Вольт-амперная характеристика полупроводников: что это и как построить график

Общие сведения

В 16 веке исследования ученых доказали, что в природе есть что-то, что может вызывать силы взаимодействия между телами. Позднее это явление назвали электричеством, а величину, характеризующую процесс, — зарядом. В 1729 году Шарль Дюфе обнаружил существование двух типов. Один и тот же тип имеет свойство отталкивания друг от друга, а один и тот же — притяжение. Их условно разделили на положительные и отрицательные.

Фактически электрический заряд определяет способность вещества генерировать поле и участвовать в электромагнитном взаимодействии. Кулон C принят за единицу измерения скалярной величины в системе СИ. Носителями заряда являются элементарные частицы. Они обозначаются символом q.

Физическое тело состоит из атомов или молекул. В свою очередь, они образуются из простейших частиц. Твердое тело содержит ядра, состоящие из протонов и нейтронов. Электроны вращаются вокруг них по орбитам. Если на тело не действуют никакие внешние силы, то система находится в электрическом равновесии. Это связано с тем, что положительный заряд ядра компенсируется отрицательным электроном.

Но в то же время в организме могут существовать так называемые свободные электроны. Это частицы, не имеющие связи с ядром и свободно перемещающиеся по телу. Его движения хаотичны. Двигаясь по кристаллической решетке, электроны сталкиваются с дефектами и примесями, отдавая им часть своей энергии и превращая ее в тепло. Но это явление настолько незначительно, что его трудно обнаружить даже специализированными приборами.

Если к телу приложить электромагнитное поле, движение свободных зарядов становится направленным. Обеспечивая его непрерывность, возникает явление, которое называется электрическим током. Таким образом, под ним стали понимать упорядоченное движение носителей заряда. Исследования показали, что такие частицы могут быть:

• электроны — твердые тела;
• ионы — газы, электролиты.

Для описания электрического тока используются две величины: работа и сила. Первая показывает, сколько энергии необходимо затратить для переноса заряда из одной точки поля в другую. Они называют это напряжением. Сила тока определяется отношением количества заряда, прошедшего через поперечное сечение тела в единицу времени.

Связь между параметрами

Для появления электрического тока необходимо выполнение нескольких условий. Нам нужен его источник, материал, в котором есть свободные носители заряда и замкнутая цепь, по которой они могут двигаться. После изобретения «вольтовой колонны» ученые стали проводить различные опыты, изучая протекание электрического тока. В 1825 г. Ом в своих опытах с гальваническим источником и крутильными весами наблюдал потерю энергии в зарядах. Он обнаружил, что сила тока в цепи зависит не только от рода материала, но и от его линейных характеристик.

Анализируя полученные данные, Ом вывел формулу: X = a*k/L, где: X — сила электрического тока, a — напряжение, k — коэффициент проводимости, l — длина материала. Впоследствии этот закон был подтвержден другими учеными и назван в честь первооткрывателя.

В современном виде он записывается так: I = U/R, где:

• U – разность потенциалов (напряжение);
• R — сопротивление.

То есть сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна его сопротивлению. R – коэффициент пропорциональности. По определению, это величина, обратная проводимости. Сопротивление зависит от физических размеров проводника и его способности препятствовать прохождению электрического тока.

Величину R можно рассчитать по формуле: R = pL/S, где p — удельный коэффициент, зависящий от свойства материала, L — длина проводника, S — площадь поперечного сечения. Значение удельного сопротивления зависит от температуры, но остается постоянным для каждого градуса. Его значение измерено почти для всех существующих в природе элементов и приведено в виде таблицы.

Открытые формулы позволили установить не только зависимость резистора от тока, но и связать 2 основные электрические величины — силу и работу. Также связь между ними обычно изображают графиком, называемым вольтамперной характеристикой. Его смысл заключается в построении функции, описываемой законом Ома. Это важный график для электрических устройств. С его помощью можно определить мощность для любого значения.

Вольт-амперная характеристика

С его помощью можно узнать, как изменяется ток при увеличении или уменьшении напряжения в цепи. Если строить для драйвера, то зависимость будет линейной. Это можно понять из закона Ома, согласно которому сила пропорциональна приложенной разности потенциалов. Этот тип диаграммы типичен для металлов. Но в то же время для полупроводников она не будет линейной.

