ВАХ полупроводникового диода и его временные диаграммы тока и напряжения при переключении

Полупроводниковый диод — полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами (электродами) для включения в электрическую цепь и обладающий способностью хорошо пропускать через себя электрический ток (p-n-переход) одного направления и плохо - противоположного направления. Это свойство диода используют, например, в выпрямителях для преобразования переменного тока в постоянный (ток одного направления).

Зависимость тока, проходящего через p-n переход, от величины и полярности приложенного к нему напряжения изображают в виде кривой, называемой вольт-амперной характеристикой диода.

По вертикальной оси в верхней части обозначены значения прямого тока (Iпр), а в нижней части — обратного тока (Iобр). По горизонтальной оси в правой части обозначены значения прямого напряжения Uпр, а в левой части – обратного напряжения (Uобр).

ВАХ состоит из двух ветвей: прямая ветвь, в правой верхней части, соответствует прямому (пропускному) току через диод, и обратная ветвь, в левой нижней части, соответствующая обратному (закрытому) току через диод.

Прямая ветвь идет круто вверх, прижимаясь к вертикальной оси, и характеризует быстрый рост прямого тока через диод с увеличением прямого напряжения.
Обратная ветвь идет почти параллельно горизонтальной оси и характеризует медленный рост обратного тока. Чем круче к вертикальной оси прямая ветвь и чем ближе к горизонтальной обратная ветвь, тем лучше выпрямительные свойства диода. Наличие небольшого обратного тока является недостатком диодов. Из ВАХ видно, что прямой ток диода (Iпр) в сотни раз больше обратного тока (Iобр).

ВАХ можно разбить на несколько участков:

Участок I: – рабочий участок (прямая ветвь ВАХ)

Участки II, III, IV, - обратная ветвь ВАХ (не рабочий участок)

Участок II: Если приложить к диоду обратное напряжение – диод закрыт, но все равно через него будет протекать малый обратный ток (ток дрейфа, тепловой ток), обусловленный движением не основных носителей.

Участок III: Участок электрического пробоя. Если приложить достаточно большое напряжение, неосновные носители будут разгоняться и при соударении с узлами кристаллической решетки происходит ударная ионизация, которая в свою очередь приводит к лавинному пробою (вследствие чего резко возрастает ток).        Электрический пробой является обратимым, после снятия напряжения P-N-переход восстанавливается.

Участок IV: Участок теплового пробоя. Возрастает ток, следовательно, увеличивается мощность, что приводит к нагреву диода и он сгорает. Вслед за электрическим пробоем, быстро следует тепловой, поэтому диоды при электрическом пробое не работают. Тепловой пробой - необратим.

Временные диаграммы тока и напряжения при переключении :Обратимся к схеме. Предполагается, что вначале ключ К подключает источник напряженияu1, а затем, в момент времени t = 0, источник напряженияu2, причём напряженияu1иu2

значительно больше прямого падения напряжения на диоде. Соответствующие временные диаграммы будут иметь вид:

До момента времени t = 0 протекает ток i₁, который с учетом принятого условия u1>>u определяется выражением i1=u1/R.

Сразу после переключения ключа К и в течение так называемого времени рассасывания t_рас протекает ток i₂, который ограничивается практически только сопротивлением R, т. е.i2= — (u1/R)

В этот отрезок времени в базе диода уменьшается (рассасывается) заряд накопленных при протекании тока неравновесных носителей. Заряд уменьшается в результате рекомбинации и перехода неосновных носителей в эмиттер.

По истечении времени t_pac концентрация неосновных носителей в базе на границе p-n-перехода становится равной равновесной. В глубине же базы неравновесный заряд еще существует. Длительность времени рассасывания прямо пропорциональна среднему времени жизни неосновных носителей в базе и зависит от соотношения токов i₁ и i₂ (чем больше по модулю ток i₂, тем меньше, при заданном токе i₁, время рассасывания).

В момент времени t₁ напряжение на диоде начинает быстро возрастать по модулю, а ток i уменьшаться по модулю (спадать). Соответствующий отрезок времени t_cп называют временем спада. Время спада отсчитывают до того момента t₂ которому соответствует достаточно малое (по модулю) значение тока i₃. Время спада зависит от времени жизни носителей, а также от барьерной емкости диода и от сопротивления R схемы. Чем больше указанные емкость и сопротивление R, тем медленнее спадает ток.

Отрезок времени t_вос = t_pac + t_cп называется временем восстановления (временем обратного восстановления).

После завершения переходного процесса (момент времени t₃) через диод течет ток i_обрycm — обратный ток в установившемся режиме (определяемый по статической вольт-амперной характеристике диода).