2. Вольт-амперная характеристика диода

В силу особенностей структуры ВАХ диода отличает­ся от ВАХ идеального р-п-перехода. На рис. 3.2 для сравнения представлены характеристики диода и идеального р-п-перехода.

В области прямых напряжений вольт-амперная характеристика диода проходит более полого, чем вольт-амперная характеристика р-п-перехода, что объясняется наличием сопротивления базы , вследствие чего к р-п-переходу прикладывает­ся напряжение , поэтому уравнение вольт-амперной характеристики диода должно быть записано в виде:

Чем меньше концентрация примеси в базе, тем больше сопротивление , тем положе проходит характеристика

Напряжение и, обеспечивающее получение требуемого тока i, зависит от тепло­вого тока i₀, который, в свою очередь, зависит от концентрации дырок р_п в элект­ронной базе, определяемой соотношением

В кремниевом полупроводнике , а в германиевом , поэто­му тепловой ток кремниевых диодов на шесть порядков меньше теплового тока германиевых диодов.

Следовательно, для получения одинаковых токов к крем­ниевому диоду должно быть приложено более высокое прямое напряжение, чем к германиевому. Этим объясняется то, что прямая ветвь вольт-амперной характеристики кремниевого диода при одинако­вой площади перехода всегда сдвинута вправо относительно прямой ветви вольт-амперной характеристики германиевого диода.

Обратный ток р-п-перехода теоретически не изменяется при изменении обратного напряжения. В полупроводниковом диоде обратный ток возрастает при увеличении обратного напря­жения, что объясняется тепловой генерацией носителей заряда в р-п-переходе и проводимостью пленки на поверхности кристалла, шунтирующей р-п-переход. Полный обратный ток диода содержит три составляющих:

где — ток генерации, создаваемый носителями заряда, генерируемыми в р-п-переходе;

- ток утечки, обусловленный проводимостью поверхностной пленки, шунти­рующей р-п-переход;

- тепловой ток, создаваемый неосновными носителями заряда, генерируемы­ми в базе.

При увеличении обратного напряжения увеличивается ширина р-п-перехода, поэтому возрастают ток генерации „ и ток утечки , что ведет к увеличению обратного тока.

3. Выпрямительный режим работы полупроводниковых диодов

Способность полупроводникового диода хорошо пропускать ток в прямом на­правлении и практически не пропускать его в обратном нашла широкое примене­ние для выпрямления переменного тока. Схема простейшего выпрямителя пред­ставлена на рис. 3.8, а.

Рассмотрим режим работы диода с нагрузкой. Резистор нагрузки R_н включен последовательно с диодом VD (рис. 3.5).

Если известны напряжение источника Е_и, сопро­тивление резистора R_н и характеристика диода I = f(U), его макси­мальная допустимая рассеиваемая мощность Р_макс, а также напряже­ние источника сигнала Uс(t), то задача обычно состоит в определении постоянных значений напряжения на диоде и тока через диод, а также результата преобразования диодом сигнала. Задача решается графо­аналитическим способом.

Первоначально считается, что и_с(t)=0, и проводится расчет схе­мы на рис. 3.5 по постоянному току.

Вольт-амперная характеристика диода задана графической зависимостью I=f(U). Резистор Rн— линейный элемент, и его ВАХ — прямая линия, которую можно по­строить по двум точкам. Эта прямая называется линией нагрузки. Одна из точек прямой определяется при I=Iд=0. В этом случае Uд=Еи—U_R=Eи—I_ДR_Н=Eи. Точка (Eи, I=0) расположена на оси Uпр. Другая точка линии нагрузки определяется из условия Uд =0, и тогда Eи==Ur, I= Eи /Rн. Эта точка (U_Д = 0, Eи /Rн) расположена на оси Iпр.

Точка А пересечения ВАХ диода и линии нагрузки характеризует рабочий режим диода по постоянному току. В этой точ­ке ток через диод I_Д, а напряжение на диоде U_Д. Рабочая точка А яв­ляется графическим решением системы уравнений, включающей линей­ное уравнение линии нагрузки и нелинейное уравнение ВАХ диода.

В точке А рассеиваемая диодом мощность Рд= IД* UД, а выделяемая па резисторе мощность P_R= (I_Д)²* R_H.

При малых значениях сопротивления Rн величина . В этом случае линию нагрузки целесообразно строить по значению напряжения Eи и , где угол определяет наклон линии нагрузки. Пример такого построения приведен на рисунке для .

Если напряжение и_с(t) - синусоидальное с амплитудой U_mc, то при изменении сигнала линия нагрузки будет сме­щаться параллельно самой себе.

На рисунке построены два крайних положения линии нагрузки при изменении сигнала. В этом случае с момента изображающая точка на ВАХ диода описывает траекторию АС при уве­личении и_с, CAB— при его уменьшении и снова ВАС— при увеличении сигнала. Следовательно, ток через диод и напряжение u_Д(t) на диоде в рабочем режиме будут из­меняться. Эти изменения тока и напряжения показаны на рисунке. Нелинейность ВАХ диода искажает форму на­пряжения сигнала, переменные ток и напряжение на диоде несинусоидальны. Ток получает приращение — по­стоянную составляющую . Приращение напряжения на нагрузке является выходным сигналом при детекти­ровании синусоидального напряжения .

На практике часто используется режим диода с Е_И = 0, что соответствует исходному положению рабочей точки в начале координат плоскости I, U.

В рассматриваемой схеме напряжение на нагрузке оказывается пульсирующим. Чтобы устранить эти пульсации параллельно резистору включают конденсатор большой емкости.

Графики, показывающие изменение токов и напряжений в такой схеме, показаны на рис. 3.10, б.

С генератора поступает синусоидальное колебание. В момент времени t=0 согласно схеме диод открыт, в схеме течет ток и конденсатор заряжается (диод открыт, сопротивление диода мало, постоянная времени RC мала, следовательно, конденсатор заряжается быстро).

Зарядка конденсатора происходит до тех пор, пока внешнее напряжение больше напряжения на конденсаторе (до точки А). После точки А диод закрыт, цепь разрывается и конденсатор начинает разряжаться через резистор нагрузки (диод закрыт, сопротивление диода велико, постоянная времени RC велика, следовательно, конденсатор разряжается медленно).

Далее появляется новая положительная полуволна сигнала генератора, и процесс повторяется заново.