Definición y dibujo de un diodo rectificador. Principio de funcionamiento, características y tipos de diodos rectificadores.

La característica corriente-voltaje (CVC) es una gráfica de la dependencia de la corriente en el circuito externo de la unión p-n del valor y la polaridad del voltaje que se le aplica. Esta dependencia se puede obtener experimentalmente o calcular en base a la ecuación característica corriente-voltaje. . La corriente térmica de una unión pn depende de la concentración de impurezas y la temperatura. Un aumento en la temperatura de la unión p-n conduce a un aumento en la corriente térmica y, en consecuencia, a un aumento en las corrientes directa e inversa. Un aumento en la concentración del dopante conduce a una disminución en la corriente térmica y, en consecuencia, a una disminución de las corrientes directa e inversa de la unión p-n.

14. Desglosepag- norte-transición- llamado cambio brusco en el modo de funcionamiento de una unión bajo voltaje inverso. Acompañado

Un fuerte aumento de la corriente inversa, con una tensión inversa ligeramente decreciente e incluso decreciente:

Tres tipos de avería:

1. Túnel (eléctrico): fenómeno del paso de electrones a través de una barrera de potencial;

2. Avalancha (eléctrica): ocurre si, al moverse antes de la siguiente colisión con un átomo, un agujero (electrón) adquiere energía suficiente para ionizar el átomo;

3. Ruptura térmica (irreversible): ocurre cuando el semiconductor se calienta y la conductividad aumenta en consecuencia.

15. Diodo rectificador: finalidad, voltaje corriente-voltaje, parámetros principales,

Los diodos rectificadores se utilizan para convertir corriente alterna en corriente pulsante en una dirección y se utilizan en fuentes de alimentación para equipos electrónicos.

diodos rectificadores de germanio

La fabricación de diodos rectificadores de germanio comienza fusionando indio en la oblea semiconductora de germanio tipo n original. A su vez, la placa original se suelda a un soporte de cristal de acero para diodos rectificadores de baja potencia o a una base de cobre para diodos rectificadores de alta potencia.

Fig. 24 diseño de un diodo de aleación de baja potencia. 1- soporte de cristal; 2 – cristal; 3 – interno conclusión; 4 – edificio kovar; 5 – aislante; 6 – tubo kovar; 7 – salida externa

Arroz25 I-V característica de un diodo de germanio

En la Fig. 25 se puede ver que al aumentar la temperatura, la corriente inversa del diodo aumenta significativamente y la magnitud del voltaje de ruptura disminuye.

Los diodos de germanio para diversos fines tienen un valor de corriente rectificada de 0,3 a 1000 A. La caída de tensión directa no supera los 0,5 V y la tensión inversa permitida es de 400 V. La desventaja de los diodos de germanio es su descomposición irreversible incluso durante sobrecargas de impulsos de corta duración.

Diodos rectificadores de silicio

Para obtener una unión p-n en diodos rectificadores de silicio, se funde aluminio en un cristal de silicio de tipo n, o una aleación de oro y antimonio en silicio de tipo p. También se utilizan métodos de difusión para obtener transiciones. Los diseños de varios diodos de silicio de baja potencia prácticamente no se diferencian de los diseños de diodos de germanio similares.

Las propiedades de un diodo están determinadas por su característica corriente-voltaje (característica voltamperio), que se muestra en la figura. 2.7. Puede describirse aproximadamente mediante la ecuación.

I=I 0 (y Ud. / metro jt – 1), (2.1)

Dónde I 0 – corriente de saturación de la unión polarizada inversa (corriente térmica inversa); Ud.– voltaje en pag-norte- transición; j t = kt/q– potencial térmico igual a la diferencia de potencial de contacto j k en la frontera pag-norte transición en ausencia de voltaje externo; k=1,38×10 -23 J/K – constante de Boltzmann; t- temperatura absoluta; q=1,6×10 -19 culombio – carga de electrones; metro– factor de corrección teniendo en cuenta las desviaciones de la teoría. a una temperatura t= 300 K, j t = 0,026 V.

Arroz. 2.7

Hay dos ramas en la característica corriente-tensión: sucursal directa, que está en el primer cuadrado y rama inversa en el tercer cuadrado. La ecuación (2.1) describe bien las características de un diodo real en dirección directa y para corrientes pequeñas. De acuerdo con (2.1), la resistencia del diodo no es lineal. En el caso de la resistencia lineal, la característica corriente-tensión sería una línea recta.

En la rama recta de la característica real de corriente-voltaje hay una curva pronunciada, que se caracteriza por voltaje de conmutación. Para los diodos de germanio, el voltaje de encendido es de aproximadamente 0,3 V, para los diodos de silicio es de aproximadamente 0,6 V.

El valor de la corriente inversa en la rama de retorno es aproximadamente constante en un amplio rango de voltaje. Cuando se excede un cierto valor de voltaje inverso, llamado voltaje de ruptura Ud. muestras, comienza un proceso similar a una avalancha de crecimiento de corriente inversa, correspondiente a una falla eléctrica pag - norte- transición. Si la corriente no se limita en este momento, la falla eléctrica se convertirá en una falla térmica. La rotura térmica es causada por un aumento en el número de transportistas en pn- transición. En este caso, la potencia liberada en el diodo. Ud. Arr. I el retorno no tiene tiempo de desviarse del cruce, su temperatura aumenta, la corriente inversa crece y, en consecuencia, la potencia sigue creciendo. La degradación térmica es irreversible porque destruye pag–norte- transición.

Para un diodo existen varias estipulaciones. parámetros principales:

Corriente directa nominal;

Tensión inversa máxima;

Caída de tensión directa;

Corriente inversa constante;

Corriente directa máxima (para ello se especifica el modo de funcionamiento, por ejemplo, el tiempo de conducción).

Predominan los diodos de silicio, ya que tienen una temperatura máxima de funcionamiento más alta (150 o C frente a 75 o C para los diodos de germanio), permiten una mayor densidad de corriente directa (60 ¸ 80 A/cm 2 frente a 20 ¸ 30 A/cm 2), y tienen corrientes inversas más bajas (aproximadamente un orden de magnitud) y voltajes inversos permitidos más altos (1500-2800 V en comparación con 600-800 V). Sin embargo, los diodos de silicio tienen una mayor caída de tensión directa, lo que. para diodos de germanio Ud. pr =0,3¸0,4V, y para diodos de silicio Ud. pr = 0,6¸1,2 V.

El rendimiento de un diodo está determinado por la potencia liberada en él. PAG=interfaz de usuario. Ud. Y I referirse a un cierto punto de la característica corriente-voltaje. El poder determina el calor. La sección de trabajo del diodo en la característica corriente-voltaje Fig. 2.7 está marcado con una línea gruesa. Si el diodo comienza a funcionar en áreas no operativas de la característica corriente-voltaje, falla porque la potencia excede lo permitido, el calentamiento excede lo permitido y el diodo se destruye.

Al considerar los modos de funcionamiento de los circuitos con diodos, se representan como dispositivos idealizados que son conductores ideales en la dirección de avance y aislantes ideales en la dirección inversa. La característica corriente-tensión idealizada se muestra en la figura. 2.8, y la dependencia de la característica corriente-voltaje de la temperatura se muestra en la Fig. 2.9.


Arroz. 2.8	Arroz. 2.9

Tipos de diodos

Los siguientes tipos de diodos se distinguen por su finalidad:

– rectificar;

– pulsado;

- alta frecuencia;

– Diodos Zener y estabilizadores.

Los diodos también se distinguen por sus propiedades de potencia y frecuencia.

diodos rectificadores. Diseñado para funcionar a voltajes de frecuencia de hasta varios kHz y en flancos lentos del voltaje de suministro. No diseñado para voltaje de suministro rectangular. Para los diodos rectificadores, se especifican dos parámetros principales:

1. Corriente nominal continua (valor medio).

Hay diodos disponibles para corrientes de 10 mA a 1000 A. La tensión inversa oscila entre 10 V y varios kV. Para diodos de alta potencia (corriente > 10 A), la tensión inversa está determinada por la clase del diodo. La clase de diodo es 100 V multiplicado por el número de clase. Número de clase del 1 al 20. Por ejemplo: D50-12, aquí 50 es la corriente nominal continua en A; 12 ° grado. La clase es un parámetro utilizado para diodos de potencia y caracteriza el voltaje inverso. Para diodos potentes, la corriente directa nominal solo se permite cuando el diodo está instalado en un radiador y con refrigeración forzada a una velocidad del aire de 12 m/s. Sin refrigeración por aire forzado (solo hay un radiador), la corriente permitida es aproximadamente el 30% de la nominal. Las siguientes designaciones son comunes para los diodos modernos: D XXXY o CD XXXY, donde CD es un diodo de silicio, XXX- números, Y- carta. El primer número indica el tipo de diodo (rectificador - 1, 2). La letra define el voltaje inverso.

Parámetros secundarios:

1.Corriente inversa máxima I arr.max (de decenas de nA a decenas de mA).

2.Caída de tensión directa Ud. pr (0,3¸1,2V).

3. La frecuencia máxima de funcionamiento hasta la cual se proporcionan las corrientes, voltajes y potencias especificadas.

Arroz. 2.10

4. Es hora de restaurar las propiedades de bloqueo del diodo.

El diodo no conduce (ni se apaga) cuando se aplica voltaje inverso. El bloqueo es una transición de un estado conductor a un estado no conductor. Cuando se aplica un voltaje inverso de onda cuadrada, el diodo se comporta como se muestra en la figura. 2.10. El intervalo I es el tiempo de resorción del portador, el intervalo II es el aumento de corriente inversa. Está asociado con la presencia de una capacitancia de barrera del diodo. Intervalo t c – tiempo de recuperación, es decir el tiempo de transición desde el estado conductor hasta que se establece la corriente inversa en la característica corriente-voltaje. Debido a la imperfección del diodo, la frecuencia máxima de su funcionamiento es limitada. A frecuencias muy altas, el diodo deja de realizar sus funciones.

Arroz. 2.11

Diodos de alta frecuencia. Para ellos se especifican los mismos parámetros (principal y secundario), pero pueden funcionar a altas frecuencias y tienen un tiempo de recuperación corto (en comparación con los rectificadores). Para ellos, se proporciona una gráfica de la corriente directa en función de la frecuencia. El gráfico se muestra en la Fig. 2.11.

Diodos de pulso. Se especifican los mismos parámetros básicos que para los diodos discutidos anteriormente, y también se proporciona un parámetro secundario importante: la corriente del pulso durante un tiempo específico.

Diodos Zener y estabilizadores.. La parte funcional de la característica corriente-voltaje de los diodos Zener es la rama inversa. La rama directa es igual que los diodos, también se puede utilizar.

La característica corriente-voltaje del diodo zener se muestra en la figura. 2.12. Para los diodos Zener, se indican dos parámetros principales:

Ud. st – tensión de estabilización del diodo zener;

Ist.n – corriente nominal del diodo zener.


Arroz. 2.12	Arroz. 2.13

Ud. st = 3,3¸170V. Para Ud. st indica la dispersión en porcentaje o en voltios, así como el cambio Ud. st cuando cambia la temperatura. Para diodos zener de baja potencia I st.min =1¸3 metro A, Es t.máx =30 metro A. I st.n para diodos zener potentes es de varios cientos metro A.

Los estabilizadores son diodos Zener que utilizan la rama directa de la característica corriente-voltaje, es decir Este es un diodo con una gran caída de voltaje que es constante a medida que cambia la corriente. La característica corriente-voltaje del stabistor se muestra en la figura. 2.13. Esta característica corriente-voltaje se crea tecnológicamente. Los diodos Zener y los estabilizadores se pueden conectar en serie, pero no en paralelo. Se utilizan en estabilizadores y limitadores de voltaje.

Preguntas de control

1. ¿Cuál es la barrera de potencial de un diodo semiconductor y cómo se forma?

2. Describe brevemente los circuitos de conexión de un diodo semiconductor.

3. Describir las características reales e ideales de voltios-amperios de un diodo semiconductor.

4. Enumere los principales parámetros de un diodo semiconductor.

5. Describir los principales tipos de diodos.

6. Enumere los parámetros menores de un diodo semiconductor.

7. ¿Cómo se marca un diodo semiconductor?

El principio de funcionamiento y las características principales de los diodos rectificadores semiconductores se pueden considerar utilizando su característica corriente-voltaje (CVC), que se presenta esquemáticamente en la Figura 1.

Tiene dos ramas correspondientes a la conexión directa e inversa del diodo.

Cuando se conecta directamente un diodo rectificador, una corriente notable comienza a fluir a través de él cuando se alcanza un cierto voltaje Uopen en el diodo. Esta corriente se llama Ipr directa. Sus cambios tienen poco efecto sobre el voltaje Uopen, por lo que para la mayoría de los cálculos se puede aceptar su valor:

0,7 voltios para diodos de silicio,
0,3 voltios - para germanio.

Naturalmente, la corriente directa del diodo no se puede aumentar indefinidamente; en su valor determinado Ipr.max, este dispositivo semiconductor fallará. Por cierto, hay dos fallos principales en los diodos semiconductores:

ruptura: el diodo comienza a conducir corriente en cualquier dirección, es decir, se convierte en un conductor ordinario. Además, primero se produce una falla térmica (esta condición es reversible), luego una falla eléctrica (después de la cual el diodo se puede desechar de manera segura),
pausa: creo que aquí las explicaciones son innecesarias.

Si el diodo se conecta en la dirección inversa, a través de él fluirá una insignificante corriente inversa Irev, que, por regla general, puede despreciarse. Cuando se alcanza un cierto valor de la tensión inversa Urev, la corriente inversa aumenta bruscamente y el dispositivo vuelve a fallar.

Los valores numéricos de los parámetros considerados para cada tipo de diodo son individuales y son sus principales características eléctricas. Debo señalar que existen otros parámetros (capacidad propia, diferentes coeficientes de temperatura, etc.), pero para empezar, los enumerados serán suficientes.

Aquí propongo terminar con la teoría pura y considerar algunos esquemas prácticos.

DIAGRAMAS DE CONEXIÓN DE DIODOS

Primero, veamos cómo funciona un diodo en un circuito directo (Fig. 2) y alterno (Fig. 3), lo que debe tenerse en cuenta al encender los diodos de una forma u otra.

Cuando se aplica un voltaje directo al diodo, comienza a fluir una corriente a través de él, determinada por la resistencia de carga Rн. Dado que no debe exceder el valor máximo permitido, se debe determinar su valor y luego seleccionar el tipo de diodo:

Ipr = Un/Rn - es simple - esta es la ley de Ohm.

Un=U-Uopen: consulte el principio del artículo. A veces se puede descuidar el valor de Uopen, hay casos en los que es necesario tenerlo en cuenta, por ejemplo, al calcular el diagrama de conexión del LED.

Esto es lo más importante que debe recordar.

Ahora, varios diagramas para conectar diodos, que a menudo se encuentran en la práctica.

Sin duda, el líder aquí es el circuito puente de diodos, utilizado en todo tipo de rectificadores (Figura 4). Puede parecer diferente, el principio de funcionamiento es el mismo, creo que todo queda claro en el dibujo. Por cierto, la última opción es un símbolo para el puente de diodos en su conjunto. Se utiliza para simplificar la designación de los dos esquemas anteriores.

Los diodos pueden actuar como elementos de "desacoplamiento". Las señales de control Control1 y Control2 se combinan en el punto A y no hay influencia mutua de sus fuentes entre sí. Por cierto, esta es la versión más simple de la implementación del circuito lógico "o".
Protección contra la inversión de polaridad (jerga - "protección contra los tontos"). Si existe la posibilidad de una conexión incorrecta de la polaridad del voltaje de suministro, este circuito protege el dispositivo contra fallas.
Transición automática a alimentación desde una fuente externa. Dado que el diodo se "abre" cuando el voltaje a través de él alcanza Uopen, entonces cuando Uext la energía se suministra desde una fuente interna; de lo contrario, se conecta una externa.

Todos los materiales presentados en este sitio tienen fines informativos únicamente y no pueden utilizarse como pautas o documentos reglamentarios.

Hay muchos dispositivos creados con el propósito de convertir corriente eléctrica, y los diodos rectificadores son uno de ellos.

Diodo rectificador: convertidor de corriente alterna en corriente continua. Es un tipo de semiconductor. Se utiliza ampliamente debido a su característica principal: la transferencia de corriente eléctrica estrictamente en una dirección.

Principio de operación

El efecto necesario durante el funcionamiento del dispositivo lo crean las características de la unión p-n. Consisten en que cerca de la unión de dos semiconductores se construye una capa, que se caracteriza por dos puntos: alta resistencia y ausencia de portadores de carga. Además, cuando esta capa de barrera se expone a una tensión alterna desde el exterior, su espesor disminuye y posteriormente desaparece. La corriente que aumenta durante esto es la corriente continua que pasa del ánodo al cátodo. Si cambia la polaridad del voltaje alterno externo, la capa de bloqueo será más grande y la resistencia inevitablemente aumentará.

La característica corriente-voltaje del diodo rectificador (característica voltamperio) también da una idea de las características específicas del funcionamiento del rectificador y no es lineal. Se ve así: hay dos ramas: adelante y atrás. El primero refleja la conductividad más alta del semiconductor cuando ocurre una diferencia de potencial directa. El segundo indica el valor de baja conductividad con una diferencia de potencial inversa.

Las características corriente-voltaje del rectificador son directamente proporcionales a la temperatura, con un aumento en el que disminuye la diferencia de potencial. no pasará a través del dispositivo en caso de baja conductividad, pero se producirá una avalancha si el voltaje inverso aumenta a un cierto nivel.

Usando un ensamblaje

Cuando se utiliza un rectificador de diodos semiconductores, sólo se utiliza la mitad de las ondas de corriente alterna y, por lo tanto, se pierde irremediablemente más de la mitad de la tensión de entrada.

Para mejorar la calidad de la conversión de corriente alterna a corriente continua, se utiliza un conjunto de cuatro dispositivos: un puente de diodos. Se diferencia favorablemente en que pasa corriente durante cada medio ciclo. Los puentes de diodos se fabrican en forma de un kit encerrado en una caja de plástico.

Diagrama esquemático de un puente de diodos.

Parámetros físicos y técnicos.

Los principales parámetros de los diodos rectificadores se basan en los siguientes valores:

el valor máximo permitido de la diferencia de potencial al rectificar la corriente, en el que el dispositivo no fallará;
la corriente rectificada promedio más alta;
el valor más alto de voltaje inverso.

La industria produce rectificadores con diferentes características físicas. En consecuencia, los dispositivos tienen diferentes formas y métodos de instalación. Se dividen en tres grupos:

Diodos rectificadores de alta potencia. Se caracterizan por una capacidad de corriente de hasta 400 A y son de alto voltaje. Los diodos rectificadores de alto voltaje se producen en dos tipos de paquetes: pin, donde la carcasa está sellada y de vidrio, y tableta, donde la carcasa está hecha de cerámica.
Diodos rectificadores de media potencia. Tienen una capacidad desde 300 mA hasta 10A.
Diodos rectificadores de baja potencia. El valor de corriente máximo permitido es de hasta 300 mA.

Selección de diodos rectificadores.

Al comprar un dispositivo, uno debe guiarse por los siguientes parámetros:

valores de la característica corriente-voltaje de la corriente máxima inversa y máxima;
tensión directa e inversa máxima permitida;
intensidad de corriente rectificada promedio;
material del dispositivo y tipo de instalación.

Dependiendo de las características físicas, se aplica una designación correspondiente al cuerpo del dispositivo. En un libro de referencia especializado se presenta un catálogo con marcas de diodos rectificadores. Debe saber que el etiquetado de los análogos importados difiere del nacional.

También vale la pena prestar atención al hecho de que los circuitos rectificadores difieren en el número de fases:

Fase única. Ampliamente utilizado para electrodomésticos. Hay diodos para automóviles y para soldadura por arco eléctrico.
Multifásico. Indispensable para equipamiento industrial, transporte público y especial.

diodo Schottky

Una posición especial la ocupa el diodo Schottky. Fue inventado en relación con las crecientes necesidades de la industria de la radioelectrónica en desarrollo. Su principal diferencia con otros diodos es que su diseño incluye un semiconductor metálico como alternativa a la unión p-n. En consecuencia, el diodo Schottky tiene sus propias propiedades únicas de las que los diodos rectificadores de silicio no pueden presumir. Algunos:

renovabilidad operativa de la carga debido a su bajo valor;
caída de voltaje mínima a través de la unión cuando se conecta directamente;
La corriente de fuga es significativa.

Al fabricar un diodo Schottky, se utilizan materiales como el silicio y el arseniuro de galio, pero a veces también se utiliza el germanio. Las propiedades de los materiales son ligeramente diferentes, pero en cualquier caso, la tensión inversa máxima permitida para un rectificador Schottky no supera los 1200 V.

A pesar de todas las ventajas, este tipo de diseño también tiene desventajas. Por ejemplo, en un conjunto de puente, el dispositivo categóricamente no percibe un exceso de corriente inversa. La violación de la condición conduce a la avería del rectificador. Además, se produce una pequeña caída de voltaje a un voltaje bajo de aproximadamente 60-70 V. Si el valor excede este indicador, entonces el dispositivo se convierte en un rectificador normal.

Vale la pena señalar que las ventajas de un potente diodo rectificador Schottky superan significativamente las desventajas.

diodo Zener

Para estabilizar el voltaje, se utiliza un dispositivo especial que puede funcionar en modo de ruptura: un diodo Zener, cuyo nombre extranjero es "diodo Zener". El dispositivo realiza su función funcionando en modo de ruptura con un voltaje de polarización inversa. La corriente aumenta en el momento de la ruptura, al mismo tiempo el valor diferencial cae al mínimo, como resultado de lo cual el voltaje es estable y cubre un rango bastante serio de corrientes inversas.

Uso práctico del diodo rectificador.

Debido al imparable desarrollo del progreso científico y tecnológico, el uso de rectificadores ha afectado a todos los ámbitos de la actividad humana. Los diodos rectificadores de potencia se utilizan en los siguientes componentes y mecanismos:

en suministros de energía para motores principales de vehículos (terrestres, aéreos y acuáticos), máquinas y equipos industriales, plataformas de perforación;
completo con puente de diodos para máquinas de soldar;
en instalaciones de rectificación de baños galvánicos utilizados para producir metales no ferrosos o aplicar una capa protectora a una pieza o producto;
en instalaciones rectificadoras para depuración de agua y aire, filtros de diversa índole;
para transmitir electricidad a largas distancias a través de líneas eléctricas de alto voltaje.

En la vida cotidiana, los rectificadores se utilizan en varios circuitos de transistores. Se utilizan principalmente dispositivos de baja potencia, tanto en forma de rectificador de media onda como en forma de puente de diodos. Por ejemplo, los diodos de la unidad rectificadora del generador son bien conocidos por los entusiastas de los automóviles.

diodo semiconductor - Este es un dispositivo semiconductor con una unión p-n y dos electrodos. El principio de funcionamiento de un diodo semiconductor se basa en el fenómeno de la unión p-n, por lo que para estudiar más a fondo cualquier dispositivo semiconductor es necesario saber cómo funciona.

Diodo rectificador (también llamado válvula) es un tipo de diodo semiconductor que sirve para convertir corriente alterna en corriente continua.

El diodo tiene dos terminales (electrodos) ánodo y cátodo. El ánodo está conectado a la capa p, el cátodo a la capa n. Cuando se aplica un positivo al ánodo y un negativo al ánodo (conexión directa del diodo), el diodo pasa corriente. Si se aplica un menos al ánodo y un más al cátodo (conexión inversa del diodo), no habrá corriente a través del diodo, esto se puede ver en las características de voltios-amperios del diodo. Por lo tanto, cuando se suministra voltaje alterno a la entrada del diodo rectificador, solo pasa una media onda a través de él.

Característica corriente-voltaje (característica voltamperio) del diodo.

La característica corriente-voltaje del diodo se muestra en la figura. I. 2. El primer cuadrante muestra la rama directa de la característica, que describe el estado de alta conductividad del diodo cuando se le aplica un voltaje directo, que se linealiza mediante una función lineal por partes.

tu = U 0 +R D yo

donde: u es el voltaje en la válvula cuando pasa la corriente i; U 0 - voltaje umbral; R d - resistencia dinámica.

En el tercer cuadrante hay una rama inversa de la característica corriente-voltaje, que describe el estado de baja conductividad cuando se aplica un voltaje inverso al diodo. En un estado de baja conductividad, prácticamente no fluye corriente a través de la estructura del semiconductor. Sin embargo, esto sólo es cierto hasta un cierto valor de tensión inversa. Con voltaje inverso, cuando la intensidad del campo eléctrico en la unión pn alcanza aproximadamente 10 s V/cm, este campo puede transmitirse a los portadores de carga móviles: electrones y huecos, que aparecen constantemente en todo el volumen de la estructura del semiconductor como resultado de la generación térmica. - energía cinética suficiente para la ionización de átomos de silicio neutros. Los huecos resultantes y los electrones de conducción, a su vez, son acelerados por el campo eléctrico de la unión pn y también ionizan átomos de silicio neutros. En este caso se produce un aumento de la corriente inversa similar a una avalancha, es decir E. ruptura de avalancha.

El voltaje al que se produce un fuerte aumento en la corriente inversa es llamado voltaje de ruptura U 3 .

Diodo– un dispositivo semiconductor de dos electrodos con una unión p-n, que posee conductividad de corriente unidireccional. Hay muchos tipos diferentes de diodos: rectificadores, de pulso, de túnel, inversos, de microondas, así como diodos Zener, varicaps, fotodiodos, LED, etc.

El funcionamiento del diodo rectificador se explica por las propiedades de la unión eléctrica p-n.

Cerca de la frontera de dos semiconductores se forma una capa que carece de portadores de carga móviles (debido a la recombinación) y tiene una alta resistencia eléctrica: la llamada capa de bloqueo. Esta capa determina la diferencia de potencial de contacto (barrera de potencial).

Si se aplica un voltaje externo a la unión p-n, creando un campo eléctrico en la dirección opuesta al campo de la capa eléctrica, entonces el espesor de esta capa disminuirá y a un voltaje de 0,4 - 0,6 V la capa de bloqueo desaparecerá y la corriente aumentará significativamente (esta corriente se llama recta).

Cuando se conecta un voltaje externo de diferente polaridad, la capa de bloqueo aumentará y la resistencia de la unión p-n aumentará, y la corriente debida al movimiento de los portadores de carga minoritarios será insignificante incluso con voltajes relativamente altos.

La corriente directa del diodo la crean los principales y la corriente inversa la crean los portadores de carga minoritarios. El diodo pasa corriente positiva (continua) en la dirección del ánodo al cátodo.

En la Fig. La Figura 1 muestra la designación gráfica convencional (UGO) y las características de los diodos rectificadores (sus características corriente-voltaje ideales y reales). La ruptura visible en la característica corriente-voltaje (CVC) del diodo en el origen está asociada con diferentes escalas de corrientes y voltajes en el primer y tercer cuadrante del gráfico. Los dos terminales del diodo: ánodo A y cátodo K no están marcados en la UGO y se muestran en la figura para mayor claridad.

La característica corriente-voltaje de un diodo real muestra la región de falla eléctrica, cuando con un ligero aumento en el voltaje inverso la corriente aumenta bruscamente.

La avería eléctrica es un fenómeno reversible. Al regresar a la zona de trabajo, el diodo no pierde sus propiedades. Si la corriente inversa excede un cierto valor, la falla eléctrica se convertirá en una falla térmica irreversible y el dispositivo fallará.

Arroz. 1. Diodo rectificador semiconductor: a – representación gráfica convencional, b – característica ideal de corriente-voltaje, c – característica real de corriente-voltaje

La industria produce principalmente diodos de germanio (Ge) y silicio (Si).

diodos de silicio tienen bajas corrientes inversas, temperaturas de funcionamiento más altas (150 - 200 °C frente a 80 - 100 °C), soportan altas tensiones inversas y densidades de corriente (60 - 80 A/cm2 frente a 20 - 40 A/cm2). Además, el silicio es un elemento muy abundante (a diferencia de los diodos de germanio, que es un elemento de tierras raras).

Arroz. 4. UGO y estructura de un diodo Schottky: 1 – cristal de silicio inicial de baja resistividad, 2 – capa epitaxial de silicio de alta resistividad, 3 – región de carga espacial, 4 – contacto metálico

Se aplica un electrodo metálico a la superficie de la capa epitaxial, lo que proporciona rectificación pero no inyecta portadores minoritarios en la región de la base (con mayor frecuencia oro). Debido a esto, en estos diodos no ocurren procesos tan lentos como la acumulación y reabsorción de portadores minoritarios en la base. Por tanto, la inercia de los diodos Schottky no es alta. Está determinado por el valor de la capacitancia de barrera del contacto rectificador (1 - 20 pF).

Además, los diodos Schottky tienen una resistencia en serie significativamente menor que los diodos rectificadores, ya que la capa metálica tiene una resistencia baja en comparación con cualquier semiconductor, incluso fuertemente dopado. Esto permite el uso de diodos Schottky para rectificar corrientes importantes (decenas de amperios). Suelen utilizarse en fuentes de alimentación secundarias pulsadas para rectificar tensiones de alta frecuencia (con una frecuencia de hasta varios MHz).

Potapov L.A.

Un diodo semiconductor es un dispositivo semiconductor con una unión eléctrica y dos terminales, que utiliza una u otra propiedad de la unión eléctrica. La unión eléctrica puede ser una unión electrón-hueco, una unión metal-semiconductor o una heterounión.

La región del cristal semiconductor del diodo que tiene una mayor concentración de impurezas (y por tanto de portadores de carga mayoritarios) se llama emisor, y la otra, con menor concentración, se llama base. El lado del diodo al que se conecta el polo negativo de la fuente de energía cuando se conecta directamente a menudo se llama cátodo, y el otro se llama ánodo.

Según su finalidad, los diodos se dividen en:

1. rectificadores (potencia), diseñados para convertir la tensión alterna de fuentes de alimentación de frecuencia industrial en tensión continua;

2. Diodos Zener (diodos de referencia) diseñados para estabilizar voltajes , teniendo en la rama inversa de la característica corriente-voltaje una sección con una débil dependencia del voltaje de la corriente que fluye:

3. varicaps destinados a ser utilizados como capacitancia controlada por voltaje eléctrico;

4. pulso, diseñado para funcionar en circuitos de pulsos de alta velocidad;

5. túnel y reverso, diseñados para amplificar, generar y conmutar oscilaciones de alta frecuencia;

6. frecuencia ultraalta, diseñada para conversión, conmutación y generación de oscilaciones de frecuencia ultraalta;

7. LED diseñados para convertir una señal eléctrica en energía luminosa;

8. fotodiodos, diseñados para convertir la energía luminosa en una señal eléctrica.

El sistema y la lista de parámetros incluidos en las descripciones técnicas y que caracterizan las propiedades de los diodos semiconductores se seleccionan teniendo en cuenta sus características físicas y tecnológicas y su ámbito de aplicación. En la mayoría de los casos, es importante la información sobre sus parámetros estáticos, dinámicos y límite.

Los parámetros estáticos caracterizan el comportamiento de los dispositivos en corriente continua, los parámetros dinámicos caracterizan sus propiedades tiempo-frecuencia, los parámetros límite determinan el área de operación estable y confiable.

1.5. Característica corriente-voltaje del diodo.

La característica corriente-voltaje (característica voltamperio) del diodo es similar a la característica corriente-voltaje pn-transición y tiene dos ramas: avance y retroceso.

La característica corriente-voltaje del diodo se muestra en la Figura 5.

Si el diodo se enciende en la dirección de avance ("+" - al área R, y “-” – al área norte), cuando se alcanza el voltaje umbral Ud. Luego el diodo se abre y a través de él fluye corriente continua. Cuando se vuelve a encender ("-" al área R, y “+” – al área norte) una corriente inversa insignificante fluye a través del diodo, es decir, el diodo está realmente cerrado. Por tanto, podemos considerar que por el diodo pasa corriente en un solo sentido, lo que permite utilizarlo como elemento rectificador.

Los valores de las corrientes directa e inversa difieren en varios órdenes de magnitud, y la caída de voltaje directo no excede unos pocos voltios en comparación con el voltaje inverso, que puede ser de cientos o más voltios. Las propiedades rectificadoras de los diodos son mejores cuanto menor es la corriente inversa a un voltaje inverso determinado y menor es la caída de voltaje a una corriente directa determinada.

Los parámetros de la característica corriente-voltaje son: resistencia dinámica (diferencial) del diodo a corriente alterna y resistencia estática a corriente continua.

La resistencia estática del diodo a la corriente continua en dirección directa e inversa se expresa mediante la relación:

, (2)

Dónde Ud. Y I Especifique puntos específicos en la característica corriente-voltaje del diodo en los que se calcula la resistencia.

La resistencia dinámica de CA determina el cambio de corriente a través de un diodo con un cambio de voltaje cerca de un punto de operación seleccionado en la característica del diodo:

. (3)

Dado que una característica I-V típica de un diodo tiene secciones con mayor linealidad (una en la rama directa, otra en la rama inversa), r d se calcula como la relación entre un pequeño incremento de voltaje a través del diodo y un pequeño incremento de corriente a través de él en un modo dado:

. (4)

Para derivar una expresión para r d, es más conveniente tomar actual como argumento I, y considere el voltaje como una función y, tomando el logaritmo de la ecuación (1), llévelo a la forma:

. (5)

. (6)

De ello se deduce que al aumentar la corriente directa r d disminuye rápidamente, ya que cuando el diodo se enciende directamente I>>I S .

En la sección lineal de la característica corriente-tensión cuando el diodo está conectado directamente, la resistencia estática siempre es mayor que la resistencia dinámica: R st > r D. Al volver a encender el diodo R calle < r d.

Por tanto, la resistencia eléctrica del diodo en la dirección directa es mucho menor que en la dirección inversa. Por tanto, el diodo tiene conductividad unidireccional y se utiliza para rectificar corriente alterna.

RESISTENCIAS, CONDENSADORES

BREVE INFORMACIÓN TEÓRICA

Resistencias

Las resistencias se encuentran entre las partes más comunes de los equipos electrónicos. Su proporción representa del 20 al 50%, es decir, hasta la mitad del número total de componentes de radio en el dispositivo. El principio de funcionamiento de las resistencias se basa en el uso de la propiedad de los materiales de resistir el flujo de corriente. Las resistencias se caracterizan por los siguientes parámetros principales:

Valor de resistencia nominal. Medido en ohmios (Ohm), kiloohmios (kOhm), megaohmios (MOhm). ,

Los valores de resistencia nominal están indicados en el cuerpo de la resistencia. El valor de resistencia nominal corresponde al valor de la serie de resistencia estándar que figura en el Apéndice 1.

Tolerancia la resistencia real de la resistencia a partir de su valor nominal. Esta desviación se mide como porcentaje, está normalizada y determinada por la clase de precisión. Las más utilizadas son tres clases de precisión: I – que permite una desviación de la resistencia del valor nominal de ± 5%, II – de ±10%, III – de ±20%. En los equipos electrónicos modernos, a menudo se utilizan resistencias con mayor precisión de resistencia, se fabrican con tolerancias (%): ±2; ±1; ±0,5; ±0,2; ±0,1; ±0,05; ±0,02; ±0,01, etc.

Valor de potencia nominal disipación de la resistencia Rnom. Este parámetro se mide en vatios (W). Esta es la potencia más alta de corriente continua o alterna que, cuando fluye a través de una resistencia, puede funcionar durante mucho tiempo sin sufrir daños. La potencia Pnom, la corriente I que fluye a través de la resistencia, la caída de voltaje U a través de la resistencia y su resistencia R están relacionadas por la relación: P=UI U=IR. La mayoría de los dispositivos REA utilizan resistencias con una disipación de potencia nominal de 0,125 a 2 W.

Coeficiente de temperatura de resistencia (TCR) de la resistencia. Caracteriza el cambio relativo en la resistencia de la resistencia cuando la temperatura ambiente cambia en 1°C y se expresa como porcentaje. En las resistencias, el TCR es insignificante y promedia décimas, unidades de un porcentaje.