Все дело в том, что такие материалы обладают особыми свойствами. В них может произойти пробой – явление, при котором происходит резкое увеличение силы тока и процесс насыщения. В последнем случае величина электрического тока практически не меняется при увеличении напряжения.

График зависимости построен в декартовой системе координат. Напряжение откладывается по оси X, а ток — по оси Y. Вы можете самостоятельно изучить характеристику любого элемента схемы. Для этого нужно подготовить:

• регулируемый источник питания;
• амперметр;
• вольтметр;
• изучаемый предмет.

Схема собирается достаточно просто. К источнику питания подключается амперметр (амперметр), к выходу которого подсоединяется проводник с проводом. Второй полюс подключается к свободному контакту источника напряжения. Вольтметр подключают параллельно исследуемому элементу.

Эксперимент следующий. С помощью блока питания изменяется напряжение, значение которого снимается с вольтметра. В то же время отмените данные амперметра. Затем проводят оси координат ВАХ, на которые наносят соответствующие точки значений и соединяют их плавной линией. Нарисованная кривая или прямая и покажет истинную картину зависимости тока от напряжения для элемента. По ВАХ можно проследить зависимость мощности от силы тока. Для этого нужно выполнить расчет по формуле: P = I * U.

На практике часто приходится иметь дело с переменным током. Это явление, при котором его сила изменяется с течением времени. В этом случае вольт-амперная характеристика не используется, так как изменение U происходит по определенному закону, чаще всего синусоидальному, поэтому при необходимости построения графика зависимости напряжения от времени необходимо знать формулу который описывает функцию.

Что такое «вольт-ампер»

Прежде чем рассматривать, как перевести ва в ватты, нужно понять, что такое ва. Вольт-ампер – это внесистемная единица измерения. В России его часто используют наравне с ваттом, единицей международной системы СИ. Мощность ва равна текущим показателям тока и напряжения, умноженным друг на друга. На письме единицу измерения обычно изображают как ВА или ВА. Бывают дольные и кратные единицы, например, мегавольт-ампер содержит миллион ВА. Такая единица обозначается как МВА, на профессиональном языке она называется «эмва». Один киловольт-ампер равен одной тысяче ВА. Мультипликаторные единицы на практике, как правило, не используются.

Важно! ВА иногда ошибочно приравнивают к полной мощности или считают единицей, абсолютно эквивалентной одному ватту. Это ошибка, связанная с отождествлением определенной величины и ее размерности.

В вольт-амперах измеряется полная электрическая мощность, эта единица используется для оценки мощности в цепях, где действует переменный электрический ток: в этих условиях нет необходимости переводить в ватты, так как они равны между собой. При работе с постоянным током дело обстоит иначе: вольтамперный показатель приравнивается к активной (а не полной) мощности в ваттах, в этом случае потребуются некоторые расчеты для определения мощностных характеристик.

Как перевести вольт-ампер в ватты

Разобравшись, что такое ва, нужно рассмотреть, что нужно сделать, если нужно перевести вольт-амперы в ватты. Для решения бытовых задач можно следовать следующему алгоритму:

1. В инструкции к блоку питания нужно найти значение потребляемой им энергии. Часто компании-производители указывают значение этого параметра в вольт-амперах. Обозначает максимальное количество электроэнергии, которую устройство может потреблять из сети. Поэтому его можно приравнять к значению полной мощности.
2. Теперь нужно узнать КПД работающего источника. Он определяется особенностями его конструкции и количеством подключенных к нему устройств. На практике этот коэффициент при подключении бытовой и профессиональной техники обычно колеблется в пределах 0,6-0,8.
3. После этого производится фактический перевод единиц тока-напряжения в единицы ватт. Для этого необходимо узнать активную мощность устройства, обеспечивающего бесперебойное питание. Чтобы узнать его значение в ваттах, нужно умножить параметр потребляемой мощности в вольт-амперах, указанный производителем в сопроводительной документации, на КПД устройства (он же коэффициент мощности). Это можно выразить формулой: B = VA * КПД.

Метод расчета можно показать на примере. Предположим, в техническом паспорте устройства указано, что потребляемая мощность составляет 2000 вольт-ампер. КПД равен 0,7. Если перемножить числа, то получится: 2000*0,7=1400 Вт. Это число указывает активную потребляемую мощность, потребляемую этим устройством. Остальные 30% – это потери энергии, связанные с работой питательного блока.

Кроме того, калькулятор используется для преобразования wa в t. Необходимо заполнить предлагаемые экранной формой поля значениями, соответствующими показателям конкретного устройства, и нажать кнопку, запускающую расчеты. По завершению пользователь получит желаемое значение мощности в ваттах.

Важно! Значение активной мощности по определению не может превышать полной мощности. Но для определенной части потребителей электрического тока (например, ламп накаливания, бойлеров, электрочайников) эти два показателя одинаковы из-за отсутствия реактивной составляющей нагрузки, поэтому при расчетах, связанных с ними, будет be Не нужно будет переводить ватты в вольт-амперы или наоборот. Для этих устройств значения мощности, выраженные в ваттах, будут идентичны значениям в вольт-амперах. Это означает, что уровень, потребляемый устройством и необходимый для его корректной работы, будет равен активной мощности, выраженной в ваттах.

Что такое «ватт»

Эта единица измерения относится к международной классификации СИ и является производной. Описывается как показатель мощности, при котором расходуется 1 джоуль энергии в секунду. Ему также можно дать такую ​​характеристику: он описывает, как быстро совершается работа, поддерживающая постоянную скорость тела в 1 метр в секунду, вынужденного преодолевать действие силы в 1 ньютон, вектор которой противоположен этому движущегося тела. Для описания электромагнитных явлений также используется представление ватта как скорости преобразования электричества в электрический ток силой 1 А, протекающий по участку цепи с разностью потенциалов 1 вольт. Лампочка со светодиодами обычно имеет потребляемую мощность в несколько ватт. Исходя из этого, должно быть ясно

На письме единицу обычно обозначают как «Вт» или «Вт». Само название было дано по имени шотландского механика Джеймса Уатта, изобретшего паровую машину. Единица измерения мощности была принята в 1882 г и введена в систему СИ в 1960 г. Ранее те же величины измерялись в лошадиных силах. Измерительный прибор – ваттметр – поможет вам узнать параметры мощности. Для профессиональных или бытовых приборов потребляемая мощность указывается в сопроводительной технической документации, например, в паспорте устройства. На тиристорах и других электронных компонентах номинал иногда указывается маркировкой на корпусе.

Общепринято, что значение полной мощности на практике, характеризующее фактический уровень нагрузки, вносимой потребителем на элементы, подключенные к электрической сети (распределительные щиты, кабельные элементы, трансформаторы и другие устройства), определяется потребляемым током. Поэтому для трансформаторных и коммутационных устройств мощность указывается в ваттах, а не в вольт-амперах.

КПД также называют коэффициентом мощности или cos phi. Это безразмерная величина, которая изменяет ток в зависимости от реактивной составляющей в нагрузке. Соотношение иллюстрирует величину переменного тока, проходящего через фазовый сдвиг относительно приложенного напряжения. Имя cos phi представляет собой косинус данного изменения фазы.

Примером может служить перфоратор, в инструкции которого указано потребление 5 кВт и коэффициент 0,85. Итак, суммарный показатель, необходимый для его работы (в вольт-амперах), будет равен частному этих величин: 5/0,85 = 5,89 кВА.

Различия между «кВА» и «кВт»

Иногда на поверхности щитка приборов или в его описании для электрической мощности вместо традиционного киловатта используется кВА. Чтобы потребитель мог определить, какое значение в кВА ему нужно, он должен знать, что измеряют суммарное значение количества и в кВт оно активное.

Общая мощность включает в себя все, что выдает блок питания, но не обязательно все идет на работу. Одна его часть (активная) совершает работу или переходит в тепловую форму, другая (реактивная) перенаправляется в имеющееся в сети электромагнитное поле. Это разные величины, хотя и имеют одинаковые размерности. Чтобы их не перепутать, для измерения полного показателя используется не ватт, а вольт-ампер. Прагматический смысл полной мощности состоит в том, что она описывает фактические нагрузки, создаваемые потребителем на компоненты электрической сети. Ведь эти нагрузки зависят от количества потребляемого тока. В связи с этим для указания номинальной мощности распределительных щитов и трансформаторных устройств.

При выборе источника энергии потребителю не ясно, сколько энергии он реально может дать. Это связано с тем, что в технических параметрах таких устройств зафиксировано значение полной мощности в ВА, и требуется знать, как связаны ВА и Вт.

Принцип работы диода. Вольт-амперная характеристика. Пробои p-n перехода.

Устройство полупроводника

Д состоит из корпуса из прочного диэлектрического материала. Оболочка содержит вакуумное пространство с двумя электродами (анод и катод). Электроды, представляющие собой металл с активным слоем, имеют непрямое свечение. Активный слой испускает электроны при нагревании. Катод устроен таким образом, что внутри него находится проволока, которая нагревается и испускает электроны, а анод служит для их приема.

В некоторых источниках анодом и катодом называют стекло, которое изготовлено из кремния (Si) или германия (Ge). Одна из его составных частей имеет искусственный недостаток электронов, а другая – избыток (рис. 1). Между этими кристаллами имеется граница, называемая р-п-переходом.

Рисунок 1 – Схематическое изображение полупроводника p-n-типа.

Сферы применения

Д широко применяется в качестве выпрямителя переменного тока в конструкциях блоков питания (БП), диодных мостов, а также как отдельный элемент конкретной схемы. D может защитить схему от несоблюдения полярности подключения источника питания. Выход из строя какой-либо части полупроводника (например, транзистора) может произойти в цепи и привести к процессу выхода из строя цепи радиоэлемента. В этом случае используется цепочка из нескольких D, соединенных в обратном направлении. На основе полупроводников создаются переключатели для коммутации высокочастотных сигналов.

Д применяют в угольной и металлургической промышленности, особенно при создании искробезопасных коммутационных цепей в виде U-ограничивающих диодных барьеров в необходимой электрической цепи. Диодные барьеры используются вместе с токоограничителями (резисторами) для снижения значений I и повышения степени защиты и, следовательно, электро- и пожаробезопасности предприятия.

Прямое включение диода. Прямой ток.

Если к электродам диода подключить источник постоянного напряжения: к выводу анода «плюс» и к выводу катода «минус», то диод будет находиться в открытом состоянии и через него будет протекать ток, величина которое будет зависеть от приложенного напряжения и свойств диода.

При такой полярности связи электроны в n-области будут устремляться к дыркам в p-области, а дырки в p-области будут двигаться навстречу электронам в n-области. На границе раздела областей, называемой электронно-дырочным или p-n переходом, они встретятся, где будет происходить их взаимное поглощение или рекомбинация.

Например. Основные носители заряда в области n-типа, электроны, минуя p-n переход, попадают в область дырок p-типа, в которой становятся минорными. Становясь неосновными, электроны будут поглощаться основными носителями в дырочной области: дырками. Точно так же дырки, попадающие в электронную область n-типа, становятся неосновными носителями заряда в этой области и также будут поглощаться основными носителями: электронами.

Контакт диода, подключенный к отрицательному полюсу источника постоянного напряжения, будет излучать область n-типа с практически неограниченным числом электронов, восполняя распад электронов в этой области. А контакт, подключенный к положительному полюсу источника напряжения, может принять такое же количество электронов из р-области, поэтому концентрация дырок в р-области восстанавливается. Поэтому проводимость p-n перехода будет большой, а сопротивление току малым, а значит, через диод будет протекать ток, называемый прямым током диода Iпр.

Обратное включение диода. Обратный ток.

Поменяйте полярность источника постоянного напряжения — диод будет в закрытом состоянии.

При этом электроны в области n-типа будут двигаться к положительному полюсу источника питания, удаляясь от pn-перехода, а дырки в области p-типа также будут удаляться от pn-перехода, двигаясь в сторону отрицательный полюс источника питания. В результате граница областей будет как бы расширяться, в результате чего будет образовываться зона, обедненная дырками и электронами, что обеспечит высокое сопротивление току.

Но, поскольку в каждой из областей диода присутствуют неосновные носители заряда, между областями все же будет происходить небольшой обмен электронами и дырками. Поэтому через диод будет протекать ток, во много раз меньший, чем постоянный ток, и такой ток называется обратным током диода (Iобр). Как правило, на практике пренебрегают обратным током p-n-перехода и отсюда делают вывод, что p-n-переход имеет только одностороннюю проводимость.

Прямое и обратное напряжение диода.

Напряжение, при котором диод открывается и через него протекает прямой ток, называется прямым (Uпр), а напряжение обратной полярности, при котором диод закрывается и через него протекает обратный ток, называется обратным (Uобр).

При прямом напряжении (Uпр) сопротивление диода не превышает нескольких десятков Ом, а при обратном напряжении (Uобр) сопротивление увеличивается до нескольких десятков, сотен и даже тысяч кОм. Это нетрудно проверить, если измерить обратное сопротивление диода омметром.

Сопротивление p-n перехода диода не является постоянной величиной и зависит от прямого напряжения (Uпр), которое приложено к диоду. Чем выше это напряжение, тем меньше сопротивление p-n перехода, тем выше прямой ток Ipr, протекающий через диод. В закрытом состоянии почти все напряжение падает на диоде, поэтому обратный ток через него мал и сопротивление p-n перехода велико.

Например. Если включить диод в цепь переменного тока, то он будет открываться с положительными полупериодами на аноде, свободно пропуская прямой ток (Iпр), и закрываться с отрицательными полупериодами на аноде, почти не пропуская ток в обратном направлении — ток обратный (Iрев). Эти свойства диодов используются для преобразования переменного тока в постоянный, и эти диоды называются выпрямителями.

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода.

Зависимость тока через p-n-переход от величины и полярности приложенного к нему напряжения представляют в виде кривой, называемой вольт-амперной характеристикой диода.

На следующем графике показана такая кривая. На вертикальной оси в верхней части указаны значения прямого тока (Iпр), а в нижней части обратного тока (Iобр).
На горизонтальной оси с правой стороны указаны значения прямого напряжения Uпр, а с левой стороны значения обратного напряжения (Uобр).

Вольт-амперная характеристика состоит, так сказать, из двух ветвей: прямая ветвь, вверху справа, соответствует прямому току (выходу) через диод, а обратная ветвь, внизу слева, соответствует прямому ток (выход) через диод к обратному (замкнутому) току через диод.

Прямая ветвь круто поднимается вверх, прижимаясь к вертикальной оси, и характеризует быстрый рост прямого тока через диод с увеличением прямого напряжения.
Обратная ветвь проходит почти параллельно горизонтальной оси и характеризует медленный рост обратного тока. Чем круче прямая ветвь от вертикальной оси и чем ближе обратная ветвь от горизонтальной, тем лучше выпрямительные свойства диода. Наличие малого обратного тока является недостатком диодов. Из ВАХ видно, что прямой ток диода (Iпр) в сотни раз больше обратного тока (Iоб).

При увеличении прямого напряжения на p-n-переходе ток сначала увеличивается медленно, а затем начинается участок быстрого нарастания тока. Это связано с тем, что германиевый диод открывается и начинает проводить ток при прямом напряжении 0,1 — 0,2 В, а кремниевый при 0,5 — 0,6 В.

Например. При постоянном напряжении Uпр = 0,5В постоянный ток Iпр равен 50мА (точка «а» на графике), а при напряжении Uпр = 1В ток возрастает до 150мА (точка «б» на графике).

Но такое увеличение тока приводит к нагреву молекулы полупроводника. А если количество выделяющегося тепла больше, чем то, которое удаляется от кристалла естественным путем или с помощью специальных охлаждающих устройств (радиаторов), могут происходить необратимые изменения в проводящей молекуле, вплоть до разрушения кристаллической решетки. Поэтому постоянный ток p-n-перехода ограничен до уровня, исключающего перегрев полупроводниковой структуры. Для этого используйте ограничительный резистор, включенный последовательно с диодом.

Для полупроводниковых диодов значение прямого напряжения Uпр при всех значениях рабочих токов не превышает:
для германия — 1Б;
для кремния — 1,5В.

При увеличении обратного напряжения (Uобр), подаваемого на p-n-переход, ток несколько увеличивается, о чем свидетельствует обратная ветвь вольт-амперной характеристики.
Например. Возьмем диод с параметрами: Uобр max = 100В, Iоар max = 0,5 мА, где:

Uрев max — максимальное прямое обратное напряжение, В;
Iрев max — максимальный обратный ток, мкА.

При постепенном увеличении обратного напряжения до значения 100В можно увидеть, как немного увеличивается обратный ток (точка «с» на графике). Но при дальнейшем увеличении напряжения, выше максимального, на которое рассчитан p-n переход диода, происходит резкое увеличение обратного тока (штриховая линия), нагрев полупроводникового кристалла и, как следствие, пробой происходит pn-переход.

Построение графика

Построить ВАХ для конкретного типа полупроводникового прибора несложно. Для этого требуется источник питания, мультиметр (вольтметр и амперметр) и диод (можно построить для любого полупроводникового прибора). Алгоритм построения CVC следующий:

1. Подключить питание к диоду.
2. Измерьте U и I.
3. Введите данные в таблицу.
4. На основании табличных данных построить график зависимости I от U (рис. 2).

Рисунок 2: Пример нелинейной ВАХ диода.

ВАХ будет разной для каждого полупроводника. Например, одним из наиболее распространенных полупроводников является диод Шоттки, названный в честь немецкого физика В. Шоттки (рис. 3).

Рисунок 3 – ВАК Шоттки.

Из графика, который носит несимметричный характер, видно, что для этого типа диода характерен небольшой перепад U при прямом включении. Наблюдается экспоненциальный рост I и U. Ток в барьере возникает из-за прямо и обратно смещенных отрицательно заряженных частиц. Шоттки имеет большую скорость, так как отсутствуют диффузионные и рекомбинационные процессы. I зависит от U в связи с изменением количества перевозчиков, участвующих в процессах перевалки грузов.

Кремниевый полупроводник широко используется практически во всех электрических схемах приборов. На рисунке 4 показан ваш CVC.

Рисунок 4 – Кремниевая ВАХ Д.

На рисунке 4 ВАХ начинается с 0,6-0,8 В. Помимо кремниевых D существуют еще германиевые ВАХ, которые будут нормально функционировать при нормальных температурах. Кремний имеет меньшие Iпр и Iабр, поэтому необратимое термическое разложение германия Д происходит быстрее (при применении высокого Uабр), чем у его конкурента.

Выпрямитель D служит для преобразования переменной U в постоянную, и на рис. 5 показана его вольт-амперная характеристика.

Рисунок 5 – Выпрямитель CVC D.

На рисунке показаны теоретическая (штриховая кривая) и практическая (экспериментальная) ВАХ. Они не совпадают, потому что в теории не учитывались некоторые аспекты:

1. Наличие R (сопротивление) со стороны излучающей области кристалла, проводников и контактов.
2. Токи утечки
3. Процессы генерации и рекомбинации.
4. Ростки разных видов.

Кроме того, на измерения существенно влияет температура окружающей среды, а вольтамперные характеристики не совпадают, так как теоретические значения получены при температуре +20 градусов. Есть и другие важные характеристики полупроводников, которые можно понять по маркировке на коробке.

Также есть дополнительные функции. Они нужны для использования Д в заданной цепи с U и I. Если использовать Д малой мощности в устройствах с U, превышающим максимально допустимое Uобр, то это приведет к выходу из строя и выходу элемента из строя, а это также может привести к возникновению цепи отказов отказов других частей.

Дополнительные возможности: максимальные значения Iобр и Uобр; прямые значения I и U; ток перегрузки; Максимальная температура; рабочая температура и так далее.

ВАК помогает выявлять такие сложные D-разломы: разрыв перехода и разгерметизацию обсадной колонны. Сложные неисправности могут привести к выходу из строя дорогостоящих деталей, поэтому перед монтажом Д на плату необходимо его проверить.

Пробои p-n перехода.

Пробой p-n перехода – это явление резкого увеличения обратного тока при достижении обратным напряжением некоторого критического значения. Бывают электрические и тепловые пробои p-n перехода. В свою очередь электрические неисправности делятся на неисправности в туннелях и в лавинах.

Электрический пробой.

Электрический пробой происходит в результате воздействия сильного электрического поля на p-n-переход. Такой пробой обратим, т е не повреждает переход, а при уменьшении обратного напряжения свойства диода сохраняются. Например. В этом режиме работают стабилитроны: диоды, предназначенные для стабилизации напряжения.

Туннельный пробой.

