Лекции / Лекция 3 Диоды

наоборот, U z < UM . ВАХ диода в области лавинного пробоя не отличается от ВАХ с учетом полевого пробоя.

3.5.4.3. Тепловой пробой

Тепловой пробой обусловлен выделением мощности на p-n-переходе. Выделение мощности приводит к росту температуры перехода Tпер − Tокр = Rt P . Рост температуры вызывает рост обратного тока и,

следовательно, увеличение мощности. Происходит зацикливание и быстрый разогрев перехода. Обратный ток диода резко возрастает – наступает пробой перехода. Если рост температуры не остановить, p-n-переход может разрушиться. ВАХ диода при тепловом пробое показана на рис. 3.13. На кривой есть участок с отрицательным сопротивлением.

3.5.4.4. Поверхностный пробой

У всех приборов p-n-переход выходит на поверхность. По поверхности протекает ток утечки. Он может увеличиться, например, при разгерметизации корпуса до такой степени, что переход будет зашунтирован. В этом случае диод теряет вентильные свойства и выходит из строя.

3.5.4.5. Обратимость пробоев

Обратимость – это восстановление дифференциального сопротивления диода при снятии причины пробоя. Поверхностный пробой необратим. Полевой и лавинный пробои вызывают рост тока, мощности и, в итоге, температуры, т. е. могут привести к тепловому пробою. При превышении максимально допустимой температуры для данного материала (германий, кремний, арсенид галлия) переход разрушается, т. е. пробой необратим. Однако, если остановить рост тока (температуры), то приборы восстановят свои свойства.

На принципах лавинного и полевого пробоя основана работа стабилитронов и лавинных транзисторов. Для предотвращения выхода приборов из строя необходимо строго соблюдать правила их эксплуатации:

-не превышать максимально допустимого тока;

-не превышать максимально допустимого напряжения;

-не превышать максимально допустимой мощности;

-не разгерметизировать приборы.

3.6. Аппроксимация ВАХ диода

Рассмотрим ВАХ реального диода (рис. 3.14). Ее можно разбить на прямые отрезки. Продолжим их до пересечения с осями координат (точки А', С', D' ). Так как области нелинейности меньше полученных отрезков, то ВАХ можно представить состоящей из отрезков D'Е, А'В и АС'. Назовем отрезок ОD' напряжением отсечки диода – Uдо. Тогда прямую ветвь можно описать уравнением Uпр = Uдо + I rд . Напряжение Uдо называют также пороговым

напряжением.

В соответствии с уравнением можно составить эквивалентную схему диода при прямом включении (рис. 3.15а). Сопротивление диода будет определяться как rд = ctgα = ∆U / ∆I . Таким образом, при прямом включении диод рассматривается как источник эдс с сопротивлением rд . При вычислении rд по графику ВАХ следует учитывать масштаб тока и напряжения.

При обратном включении диода рассматривается отрезок АС'. В этом случае диод является источником обратного тока. Для кремниевых диодов это ток утечки (рис. 3.15б). Сопротивление диода равно rобр = ∆Uобр / ∆Iобр .

В области пробоя (рис. 3.15в) на отрезке А'В сопротивление диода rпроб = ∆Uпроб / ∆Iпроб , а сам диод вновь рассматривается как источник эдс.

3.7. Работа диода с нагрузкой

3.7.1. Работа на постоянном токе

Наибольшее распространение получил графоаналитический метод пересечения характеристик, или метод опрокинутой характеристики. Метод используется в том случае, когда электрическая цепь может быть сведена к последовательному соединению элементов. Элементы могут быть разного типа: оба линейные; оба нелинейные; смешанные Элементы могут быть управляемыми и неуправляемыми в разных сочетаниях.

Метод основан на уравнении Кирхгофа для последовательной цепи с источником эдс. В общем виде по рис. 3.16 I = IR1 = IR2 ; E = UR1 + UR2 . Если известны ВАХ элементов, то на графике строят ВАХ одного элемента, а ВАХ второго зеркально отражают относительно оси тока (опрокидывают) и ее начало сдвигают по оси напряжений на величину Е.

Для нашей цепи пусть характеристики будут такие (рис. 3.17а). При этом любому значению аргумента (току) будут соответствовать напряжения

на элементах UR1 и U R2 (см. ток I' ). По методу опрокинутой характеристики рисуем ВАХ (рис. 3.17б). При этом точка пересечения будет

Опрокинутая характеристика для резистора строится в режиме холостого хода Rд = ∞ и в режиме короткого замыкания Rд = 0 . При этом, если Rд = ∞ , то ток в цепи равен 0 и мы получаем первую точку Uд = E . При Rд = 0 в цепи течет ток I = E / R – вторая точка (В). Точка пересечения (А) дает ток и напряжения на элементах схемы. Прямая линия получила название нагрузочной прямой, а точка А – рабочей точки.

Из геометрических построений следует, что tgα = OB / OE = = (E / R) / E =1/ R. Отрезки ОВ и ОЕ могут быть даны в соответствующих масштабах тока и напряжения (в системе СИ – Ампер, Вольт).

Графический метод хорошо иллюстрирует влияние источника питания

ирезистора. При изменении R меняется угол наклона нагрузочной прямой

α', при изменении Е происходит параллельный перенос линии нагрузки, а

угол не меняется.

Эту задачу можно решить методом кусочно-линейной аппроксимации. Возьмем линейный участок на прямой ветви ВАХ (рис. 3.20). Для него на постоянном токе Uд =Uд0 + Rд Iд , а сопротивление диода равно Rд = ctgβ = ∆U / ∆I . Тогда согласно Кирхгофу E = Uд0 + RдIд + RI . При известных Uд0 , R и Е можно найти U R , Uд и ток I.

3.7.2. Работа диода на переменном токе с нагрузкой

Для простоты будем пренебрегать обратным током диода. Схема цепи показана на рис. 3.21а, а графические построения на рис. 3.21б. Uвх – гармонический сигнал. В связи с тем, что ток в цепи общий, на резисторе будет напряжение, меняющееся по закону изменения тока. Половина периода, приходящаяся на отрицательную ветку ВАХ, теряется. В данном примере резистор не ограничивает тока диода.

3.7.3. Работа диода при одновременном воздействии постоянного и переменного напряжений

Схема включения показана на рис. 3.21а, графические построения на рис. 3.21б. Последовательность построений такова. Строим ВАХ диода. На оси напряжений ставим точку Е. Из нее строим угол α = arctg(1/ R) . Из точки Е проводим ось времени t и рисуем график Uвх (t). Строим проекции

значений Uвхm на ось напряжений (точки А и В). Из этих точек проводим

линии, параллельные нагрузочной прямой. Из точек пересечения этих линий с ВАХ диода и точки С проводим горизонтали. Средняя линия – ось времен t. Строим график I(t). Находим Iвхmax , Iвхmin ,Uдmax ,Uдmin ,URнmax ,URнmin .