Fuerza electromotriz (EMF) del ruido propio. El ruido propio de la resistencia surge debido al movimiento desordenado de algunos electrones cuando se le aplica un voltaje. La FEM del ruido propio (Esh) se mide en microvoltios por voltio de voltaje aplicado (μV/V). Este valor para las resistencias también es insignificante y equivale a unidades de microvoltios por voltio.

Autoinductancia y capacitancia de resistencias. Están determinados por las dimensiones generales, el diseño y afectan el rango de frecuencia de uso de las resistencias.

Las resistencias se utilizan para limitar la corriente en los circuitos, para crear las caídas de voltaje necesarias en determinadas secciones de los circuitos, para diversos ajustes (volumen, timbres, etc.) y en muchos otros casos.

Designación gráfica de resistencias y diagrama de conexión.

Según GOST 2.728-74, la UGO de una resistencia bobinada constante tiene la siguiente forma:

Arroz. 1. Resistencia bobinada UGO

Hay dos tipos principales de circuitos de conexión de resistencias: conexión en serie de resistencias y conexión en paralelo.

Cuando las resistencias se conectan en serie, su resistencia equivalente será igual a la suma de todas las resistencias individuales.

Cuando las resistencias se conectan en paralelo, su resistencia equivalente se puede calcular usando la fórmula

Condensadores

Un condensador eléctrico es un dispositivo diseñado para almacenar carga eléctrica.

El principio de funcionamiento de un condensador se basa en la acumulación de carga eléctrica entre dos conductores muy próximos entre sí. Estos conductores también se denominan placas. Dependiendo del tipo de dieléctrico que separa las placas, existen diferentes tipos de condensadores.

Los principales parámetros del condensador incluyen:

Capacidad eléctrica nominal– la capacidad de un condensador de acumular cargas eléctricas en sus placas bajo la influencia de un campo eléctrico. La capacidad nominal se indica en el condensador o en la documentación adjunta y se selecciona de acuerdo con la serie instalada. Se mide en faradios [F], pero 1F es un valor bastante grande, por lo que el valor de los condensadores convencionales se utiliza con los prefijos nano- (10 –9), micro- (10 –6), mili- (10 –3 ).

Tolerancia la capacitancia real del capacitor de su valor nominal. Esta desviación se mide como porcentaje, está normalizada y determinada por la clase de precisión.

Coeficiente de temperatura de capacidad (TKE)– cambio relativo en la capacitancia del condensador bajo la influencia de la temperatura. Bajo la influencia de la temperatura, las placas del capacitor cambian sus dimensiones geométricas, la distancia entre ellas y el valor de la constante dieléctrica del capacitor cambian, por lo tanto, el valor de la capacitancia del capacitor también cambia. Para todos los condensadores esta dependencia no es lineal; sin embargo, dependiendo del tipo de dieléctrico, para algunos se acerca a lineal.

Tensión nominal U– el valor máximo permitido de tensión continua (o la suma de la componente constante y la amplitud de la componente alterna) al que el condensador puede funcionar durante toda la vida útil garantizada a temperatura normal.

Designación gráfica de condensadores y diagramas de conexión.

Según GOST 2.728-74, en los diagramas de circuitos eléctricos, los condensadores se designan:

Arroz. 2. Condensador UGO

Hay dos tipos principales de circuitos de condensadores: en serie y en paralelo.

Cuando los condensadores se conectan en paralelo, su capacitancia se suma de acuerdo con la fórmula

Cuando los condensadores se conectan en serie, su capacidad equivalente se puede calcular mediante la fórmula

Marcado de resistencias y condensadores.

Marcas de resistencia

Según GOST 28883-90 – resistencias producidas industrialmente, se utilizan los siguientes sistemas de marcado:

carta llena

Los parámetros y características incluidos en el símbolo completo de la resistencia se indican en la siguiente secuencia: disipación de potencia nominal, resistencia nominal y designación de letras de la unidad de medida, desviación de resistencia permitida en porcentaje (%), característica funcional, designación del extremo del eje y la longitud de la parte sobresaliente del eje.

Un ejemplo de símbolo completo para una resistencia permanente sin cables con número de registro 4, potencia nominal de disipación de 0,5 W, resistencia nominal de 10 kOhm, con una tolerancia de ±1%, nivel de ruido grupo A, grupo TKS - B, versión totalmente climática B.

Р1-4‑0.5‑10kOhm±1% А-Б-В ОжО.467.157 TU

Abreviaturas de letras

Debido a que el símbolo completo ocupa un espacio significativo en el cuerpo de la resistencia, su uso no siempre es posible y conveniente, por lo que se introdujo un símbolo de letra abreviado, que incluye la designación de la resistencia nominal y la desviación permitida. La resistencia nominal se indica mediante un código. La designación codificada de la resistencia nominal consta de tres o cuatro caracteres, incluidos dos o tres números y una letra del alfabeto latino. La letra del código del alfabeto ruso o latino indica el multiplicador que constituye la resistencia y determina la posición del punto decimal. Las letras R, K, M, G, T denotan los factores 1, 10 3, 10 6, 10 9, 10 12, respectivamente. Ejemplos de designaciones codificadas de resistencia nominal son los siguientes: 215 Ohm - 215R, 150 kOhm - 150K, 2,2 Mohm - 2M2,6,8 GOhm - 6G8,1 TOm - 1T0 La designación codificada de la desviación permitida consta de la letra correspondiente a la desviación en %. El significado de las letras codificadas se proporciona en el Apéndice 2.

Además de la codificación descrita anteriormente, las resistencias producidas comercialmente utilizan codificación de colores.

Marcas de condensadores

El marcado con letras cortas de un condensador sigue reglas similares a las del marcado de resistencias. La capacitancia nominal de un condensador se expresa mediante 3 o 4 números y un código multiplicador. Se acostumbra utilizar las siguientes letras p, n, μ, m, correspondientes a los multiplicadores de pico, nano, micro y milifaradio.

Ejemplo de marcado de condensador: p10 – 0,1pF; 1μ5 – 1,5μF.

