftového proudu nezměněny. Určí parametry výsledného proudu, který prochází pn přechodem.
3. Jak rostešzpětné napětí, elektrický proud protékající křižovatkou bude mít tendenci dosáhnout svého maximálního výkonu. Má zvláštní název – saturační proud.
4. Podle exponenciálního zákona, s postupným zvyšováním teploty se bude zvyšovat i saturační proud.

Dopředné a zpětné napětí

Napětí, které ovlivňuje diodu, je rozděleno podle dvou kritérií:

1. Dopředné napětí – tehdy se dioda otevře a začne jí procházet stejnosměrný proud, přičemž odpor zařízení je extrémně nízký.
2. zpětné napětí – to je ten, který má obrácenou polaritu a zajišťuje, že dioda je uzavřena s průchodem zpětného proudu přes ni. Současně začnou prudce a výrazně růst ukazatele odporu zařízení.

Odpor pn-přechodu je neustále se měnící indikátor, v první řadě je ovlivněn stejnosměrným napětím přivedeným přímo na diodu. Pokud se napětí zvýší, indikátory odporu přechodu se úměrně sníží.

To vede ke zvýšení parametrů propustného proudu procházejícího diodou. Když je toto zařízení uzavřeno, působí na něj prakticky veškeré napětí, z tohoto důvodu jsou indikátory zpětného proudu procházejícího diodou nevýznamné a přechodový odpor současně dosahuje špičkových parametrů.

Činnost diody a její proudově-napěťová charakteristika

Proudově-napěťová charakteristika těchto zařízení je chápána jako křivka, která znázorňuje závislost elektrického proudu protékajícího pn přechodem na objemu a polaritě napětí, které na něj působí.

Takový graf lze popsat následovně:

1. Vertikální osa: horní oblast odpovídá dopředným hodnotám proudu, spodní oblast parametrům zpětného proudu.
2. Horizontální osa: oblast napravo je pro hodnoty napětí v propustném směru; oblast nalevo je pro možnosti reverzního napětí.
3. Přímá větev proudově-napěťové charakteristiky odráží elektrický proud přes diodu. Směřuje nahoru a prochází v těsné blízkosti svislé osy, protože představuje zvýšení stejnosměrného elektrického proudu, ke kterému dochází se zvýšením odpovídajícího napětí.
4. Druhá (reverzní) větev odpovídá a zobrazuje stav uzavřeného elektrického proudu, který také prochází zařízením. Jeho poloha je taková, že probíhá prakticky rovnoběžně s vodorovnou osou. Čím strměji se tato větev blíží vertikále, tím vyšší jsou usměrňovací schopnosti konkrétní diody.
5. Můžete vidět na grafuže po růstu propustného napětí protékajícího pn-přechodem dochází k pomalému nárůstu elektrického proudu. Postupně se však křivka dostává do oblasti, ve které je patrný skok, po kterém dochází ke zrychlenému nárůstu jejích ukazatelů. To je způsobeno otevřením diody a vedením proudu při propustném napětí. U zařízení vyrobených z germania k tomu dochází při napětí 0,1V až 0,2V (maximální hodnota 1V) a u křemíkových prvků je vyžadována vyšší hodnota od 0,5V do 0,6V (maximální hodnota 1,5V).
6. Zobrazený aktuální nárůst může vést k přehřátí polovodičových molekul. Pokud je odvod tepla, ke kterému dochází v důsledku přírodních procesů a provozu radiátorů, menší než úroveň jeho uvolňování, může dojít ke zničení struktury molekul a tento proces bude již nevratný. Z tohoto důvodu je nutné omezit parametry propustného proudu, aby nedocházelo k přehřívání polovodičového materiálu. K tomu jsou do obvodu přidány speciální odpory, které mají sériové zapojení s diodami.
7. Prozkoumání reverzní větve je vidět, že pokud se zpětné napětí, které je přivedeno na pn přechod, začne zvyšovat, pak je nárůst parametrů proudu ve skutečnosti nepostřehnutelný. V případech, kdy napětí dosáhne parametrů, které překračují přípustné meze, může však dojít k náhlému skoku zpětného proudu, který přehřeje polovodič a přispěje k následnému rozpadu pn přechodu.

Základní poruchy diod

Někdy zařízení tohoto typu selžou, může to být způsobeno přirozeným znehodnocováním a stárnutím těchto prvků nebo z jiných důvodů.

Celkem existují 3 hlavní typy běžných poruch:

1. rozpad přechodu vede k tomu, že se dioda místo polovodičového zařízení stává v podstatě nejobyčejnějším vodičem. V tomto stavu ztrácí své základní vlastnosti a začíná procházet elektrický proud absolutně jakýmkoliv směrem. Taková porucha je snadno detekována pomocí běžného multimetru, který začne pípat a ukazuje nízkou úroveň odporu v diodě.
2. O přestávce dochází k opačnému procesu – zařízení obecně přestává přenášet elektrický proud v jakémkoli směru, to znamená, že se ze své podstaty stává izolantem. Pro přesnost určení zlomu je nutné používat testery s kvalitními a provozuschopnými sondami, jinak mohou někdy tuto poruchu falešně diagnostikovat. U druhů legovaných polovodičů je takové zhroucení extrémně vzácné.
3. Únik, při kterém je porušena těsnost pouzdra přístroje, v důsledku čehož nemůže správně fungovat.

Rozpad pn přechodu

K takovým poruchám dochází v situacích, kdy se indikátory zpětného elektrického proudu začnou náhle a prudce zvyšovat, k tomu dochází v důsledku skutečnosti, že napětí odpovídajícího typu dosahuje nepřijatelně vysokých hodnot.

Obvykle existuje několik typů:

1. Tepelné poruchy, které jsou způsobeny prudkým zvýšením teploty a následným přehřátím.
2. Elektrické poruchyvznikající vlivem proudu na přechod.

Graf charakteristiky proud-napětí umožňuje vizuálně studovat tyto procesy a rozdíl mezi nimi.

elektrický průraz

Následky způsobené elektrickými poruchami nejsou nevratné, protože nezničí samotný krystal. Postupným poklesem napětí je tedy možné obnovit celé vlastnosti a provozní parametry diody.

Současně jsou poruchy tohoto typu rozděleny do dvou typů:

1. průrazy tunelů nastávají, když vysoké napětí prochází úzkými spoji, což umožňuje jednotlivým elektronům proklouznout skrz něj. Obvykle vznikají, pokud je v polovodičových molekulách velké množství různých nečistot. Při takovém průrazu začne zpětný proud prudce a rychle stoupat a odpovídající napětí je na nízké úrovni.
2. Lavinové typy poruch jsou možné vlivem silných polí schopných urychlit nosiče náboje na mezní úroveň, díky čemuž vyrazí z atomů řadu valenčních elektronů, které následně vyletí do vodivé oblasti. Tento jev má lavinový charakter, díky kterému dostal tento typ poruch své jméno.

Tepelný rozpad

Výskyt takového průrazu může nastat ze dvou hlavních důvodů: nedostatečného odvodu tepla a přehřátí pn-přechodu, ke kterému dochází v důsledku toku elektrického proudu přes něj s příliš vysokými rychlostmi.

Zvýšení teplotního režimu v přechodových a sousedních oblastech má následující důsledky: