Что такое ток насыщения диода

Характеристики диодов

Графически выраженная зависимость анодного тока диода от анодного напряжения при постоянном напряжении накала называется анодной характеристикой диода .

Графически выраженная зависимость анодного тока диода от напряжения накала при постоянном напряжении на аноде (величина которого достаточна для обеспечения режима насыщения) называется эмиссионной характеристикой диода.

На рис. 11 представлена схема для снятия анодных и эмиссионных характеристик диода. При снятии анодных характеристик диода реостатом Р, включенным в цепь катода, устанавливают нужное напряжение накала, а с потенциометра П, подключенного к источнику анодного питания, подают на анод различные напряжения. Контроль за напряжением накала и напряжением на аноде ведется при помощи вольтметров V 1 и V 2 .

Рис.11. Схема для снятия характеристик диода.

Анодный ток диода измеряют миллиамперметром. Перед включением схемы следует убедиться, что реостат накала полностью введен (напряжение на кала минимально), а движок потенциометра находится в нижнем положении, что соответствует отсутствию напряжения на аноде.

Электроны, вылетающие из разогретого катода, обладают различными скоростями и энергиями, поэтому они достигают анода даже в случае отсутствия на аноде анодного напряжения. Более того, незначительный анодный ток имеет место в диоде и при небольшом отрицательном напряжении на аноде. Это особенно заметно у диодов, имеющих малое расстояние между анодом и катодом. Поэтому ток во внешней цепи лампы можно свести к нулю, подав на анод отрицательное «запирающее» напряжение —U а0 , которое будет тем больше, чем выше температура катода.

На рис. 12 приведен ряд анодных характеристик диода («семейство характеристик»), снятых при различных напряжениях накала т. е. I а = ƒ (U а ) при U н = const. Их веерообразное расхождение объясняется тем, что с ростом U н возрастает не только температура, но и эффективная поверхность излучающей части катода.

При малых напряжениях накала его эмигрирующая поверхность имеет неодинаковую температуру, так как держатели, пружины и токопроводящие проводники в местах крепления способствуют увеличенному теплоотводу. Поэтому увеличение накала равносильно переходу к катоду с большей температурой и с большей поверхностью.

Рис. 12. Семейство анодных статических характеристик диода.

В области насыщения также наблюдается веерообразное расхождение реальных характеристик, так как здесь с увеличением анодного напряжения напряженность поля у поверхности катода возрастает. Это сопровождается уменьшением работы выхода, а следовательно, и увеличением эмиссии. Особенно сильно указанное явление выражено у торнрованных и оксидных катодов. При увеличении напряженности поля на поверхности этих катодов, вследствие неоднородности активного слоя, возникают участки с повышенной эмиссией, что приводит к местным перегревам. Это следует учитывать при снятии характеристик лампы с оксидными катодами.

На рис. 13 показаны эмиссионные характеристики диода. Из их рассмотрения следует, что по мере увеличении напряжения накала пространственный заряд сильно возрастает. При этом происходит переход работы из режима насыщения в режим ограничения тока пространственным зарядом.

Тормозящее поле последнего настолько сильно действует на вылетающие из катода электроны, возвращая часть из них обратно, что анодный ток остается почти постоянным, несмотря на повышение температуры катода. Режим насыщения при меньших значениях U а наступает соответственно при меньших значениях U н . В приведенном на рисунке случае

Рис. 13. Семейство эмиссионных характеристик диода.

Аналитическая зависимость анодного тока от анодного напряжения в режиме ограничения тока пространственным зарядом выражается законом степени 3/2 и записывается в следующей форме:

где А — коэффициент, прямо пропорциональный площади анода и обратно пропорциональный квадрату расстояния между электродами.

На рис. 12 пунктиром показана расчетная анодная характеристика диода. Расчетная или, как ее называют, теоретическая характеристика несколько отличается от реальной характеристики диода, так как при выводе формулы (13) предполагалась неограниченная эмиссионная способность катода, а также не учитывались начальная скорость электронов и неравномерность разогрева катода.

Эмиссионная характеристика, приведенная на рис. 13 , начинается не из начала координат, так как при малых напряжениях накала (менее 15—20% номинального) эмиссия практически отсутствует (температура катода мала). При пониженном напряжении накала диод работает в режиме насыщения. По мере увеличения напряжения накала возрастает пространственный заряд и рост анодного тока замедляется.

Чем выше напряжение на аноде, тем больше протяженность участка характеристики, соответствующего режиму насыщения.

Electronov.net | Библиотека

Диод (англ. diode, от др.-греч. δις — два и ὁδός — путь) – устройство на основе полупроводника, обладающее различной проводимостью в зависимости от направления электрического поля.

Принцип работы:

Принцип работы основан на использовании явления p-n перехода, проводимость которого зависит от полярности приложенного напряжения. Подробнее об этом явлении можно прочитать здесь.

Функции (в зависимости от конструкции и назначения):

Избирательное пропускание тока, в зависимости от его направления.
Стабилизация напряжения.
Прием световых сигналов.
Излучение света.

Назначение:

Преобразования переменного тока в однонаправленный пульсирующий (выпрямление тока).
Выделение средневыпрямленного и среднеквадратичного значения тока (диодные детекторы).
Защита устройств от неправильной полярности включения, защита входов схем от перегрузки, ключей от пробоя ЭДС самоиндукции, возникающей при выключении индуктивной нагрузки и т.п.
Коммутация высокочастотных сигналов.
Ограничение или стабилизация уровня напряжения.
Детектирование наличия и уровня освещенности.
Излучение света.

Классификация диодов:

По способу монтажа:

для поверхностного монтажа (SMD/SMT);
для навесного монтажа (TH);
интегральные (тонкопленочные).

По назначению:

Выпрямительные;
Импульсные;

Имеют малую длительность переходных процессов, предназначены для применения в импульсных режимах работы.

Детекторные;
Смесительные;

Предназначены для преобразования высокочастотных сигналов в сигналы разностной частоты, определяемой частотой задающего генератора.

Переключательные;

Применяются в устройствах управления уровнем сверхвысокочастотной мощности.

Ограничительные;
Защитные;

Защита аппаратуры от повышения сетевого напряжения.

Генераторные;

Используются для генерации ВЧ и СВЧ колебаний.

Приемные;
Излучательные.

По конструкции:

Диод Шоттки;
СВЧ-диод;
Стабилитрон (диод Зенера);
Варикап;
Светодиод;
Фотодиод;
Pin диод;
Лавинный диод;
Лавинно-пролетный диод;
Диод Ганна;
Туннельный диод;
Обращенный диод.

По размеру p—n перехода:

плоскостные;
точечные.

По частотному диапазону:

Низкочастотные;
Высокочастотные;
СВЧ.

ВАХ диода:

Для начала рассмотрим ВАХ идеального диода.

ВАХ идеального диода

Рисунок 1 — ВАХ идеального диода.

Как видно из графика, диод проводит ток только при прямом напряжении на его выводах (т.е. плюс на аноде, минус на катоде). Ток I₀ – это ток насыщения, т.е. максимальный обратный ток, вызванный тепловым дрейфом носителей тока в области p-n перехода, он на несколько порядков меньше прямого тока.

Для любителей формул, можно отметить, что ВАХ идеального диода описывается следующим выражением:

$\displaystyle {{I}_{front}}(U)={{I}_{0}}\cdot ({{e}^{\frac{U}{{{\varphi }_{T}}}}}-1)\text{.}$

I₀ – ток насыщения.

${{\varphi }_{T}}=\frac{kT}{q}=\frac{kT}{{\bar{e}}}\approx 26\text{ mV}$ — тепловой потенциал (е – элементарный заряд электрона, k – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура).

Однако, в жизни, как известно, не все так просто и приходится постоянно напрягать свой мозг. ВАХ реального диода несколько отличается.

ВАХ реального диода

Рисунок 2 — ВАХ реального диода.

Первое отличие – разное напряжение открывания диода (U₀), в зависимости от используемого материала полупроводника. Для кремния (Si) оно составляет примерно 0.7 В; для германия (Ge) – 0.3 В.

Второе отличие – другой вид обратной ветви, наличие пробоя p-n перехода.

Обычно выделяют участки электрического (А-Б) и теплового (Б-В) пробоя. Электрический пробой по своей сути нарушает лишь электрическую изоляцию областей p-n перехода, поэтому он является обратимым. Тепловой пробой напротив, нарушает физическую целостность p-n перехода, по сути, он просто выгорает, очевидно, что тепловой пробой является необратимым и приводит в негодность элемент.

Если Вам интересны причины пробоя, то следующий абзац для Вас.

Электрический пробой:

Электрический пробой возникает из-за резкого возрастания обратного тока вследствие резкого уменьшения сопротивления запирающего слоя. Внимательный читатель тут же возразит: «как же так? Ведь увеличение обратного напряжения для p-n перехода вызывает увеличение геометрических размеров запирающего слоя, а, следовательно, и его сопротивления!». А объясняется это дело достаточно просто. Реальность всегда придумывает Нам какие-либо сложности, поэтому в полупроводниках присутствуют два явления – лавинное размножение заряда и туннельный эффект, по названиям, которых и разделяют электрический пробой на лавинный и туннельный. И если для понимания первого эффекта достаточно прочитать про его суть, то туннельный эффект является квантовым эффектом, и для его понимания просто необходимо напрячь свой мозг.

Лавинное размножение заряда происходит за счет явления ударной ионизации, суть которого состоит в том, что электроны, ускоряясь электрическим полем, приобретают энергию, достаточную для выбивания электронов из атомов кристаллической решетки полупроводника, которые в свою очередь, также ускоряются данным полем, и происходит так называемый «лавинный» процесс отрыва электронов от атомов электрическим полем. Результатом этих процессов является резкое увеличение проводимости, а, следовательно, уменьшение сопротивления запирающего слоя практически без изменения его геометрических размеров.

Туннельный эффект (в англоязычной литературе также известен как эффект Зенера) наиболее вероятен в p-n переходах малой толщины. Суть его в том, что электроны, имеющие полную энергию меньше, чем высота энергетического барьера, таки проникают через этот энергетический барьер, в нашем случае — барьер p-n перехода, без изменения энергии, при таких напряжениях, когда зона проводимости в n-области имеет равные энергетические уровни с валентной зоной р-области. Этот эффект является полностью квантовым и противоречит классической механике. В качестве упрощенного объяснения можно сказать следующее. Из решения уравнения Шредингера для задачи потенциального барьера, следует ненулевой коэффициент прозрачности барьера для частиц с энергией равной или менее высоты этого барьера. Ну а чтобы устранить возможные логические трудности, можно вспомнить о соотношении неопределенностей (соотношение Гейзенберга), которое говорит о том, что если мы уменьшаем неопределенность в координате частицы, то увеличиваем неопределенность в импульсе, и наоборот. Следовательно, Мы не можем сказать достоверно, что частица, прошедшая барьер, действительно имела в момент прохождения определенную энергию.

Также нужно отметить, что туннельный эффект носит вероятностный характер, поэтому наибольшая вероятность его возникновения в p-n переходах с большой концентрацией примесей.

Тепловой пробой:

Тепловой пробой возникает, когда выделяемое на p-n переходе количество теплоты, создаваемое обратным током, превышает отводимое. Сопротивление полупроводника уменьшается с ростом температуры, следовательно, из-за снижения сопротивления p-n перехода, через него еще более возрастает протекающий ток и происходит тепловое разрушение p-n перехода.

Паразитные свойства диода:

Влияние температуры:

Так как дрейфовые процессы в полупроводнике играют не последнюю роль, то и температура может существенно изменить ВАХ p-n перехода и соответственно параметры диода.

Влияние температуры на ВАХ диода

Рисунок 3 — Влияние температуры на ВАХ диода.

${{i}_{reverse}}={{i}_{reverse}}({{T}_{0}})\cdot {{2}^{\frac{(T-{{T}_{0}})}{10}}}\text{.}$

${{T}_{0}}$ — нормальная температура окружающей среды ( $20{}^\circ C$ );

— температура эксплуатации диода.

Емкость:

Так как p-n переход является границей раздела областей с различными типами проводимости, т.е. разно полярными зарядами, то вполне очевидно, что он имеет определенную величину электрической емкости. При обратном напряжении на переходе, запирающий слой, имеющий высокое сопротивление, играет роль диэлектрика.

В общем случае емкость диода состоит из барьерной и диффузионной.

Диффузионная емкость вызвана наличием разно полярных зарядов внутри полупроводника. Проявляется эта емкость при протекании значительного прямого тока.

$\displaystyle {{C}_{d}}={{I}_{front}}\cdot \frac{{{\tau }_{eff}}}{{{\varphi }_{T}}}\text{.}$

$\displaystyle {{I}_{front}}$ – протекающий прямой ток через диод;

$\displaystyle {{\tau }_{eff}}$ — эффективное время жизни неосновных носителей заряда;

$\displaystyle {{\varphi }_{T}}$ — тепловой потенциал.

Барьерная емкость возникает из-за наличия неосновных носителей заряда, т.е. из-за того, что ток в полупроводнике может возникать не только при движении электронов, но и при движении дырок.

$\displaystyle {{C}_{b}}=\frac{{{C}_{0}}}{{{\left( 1-\frac{{{U}_{reverse}}}{{{U}_{k}}} \right)}^{\lambda }}}\text{.}$

$\displaystyle {{C}_{0}}$ — емкость p-n перехода при Т = 20 °С и U_обр. = 0 В;

$\displaystyle {{U}_{reverse}}$ — обратное напряжение на диоде;

$\displaystyle {{U}_{k}}$ — контактная разность потенциала p-n перехода (для Si – 0.9-1.2 В; для Ge – 0.6-0.7 В);

$\displaystyle \lambda$ — коэффициент распределения примесей в полупроводнике (0.5 для ступенчатого распределения; 0.3 для линейного).

Что такое ток насыщения диода

16. Нарисуйте и объясните вах (вольт-амперная характеристика) лампового диода. Что такое ток насыщения и как он зависит от температуры? Закон Богулавского-Ленгмюра.

показаны вольт-амперные характеристики диода при разных температурах катода. Когда потенциал анода равен нулю, сила тока мала, она определяется лишь самыми быстрыми термоэлектронами, способными достигнуть анода. При увеличения положительного потенциала анода сила тока возрастает и затем достигает насыщения, т.е. почти перестает зависеть от анодного напряжения.

При увеличении температуры катода увеличивается и значение тока, при котором достигается насыщение. Одновременно увеличивается и то анодное напряжение, при котором устанавливается ток насыщения.

Диод относится к нелинейным элементам, т.е. он не подчиняется закону Ома. Говорят, что диод – это элемент с односторонней проводимостью. Большая часть ВАХ диода описывается законом Богуславского – Ленгмюра или законом «3/2»

зависимость тока анода от напряжения между его катодом и анодом — в режиме пространственного заряда. В этом режиме, являющимся основным для приёмно-усилительных радиоламп, тормозящее действие пространственного заряда ограничивает ток катода до величины, существенно меньшей, чем предельно возможный ток эмиссии катода. В наиболее общей форме закон утверждает, что ток вакуумного диода Ia пропорционален напряжению Ua, возведённому в степень 3/2:

где g — постоянная (первеанс) данного диода, зависящая только от конфигурации и размеров его электродов

17. Основная характеристика и параметры полупроводникового диода. Какая разница между диффузионным и дрейфовым током?

Полупроводниковый прибор с одним р-n-переходом, имеющий два омических вывода, называют полупроводниковым диодом. Одна из областей р-n-структуры (р+), называемаяэмиттером, имеет большую концентрацию основных носителей заряда, чем другая область, называемая базой.

При обратном напряжении диода свыше определенного критического значения наблюдается резкий рост обратного тока -это явление называют пробоем диода.

Емкости диода. Принято говорить об общей емкости диода Сд , измеренной между выводами диода при заданном напряжении смещения и частоте. Общая емкость диода равна сумме барьерной емкости С6 , диффузионной емкости Сдиф и емкости корпуса прибора Ск. Барьерная (зарядная) емкость обусловлена нескомпенсированным объемным зарядом ионов примесей, сосредоточенными по обе стороны от границы р-n-перехода. Диффузионная емкость. Изменение величины объемного заряда неравновесных электронов и дырок, вызванное изменением прямого тока, можно рассматривать как следствие наличия так называемой диффузионной емкости, которая включена параллельно барьерной емкости..

Выпрямительные диоды используют для выпрямления переменных токов частотой 50 Гц – 100 кГц. В них используется главное свойство p-n-перехода – односторонняя проводимость.

Дифференциальным сопротивлением диода называют отношение приращения напряжения на диоде к вызванному им приращению тока :r ДИФ = dU/dI

Статическая вольт-амперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода. Здесь же пунктиром показана теоретическая ВАХ электронно-дырочного перехода, определяемая соотношением I=I0(еU/(mjт)-1), где Iо — обратный ток насыщения (ток экстракции, обусловленный неосновными носителями заряда; значение его очень мало); U — напряжение на p-n-переходе; jт = kT/e — температурный потенциал (k — постоянная Больцмана, Т — температура, е — заряд электрона); m — поправочный коэффициент: m = 1 для германиевых р-n-переходов и m = 2 для кремниевых p-n-переходов при малом токе).

Ток, возникающий при диффузии носителей заряда из области, где их концентрация повышена в направлении области с более низкой концентрацией, называется диффузионным. область, содержащая неподвижные заряды, создает электрическое поле, величина которого пропорциональна размерам заряженных областей, а направление такое, что вызывает дрейф электронов или дырок навстречу диффузионному потоку.

Дрейфовым потоком (током проводимости) называется перенос носителей заряда вследствие действия на них электрического поля. Поэтому можно рассматривать результирующий перенос носителей данного типа как разность между переносом вследствие диффузии и переносом за счет дрейфа, т.е. как разность между диффузионным и дрейфовым токами. При равновесии дрейфовые и диффузионные компоненты электронных и дырочных потоков уравновешивают друг друга и полный ток во внешних выводах равен нулю. Диффузия и дрейф происходят только вблизи перехода. Вдали от перехода р- и n-области нейтральны и однородны. Степень неравномерности распределения носителей заряда характеризуется градиентом концентрации; его определяют как отношение изменения концентрации к изменению расстояния, на котором оно происходит. Чем больше градиент концентрации, т.е. чем резче она изменяется, тем больше диффузионный ток.