3.3. Температурні властивості

На електропровідність напівпровідників значний вплив має температура оточуючого середовища. При підвищенні температури посилюється генерація пар носіїв заряду, тобто збільшується концентрація носіїв і провідність зростає. Тому властивості напівпровідникових діодів сильно залежать від температури. Це наочно показують вольт-амперні характеристики, зняті при різній температурі. На рис.3.5 вони представлені для германієвого діода. Як видно, при підвищенні температури прямий і зворотний струми зростають. Дуже різко збільшується зворотний струм, що пояснюється посиленням генерації пар носіїв. У германієвих діодів зворотний струм зростає приблизно в 2 рази при підвищенні температури на кожні 10°С. Це можна виразити наступною формулою:

(3.8)

Отже, якщо температура піднялася з 20 до 70 °С, то струм I_зв збільшується в 2⁵, тобто в 32 рази. Крім того, з підвищенням температури у германієвих діодів знижується напруги електричного пробою.

У кремнієвих діодів при нагріві на кожні 10°С зворотний струм збільшується приблизно в 2,5 рази, а напруги електричного пробою при підвищенні температури спочатку дещо зростає, а потім зменшується.

Прямий струм при нагріві діода зростає не так сильно, як зворотний. Це пояснюється тим, що прямий струм виникає головним чином за рахунок домішкової провідності, а концентрація домішок не залежить від температури.

З підвищенням температури бар'єрна ємність діода зростає. Температурний коефіцієнт ємності (ТКЄ), що показує зміну ємності при зміні температури на один градус, який складає (10^-4 10^-3 )K^-1.

3.4. Робочий режим

У практичних схемах в коло діода вмикається яке-небудь навантаження, наприклад резистор (рис.3.6.а). В умовному графічному позначенні (схематичному зображенні) напівпровідникового діода трикутник є анодом, риска катодом. Прямий струм проходить тоді, коли анод має додатний потенціал відносно катода. Отже, трикутник треба розглядати як вістря стрілки, що показує умовний напрямок прямого струму. Саме в цьому напрямку при прямому струмі рухаються дірки, електрони ж рухаються в протилежному напрямку.

Режим діода з навантаженням називають робочим режимом. Якби діод був лінійним опором, то розрахунок струму в подібній схемі не представляв би ускладнень, оскільки загальний опір кола дорівнює сумі опору діода на постійному струмі R₀ і опору навантажувального резистора R_н. Але діод має нелінійний опір, і значення R₀ у нього змінюється при зміні струму. Тому розрахунок струму виконують графічно. Задача складається в наступному: відомі значення Е, R_н і характеристика діода, потрібно визначити струм в колі і напруги на діоді.

Характеристику діода потрібно розглядати як графік деякого рівняння, яке зв'язує величини I і U, а для опору R_н подібним рівнянням є закон Ома

I =U_R / R_Н = (Е - U ) / R_н (3.9)

Отже, є два рівняння з двома невідомими І та U, зокрема одне з рівнянь задане графічно. Для розв’язання такої системи рівнянь необхідно побудувати графік другого рівняння і знайти координати точки перетину двох графіків. Рівняння для опору R_H - це рівняння першого порядку відносно І та U . Його графіком є пряма лінія, яку називають лінією навантаження.

П

Рис.3.6. Схема ввімкнення діода з навантаженням і побудова лінії навантаження

ростіше всього вона будується за двома точками на осях координат. При І= 0 з рівняння (3.9) отримуємо: Е-U = 0 або U = Е, що відповідає точці А на рис.3.6, б. А якщо U=0, то і = Е/R_н. Відкладаємо цей струм на осі ординат (точка Б). Через точки А і Б проводимо пряму, яка є лінією навантаження. Координати точки Т дають розв’язок поставленої задачі. Потрібно зазначити, що всі інші точки прямий АБ не відповідають яким-небудь робочим режимам діода. Можна будувати лінію навантаження за кутом її нахилу , оскільки R_H = k ctg . Але це менш зручно, оскільки треба визначати коефіцієнт k з урахуванням масштабів і знаходити кут  за його котангенсом.

При побудові лінії навантаження для порівняно малих R_Н точка Б виявиться за межами креслення. У цьому випадку потрібно відкласти від точки А ліворуч довільну напругу U (рис.3.6.в) і від отриманої точки В відкласти струм, рівний U /R_Н ( відрізок ВГ ). Пряма, проведена через точки А і Г, буде лінією навантаження.

Іноді задані U та І (точка Т) і опір навантаження R_н, а треба визначити Е, або, навпаки, при заданому Е потрібно визначити опір навантаження R_н.

Коло з послідовно сполученими діодом і лінійним навантажувальним резистором R_н є нелінійним. Характеристику такого кола, називають робочою характеристикою діода, тобто графік залежності І = f (Е), можна отримати підсумовуванням напруги для характеристик діода і навантажувального резистора R_н (рис.3.7). Характеристика резистора R_Н виражає закон Ома І= U _R / R_н і є прямою лінією, що проходить через початок координат.

Д

Рис.3.7. Побудова робочої характеристики для кола, що складається з послідовно з’єднаних діода і резистора навантаження

ля побудови цієї прямої на графік наноситься точка, яка відповідає довільному значенню напруги U і струму u_r / r_h. Через цю точку і початок координат проводиться пряма. У попередніх побудовах лінія навантаження не проходила через початок координат тому, що вона відображала залежність струму не від напруги u_r, а від напруги на діоді.

Робочу характеристику кола І = f(Е) будуємо, складаючи для декількох значень струму I напруги і , оскільки . Наприклад, при струмі 3 мА маємо: U = 0,4 В і U_R = 0,5 В. Підсумовуючи ці напруги, отримуємо E = 0,9 В і відповідну точку результуючої характеристики. Аналогічно знаходиться інші точки, і через них проводимо плавну криву.

Властивості послідовного ланцюга залежать головним чином від властивостей ділянки кола, що має більший опір. Тому чим більше опір R_н, тим менша нелінійність результуючої характеристики. Потрібно зазначити, що графічний розрахунок робочого режиму діода можна не робити, якщо R_H>>R₀. У цьому випадку допустимо нехтувати опором діода і визначати струм приблизно за формулою I = е /r_н.

Розглянуті методи розрахунку постійного напруги E можна застосувати для амплітудних або миттєвих значень, якщо анодне джерело дає змінну напругу.