Широкое применение в области электроники получили полупроводниковые элементы, одним из которых является диод. Они используются практически во всех устройствах, но чаще — в различных блоках питания и для обеспечения электробезопасности. Каждый из них имеет свое конкретное предназначение и технические характеристики. Для выявления различного рода неисправностей и получения технических сведений нужно знать ВАХ диода.
Общие сведения
Диод (Д) — полупроводниковый элемент, служащий для пропускания тока через p-n-переход только в одном направлении. При помощи Д можно выпрямлять переменное U, получая из него постоянное пульсирующее. Для сглаживания пульсаций применяют фильтры конденсаторного или индуктивного типа, а иногда их и комбинируют.
Д состоит только из p-n-перехода с выводами, которые называются анодом (+) и катодом (-). Ток, при прохождении через проводник, оказывает на него тепловое действие. При нагреве катод испускает отрицательно заряженные частицы — электроны (Э). Анод притягивает электроны, так как обладает положительным зарядом. В процессе образуется эмиссионное поле, при котором возникает ток (эмиссионный). Между (+) и (-) происходит генерация пространственного отрицательного заряда, мешающего свободному движению Э. Э, достигшие анода, образуют анодный ток, а не достигшие — катодный. Если анодный и катодный токи равны нулю, Д находится в закрытом состоянии.
Устройство полупроводника
Д состоит из корпуса, изготавливаемого из прочного диэлектрического материала. В корпусе находится вакуумное пространство с 2 электродами (анод и катод). Электроды, представляющие металл с активным слоем, обладают косвенным накалом. Активный слой при нагревании испускает электроны. Катод устроен таким образом, что внутри его находится проволока, которая накаливается и испускает электроны, а анод служит для их приема.
В некоторых источниках анод и катод называют кристаллом, который изготавливается из кремния (Si) или германия (Ge). Одна из его составных частей имеет искусственный недостаток электронов, а другая — избыток (рис. 1). Между этими кристаллами существует граница, которая называется p-n-переходом.
Рисунок 1 — Схематическое изображение полупроводника p-n-типа.
Сферы применения
Д широко применяется в качестве выпрямителя переменного U в построении блоков питания (БП), диодных мостов, а также в виде одиночного элемента конкретной схемы. Д способен защитить цепь от несоблюдения полярности подключения источника питания. В цепи может произойти пробой какой-либо полупроводниковой детали (например, транзистора) и повлечь за собой процесс выхода из строя цепочки радиоэлементов. При этом применяется цепочка из нескольких Д, подключенных в обратном направлении. На основе полупроводников создаются переключатели для коммутации высокочастотных сигналов.
Д применяются в угольной и металлургической промышленностях, особенно при создании искробезопасных цепей коммутации в виде диодных барьеров, ограничивающих U в необходимой электрической цепи. Диодные барьеры применяются вместе с ограничителями тока (резисторами) для уменьшения значений I и повышения степени защиты, а следовательно, электробезопасности и пожаробезопасности предприятия.
Вольт-амперная характеристика
ВАХ — это характеристика полупроводникового элемента, показывающая зависимость I, проходящего через p-n-переход, от величины и полярности U (рис. 1).
Рисунок 1 - Пример вольт-амперной характеристики полупроводникового диода.
ВАХ отличаются между собой и это зависит от типа полупроводникового прибора. Графиком ВАХ является кривая, по вертикали которой отмечены значения прямого I (вверху). Внизу отмечены значения I при обратном подключении. По горизонтали указаны показания U при прямом и обратном включении. Схема состоит из 2 частей:
- Верхняя и правая - Д функционирует в прямом подключении. Показывает пропускной I и линия идет вверх, что свидетельствует о росте прямого U (Uпр).
- Нижняя часть слева - Д находится в закрытом состоянии. Линия идет практически параллельно оси и свидетельствует о медленном нарастании Iобр (обратного тока).
Из графика можно сделать вывод: чем круче вертикальная часть графика (1 часть), тем ближе нижняя линия к горизонтальной оси. Это свидетельствует о высоких выпрямительных свойствах полупроводникового прибора. Необходимо учитывать, что ВАХ зависит от температуры окружающей среды, при понижении температуры происходит резкое понижение Iобр. Если температура повышается, то повышается и Iобр.
Построение графика
Построить ВАХ для конкретного типа полупроводникового прибора несложно. Для этого необходимы блок питания, мультиметр (вольтметр и амперметр) и диод (можно построить для любого полупроводникового прибора). Алгоритм построения ВАХ следующий:
- Подключить БП к диоду.
- Произвести измерения U и I.
- Внести данные в таблицу.
