Основные характеристики диодов, виды, параметры

Какие основные характеристики диодов следует знать

Ниже приведены некоторые из часто используемых характеристик диодов.

• Текущее уравнение
• Сопротивление постоянному току
• Сопротивление переменному току
• Переходная емкость
• Диффузионная емкость
• Время хранения
• Время перехода
• Время восстановления

Полезные статьи:

Что такое светодиодный чип, виды, характеристики

ТОП-10 мировых производителей светодиодных чипов

Все статьи

Уравнение тока диода

Диод с PN-переходом широко известен тем, что пропускает электрический ток только в одном направлении. Величина тока, протекающего через диод с PN-переходом, в значительной степени зависит от типа используемого материала, а также от концентрации легирования при изготовлении диода с PN-переходом.

Основная причина протекания тока связана с генерацией или рекомбинацией основных носителей заряда в структуре диода с PN-переходом.

У нас будет три области, ответственные за протекание тока основных носителей заряда. Эти области представляют собой квазинейтральную P-область, обедненную область, квазинейтральную N-область. Область квазинейтрального P-типа - это расстояние между краем обедненной области и краем диода на P-стороне.

Область квазинейтрального N - типа - это расстояние между краем обедненной области и краем диода на N - стороне. Для предположения, это расстояние разделения бесконечно. Концентрация носителей заряда не изменится по мере приближения к границам диода. В квазинейтральной области электрического поля не будет.

Δn _p (х → -∞) = 0

Δp _n (x → + ∞) = 0

Ток диода в прямом смещении возникает из-за рекомбинации основных носителей заряда. Рекомбинация носителей заряда происходит либо в квазинейтральных областях P - типа, либо в N - типах, в обедненной области или на омических контактах, т. Е. На контакте металла и полупроводника.

Ток в обратном смещении происходит из-за генерации носителей заряда. Этот тип процесса генерации носителей заряда дополнительно увеличивает ток как в прямом, так и в обратном смещении.

Протекание тока в диоде с PN-переходом определяется плотностью носителей заряда, электрическим полем в структуре диода с PN-переходом и энергиями квазиуровней Ферми P-типа и N-типа. Плотность носителей и электрическое поле используются для определения тока дрейфа и диффузионного тока PN-диода.

Энергии квазиуровней Ферми электронов и дырок в области обеднения и в квазинейтральных областях N-типа и P-типа предполагаются примерно равными при получении аналитического решения.

Когда внешнее напряжение не подается, состояние теплового равновесия достигается по приведенным выше уравнениям. Расстояние между уровнями Ферми увеличивается с увеличением внешнего приложенного напряжения. Это внешнее напряжение умножается на заряд электрона.

Избыточные носители заряда, присутствующие в любой из квазиобластей, сразу же рекомбинируют, когда достигают контакта металл-полупроводник. Процесс рекомбинации происходит быстро на омическом контакте и дополнительно усиливается в присутствии металла. Поэтому допустимые граничные условия можно сформулировать следующим образом:

p _n (x = w _n ) = p _n0

n _p (x = -w _p ) = n _p0

Рассмотрим уравнение диффузионного тока как для квазинейтральных областей N-типа, так и для P-типа, выражение для тока идеального диода будет получено путем использования граничных условий к рассматриваемому уравнению диффузионного тока.

Преобразуя приведенные выше уравнения в терминах гиперболических функций, переписывая приведенные выше уравнения как

p _n (x≥x _n ) = p _n0 + A ch {(xx _n ) / L _p } + B sinh {(xx _n ) / L _p }

n _p (x ≤ -x _p ) = n _p0 + C ch {(x + x _p ) / L _n } + D sinh {(x + x _p ) / L _n }

Здесь A, B, C и D - постоянные значения, которые необходимо определить. Если к приведенным выше гиперболическим уравнениям применить граничные условия, то мы будем иметь.

Где ширина квазинейтральной области N - типа и P - типа задается как

w´ _n = w _n - x _n

w´ _p = w _p - x _p

Плотность тока носителей заряда в каждой квазинейтральной области рассчитывается из уравнения диффузионного тока как

Величина электрического тока, протекающего по всей структуре диода с PN-переходом, всегда должна быть постоянной, потому что никакой заряд не может исчезнуть или накапливаться во всей структуре диода.

Следовательно, полный ток через диод равен сумме максимального дырочного тока в n-области, максимального электронного тока в p-области и тока из-за рекомбинации носителей заряда в обедненной области. Максимальные токи в квазинейтральных областях возникают по бокам от обедненной области.