DIODOS SEMICONDUCTORES:

VAC DEL DIODO RECTIFICADOR

Comparación de las características de un diodo real con las características de una unión pn ideal.

Se sabe que la característica estática corriente-voltaje de un diodo semiconductor idealizado se describe mediante la expresión:

Dónde I– corriente de diodo; Ud.– tensión que se le aplica; Es– corriente de saturación determinada por los parámetros de la unión p-n; kt/q– potencial térmico ( kt/q=0,0259 V a T=300 K).

El tipo de característica descrita por esta expresión se presenta en la Fig. 3.

Arroz. 3. Características corriente-voltaje de una unión p-n ideal.

Al representar las características corriente-voltaje, la escala a lo largo de los ejes de los voltajes directo e inverso se elige de manera diferente, ya que estos valores difieren en órdenes de magnitud. Diferentes escalas dan la impresión de una curvatura en la característica en el punto cero, pero en realidad la característica corriente-tensión es diferencialmente suave. En la rama directa de la característica, la dependencia de la corriente del voltaje es exponencial, y después de que el voltaje pasa por el valor umbral Ud. Un cambio adicional de voltaje de décimas de voltio provoca un cambio significativo en la corriente a través del diodo.

El único parámetro de la característica corriente-voltaje asociado con los parámetros físicos y de diseño y las dimensiones geométricas de la región activa del diodo es la corriente de saturación. Es.

Dónde q– carga de electrones; norte i es la concentración intrínseca de portadores de carga en el semiconductor; norte db y l pb – coeficiente de difusión y longitud de difusión de los portadores minoritarios en él; W. b – espesor de la base; F– área de la unión p-n.

La característica corriente-voltaje de un diodo real difiere de las características de una unión pn ideal por varias razones:

Recombinación y generación de huecos y electrones en la transición SCR.

Caída de voltaje a través de la resistencia del volumen base

· Aparición de efectos de inyección de alto nivel a corrientes elevadas

· Presencia de corrientes de fuga a través de la unión p-n

· Inicio de la avería en la rama inversa de la característica corriente-tensión

· Dopaje de base no homogéneo

· Calentamiento de la unión p-n con la potencia liberada

Los efectos enumerados llevan al hecho de que la característica corriente-tensión del diodo se describe sólo de forma cualitativa.

La rama inversa de la característica corriente-tensión está formada por la suma de tres componentes:

corriente de saturación Es, corriente de generación térmica en el SCR de la unión p-n YO G y corriente de fuga yo hago. La relación entre estos componentes es diferente para diodos hechos de diferentes materiales semiconductores.

La corriente de generación térmica en la unión pn se describe mediante la fórmula

Dónde δ – anchura de la unión p-n; τpn– vida útil efectiva, que caracteriza la tasa de generación de pares electrón-hueco en el SCR de la transición. La corriente depende del voltaje inverso aplicado a través de la dependencia. δ (Ud.).

La corriente de fuga es causada por canales conductores dentro de la unión pn y en la superficie del cristal. Depende del área y el perímetro de la unión y de varios otros factores y tiene una dependencia aproximadamente lineal del voltaje inverso.

La rama directa de la característica corriente-voltaje de un diodo real conserva la dependencia exponencial de la corriente respecto del voltaje, por lo que puede describirse mediante expresiones como:

Dónde yo 0 Y metro– parámetros característicos que pueden cambiar en diferentes secciones de la característica corriente-tensión.

Comparación de características de diodos de diferentes.
materiales

Los diodos estudiados en este trabajo están hechos de diferentes materiales semiconductores, pero tienen aproximadamente los mismos parámetros físicos y estructurales. La diferencia en sus características se debe a la diferencia de parámetros:

Ancho de banda prohibida

Movilidad del transportista de carga

· Vida útil de los portadores de carga, etc.

La diferencia en los valores de banda prohibida tiene la mayor influencia en la diferencia de parámetros. P.ej. Determina la concentración intrínseca de portadores de carga. n yo que se incluye en la expresión de los parámetros característicos corriente-tensión.

Valor de banda prohibida P.ej Y n yo se dan en el Apéndice 3.

Las corrientes de saturación de todos los diodos, excepto el germanio, son muy pequeñas y ascienden a nanoamperios, por lo que el componente principal de la corriente inversa de estos diodos es la corriente de fuga. La principal diferencia entre las ramas directas de las características corriente-voltaje de diferentes diodos es el diferente valor de la corriente de saturación. El Apéndice 3 muestra los valores. PR obtenido teóricamente para diodos reales, puede diferir por varias razones, principalmente debido a una caída en la resistencia volumétrica de la base.

PROCEDIMIENTO PARA LA REALIZACIÓN DEL TRABAJO

Para estudiar las características corriente-voltaje de un diodo real, los estudiantes deben ensamblar un circuito experimental.

Arroz. 4. Diseño experimental

Se puede utilizar un osciloscopio digital o un multímetro digital como miliamperímetro y voltímetro. La fuente es una fuente de voltaje controlada en el banco de entrenamiento NI ELVIS. Para garantizar el funcionamiento ininterrumpido del generador de soporte, es necesario incluir una resistencia límite R en el circuito, cuyo valor los estudiantes deben calcular utilizando los parámetros del soporte.

Después de montar el circuito y comprobarlo con el profesor, los alumnos deberán realizar una serie de experimentos. Ajustando el valor de voltaje en la salida del generador y registrando las lecturas del instrumento en una tabla.

diodo semiconductor — Este es un dispositivo semiconductor con una unión p-n y dos electrodos. El principio de funcionamiento de un diodo semiconductor se basa en el fenómeno de la unión p-n, por lo que para estudiar más a fondo cualquier dispositivo semiconductor es necesario saber cómo funciona.

Diodo rectificador (también llamado válvula) es un tipo de diodo semiconductor que se utiliza para convertir corriente alterna en corriente continua.

Característica corriente-voltaje (característica voltamperio) del diodo.

tu = U 0 +R D yo

donde: u es el voltaje en la válvula cuando pasa la corriente i; U 0 - voltaje umbral; R d - resistencia dinámica.

El voltaje al que se produce un fuerte aumento en la corriente inversa es llamado voltaje de ruptura U 3 .