- На основании табличных данных построить график зависимости I от U (рис. 2).
Рисунок 2 - Пример нелинейной ВАХ диода.
ВАХ будет различна для каждого полупроводника. Например, одним из самых распространенных полупроводников является диод Шоттки, названный немецким физиком В. Шоттки (рисунок 3).
Рисунок 3 - ВАХ Шоттки.
Исходя из графика, носящего асимметричный характер, видно, что для этого типа диода характерно малое падение U при прямом подключении. Присутствует экспоненциальное увеличение I и U. Ток в барьере обусловлен отрицательно заряженными частицами при обратном и прямом смещениях. Шоттки обладают высоким быстродействием, так как диффузные и рекомбинационные процессы отсутствуют. I зависит от U благодаря изменению количества носителей, принимающих участие в процессах переноса заряда.
Кремниевый полупроводник широко применяется практически во всех электрических схемах устройств. На рисунке 4 изображена его ВАХ.
Рисунок 4 - ВАХ кремниевого Д.
На рисунке 4 ВАХ начинается с 0,6-0,8 В. Кроме кремниевых Д существуют еще германиевые, которые при нормальной температуре будут нормально работать. Кремниевый имеет меньший Iпр и Iобр, поэтому тепловой необратимый пробой у германиевого Д наступает быстрее (при подаче высокого Uобр), чем у его конкурента.
Выпрямительный Д применяется для преобразования переменного U в постоянное и на рисунке 5 приведена его ВАХ.
Рисунок 5 - ВАХ выпрямительного Д.
На рисунке изображена теоретическая (пунктирная кривая) и практическая (экспериментальная) ВАХ. Они не совпадают из-за того, что в теории не учитывались некоторые аспекты:
- Наличие R (сопротивления) эмиттерной области кристалла, выводов и контактов.
- Токи утечки.
- Процессы генерации и рекомбинации.
- Пробои различных типов.
Кроме того, температура окружающей среды значительно влияет на измерения, и ВАХ не совпадают, так как теоретические значения получают при температуре +20 градусов. Существуют и другие важные характеристики полупроводников, которые можно понять по маркировке на корпусе.
Существуют и дополнительные характеристики. Они нужны для применения Д в определенной схеме с U и I. Если использовать маломощный Д в устройствах с U, превышающем максимально допустимое Uобр, то произойдет пробой и выход из строя элемента, а также это может повлечь за собой цепочку выхода других деталей из строя.
Дополнительные характеристики: максимальные значения Iобр и Uобр; прямые значения I и U; ток перегрузки; максимальная температура; рабочая температура и так далее.
ВАХ помогает определить такие сложные неисправности Д: пробой перехода и разгерметизация корпуса. Сложные неисправности могут привести к выходу из строя дорогостоящих деталей, следовательно, перед монтажом Д на плату необходимо его проверить.
Возможные неисправности
Согласно статистике, Д или другие полупроводниковые элементы выходят из строя чаще, чем другие элементы схемы. Неисправный элемент можно вычислить и заменить, но иногда это приводит к потере функциональности. Например, при пробое p-n-перехода, Д превращается в обыкновенный резистор, а такая трансформация может привести к печальным последствиям, начиная от выхода из строя других элементов и заканчивая пожаром или поражением электрическим током. К основным неисправностям относятся:
- Пробой. Диод утрачивает способность пропускать ток в одном направлении и становится обычным резистором.
- Конструктивное повреждение.
- Утечка.
При пробое Д не пропускает ток в одном направлении. Причин может быть несколько и возникают они при резких ростах I и U, которые являются недопустимыми значениями для определенного Д. Основные виды пробоев p-n-перехода:
- Тепловой.
- Электрический.
При тепловом на физическом уровне происходит значительный рост колебания атомов, деформация кристаллической решетки, перегрев перехода и попадание электронов в проводимую зону. Процесс необратим и приводит к повреждению радиодетали.
Электрические пробои носят временный характер (кристалл не деформируется) и при возвращении к нормальному режиму работы его функции полупроводника возвращаются. Конструктивным повреждением являются физические повреждения ножек и корпуса. Утечка тока возникает при разгерметизации корпуса.
Для проверки Д достаточно выпаять одну ножку и прозвонить его мультиметром или омметром на наличияе пробоя перехода (должен звониться только в одном направлении). В результате появится значение R p-n-перехода в одном направлении, а в другом прибор покажет бесконечность. Если звониться в 2 направления, то радиодеталь неисправна.
Если отпала ножка, то ее нужно припаять. При повреждении корпуса — деталь необходимо заменить на исправную.
При разгерметизации корпуса понадобится построение графика ВАХ и сравнение его 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.