Постоянный ток или статическое сопротивление

Статическое сопротивление или сопротивление постоянному току диода с PN переходом определяет резистивную природу диода, когда к нему подключен источник постоянного тока. Если внешнее постоянное напряжение подается на схему, в которую входит полупроводниковый диод, это приводит к появлению точки Q или рабочей точки на характеристической кривой диода с PN переходом, которая не изменяется со временем.

Статическое сопротивление в изгибе кривой и ниже ее будет намного больше, чем значения сопротивления участка вертикального подъема характеристической кривой. Минимум - это ток, проходящий через диод, максимум - это уровень сопротивления постоянному току.

R _DC = В _{постоянного тока} / I _{постоянного тока}

AC или динамическое сопротивление

Динамическое сопротивление выводится из уравнения диода Шокли. Он определяет резистивную природу диода, когда к нему подключен источник переменного тока, который зависит от поляризации постоянного тока диода с PN переходом.

Если внешний синусоидальный сигнал подается на схему, состоящую из диода, изменяющий вход будет немного сдвигать мгновенную точку Q относительно текущего положения в характеристиках и, следовательно, определяет определенное изменение напряжения и тока.

Когда внешний переменный сигнал не подается, рабочей точкой будет точка Q (или точка покоя), которая определяется уровнями подаваемого сигнала постоянного тока. Сопротивление диода переменному току увеличивается за счет понижения точки Q срабатывания. Короче говоря, это эквивалентно наклону напряжение-ток PN-диода.

r _d = ΔV _d / ΔI _d

Среднее сопротивление переменному току

Если входного сигнала достаточно для создания большого колебания, то сопротивление диода для этой области называется средним сопротивлением переменного тока. Он определяется прямой линией, соединяющей точку пересечения минимального и максимального значений внешнего входного напряжения.

R _ср = (ΔV _d / ΔI _d ) _{pt к pt}

Переходная емкость

Емкость перехода также может быть названа емкостью обедненного слоя или емкостью пространственного заряда. Это в основном наблюдается в конфигурации с обратным смещением, где области P-типа и N-типа имеют более низкое сопротивление, а обедненный слой может действовать как диэлектрическая среда.

Этот тип емкости возникает из-за изменений внешнего напряжения, когда неподвижные заряды изменяются на краях слоя обедненной области. Это зависит от диэлектрической проницаемости и ширины обедненного слоя. Если ширина обедненного слоя увеличивается, переходная емкость уменьшается.

C _T = ε _s / w = √ {[qε _s / 2 (ϕ _i - V _D )] [N _a N _d / (N _a + N _d )]}

Диффузионная емкость

Диффузионную емкость также можно назвать накопительной емкостью, которая в основном наблюдается в конфигурации с прямым смещением. Это емкость, вызванная переносом носителей заряда между двумя выводами диода, то есть от анода к катоду в конфигурации с прямым смещением диода с PN переходом.

Если позволить электрическому току проходить через полупроводниковое устройство, в какой-то момент на нем будет образовываться заряд. В случае, если приложенное внешнее напряжение и ток изменятся на другое значение, при передаче будет создаваться другое количество заряда.

Отношение переходного заряда, созданного к дифференциальному изменению напряжения, и будет диффузионной емкостью. Если уровень тока увеличивается, уровни диффузионной емкости автоматически увеличиваются.

Повышенный уровень тока приведет к снижению уровня сопутствующего сопротивления, а также постоянной времени, что важно в высокоскоростных приложениях. Значение диффузионной емкости намного больше, чем значение переходной емкости, и оно прямо пропорционально величине постоянного тока.

C _diff = dQ / dV = [dI (V) / dV] Γ _F

Время хранения

Диод с PN-переходом действует как идеальный проводник в конфигурации с прямым смещением и действует как идеальный изолятор в конфигурации с обратным смещением. Во время переключения из состояния прямого смещения в обратное поток тока переключается и остается постоянным на том же уровне. Это время, в течение которого ток меняет направление и поддерживает постоянный уровень, называется временем хранения (T _s ).

Время, необходимое электронам, чтобы перейти от P-типа обратно к N-типу и дыркам, чтобы перейти от N-типа обратно к P-типу, является временем хранения. Это значение можно определить по геометрии PN-перехода. В течение этого времени хранения диод ведет себя как короткое замыкание.

Время перехода

Время, в течение которого ток уменьшится до значения обратного тока утечки после того, как он останется на постоянном уровне, называется временем перехода. Обозначается, поскольку значение времени перехода определяется геометрией PN перехода и концентрацией уровней легирования материалов P - типа и N - типа.

Время обратного восстановления

Сумма времени хранения и времени перехода называется временем обратного восстановления. Это время, необходимое диоду для повышения подаваемого токового сигнала до 10% от значения постоянного состояния от обратного тока утечки. Значение времени обратного восстановления для диода с PN переходом обычно составляет порядка микросекунд.