Разрыв туннеля происходит в результате явления туннелирования, проявляющегося в том, что при сильном электрическом поле, действующем на p-n-переход малой толщины, часть электронов проникает (просачивается) через переход из области p-типа в область p-n-перехода область n-типа без изменения ее энергии. Тонкие pn-переходы возможны только при высокой концентрации примесей в молекуле полупроводника.

В зависимости от мощности и назначения диода толщина электронно-дырочного перехода может составлять от 100 нм (нанометров) до 1 мкм (микрометров).

Туннельный разрыв характеризуется резким увеличением обратного тока при незначительном обратном напряжении, обычно несколько вольт. На этом эффекте работают туннельные диоды.

Благодаря своим свойствам туннельные диоды применяются в усилителях, генераторах синусоидальных релаксационных колебаний, коммутационных устройствах на частотах до сотен и тысяч мегагерц.

Лавинный пробой.

Лавинный пробой заключается в том, что под действием сильного электрического поля неосновные носители заряда под действием тепла на p-n-переходе разгоняются настолько, что могут вырвать из атома один из своих валентных электронов и передать его зону проводимости, образуя электронно-дырочную пару. Образовавшиеся носители заряда также начнут ускоряться и сталкиваться с другими атомами, образуя следующие электронно-дырочные пары. Процесс приобретает лавинный характер, что приводит к резкому увеличению обратного тока при практически постоянном напряжении.

Диоды, использующие эффект лавинного пробоя, применяются в мощных выпрямительных установках, применяемых в металлургической и химической промышленности, на железнодорожном транспорте, в других электротехнических изделиях, где возможно возникновение обратного напряжения выше допустимого.

Тепловой пробой.

Тепловой пробой происходит в результате перегрева p-n-перехода в момент протекания по нему большого тока и при недостаточном теплоотводе, что не гарантирует стабильности теплового режима перехода.

С увеличением обратного напряжения, подаваемого на p-n-переход (Uобр), мощность, рассеиваемая в переходе, увеличивается. Это приводит к повышению температуры перехода и прилегающих к нему областей полупроводника, усиливаются колебания атомов кристалла и ослабевает связь между валентными электронами и ними. Возникает возможность перехода электронов в зону проводимости и образования дополнительных электронно-дырочных пар. При плохих условиях отвода тепла от p-n перехода происходит лавинообразное повышение температуры, приводящее к разрушению перехода.

Возможные неисправности

По статистике D или другие полупроводниковые элементы выходят из строя чаще других элементов схемы. Вышедший из строя элемент можно определить и заменить, но иногда это приводит к потере функциональности. Например, при обрыве p-n перехода D превращается в обычное сопротивление, и такое преобразование может привести к печальным последствиям — от выхода из строя других элементов до возгорания или поражения электрическим током. К основным недостаткам относятся:

1. Авария. Диод теряет способность пропускать ток в одном направлении и становится обычным резистором.
2. Структурные повреждения.
3. Утечка.

Во время пробоя D не пропускает ток в одном направлении. Причин может быть несколько и возникают они при резких повышениях I и U, которые являются недопустимыми значениями для определенного D. Основные виды пробоев p-n перехода:

1. Термальный.
2. Электрический.

На тепловом уровне, на физическом уровне происходит значительное усиление вибрации атомов, деформация кристаллической решетки, перегрев перехода и попадание электронов в зону проводимости. Процесс необратимый и приводит к повреждению радиодетали.

Электрические пробои носят временный характер (стекло не деформируется) и при возвращении к нормальной работе восстанавливает свои полупроводниковые функции. Структурные повреждения — это физические повреждения ног и тела. Утечка тока происходит при разгерметизации корпуса.

Для проверки D просто отпаяйте одну ножку и прозвоните мультиметром или омметром на наличие обрыва перехода (он должен звонить только в одну сторону). В результате значение R pn-перехода будет отображаться в одном направлении, а в другом направлении прибор будет показывать бесконечность. Если звонит в 2 направления, то неисправна радиодеталь.

Если ножка отвалилась, то ее необходимо приварить. При повреждении коробки деталь подлежит замене на ремонтопригодную.

При разгерметизации коробки необходимо будет построить ВАХ и сравнить ее с теоретическим значением, взятым из справочной литературы.

Таким образом, ВАХ позволяет не только получить справочные данные о диоде или любом полупроводниковом элементе, но и выявить сложные неисправности, которые невозможно определить при проверке прибором.