I - V charakteristika diody: aplikace charakteristik pro hledání složitých poruch polovodičových prvků

Polovodičové prvky jsou široce používány v oblasti elektroniky, jedním z nich je dioda. Používají se téměř ve všech zařízeních, častěji však v různých napájecích zdrojích a pro zajištění elektrické bezpečnosti. Každý z nich má svůj specifický účel a technické vlastnosti. K identifikaci různých druhů poruch a získání technických informací potřebujete znát CVC diody.

Obecná informace

Dioda (D) - polovodičový prvek, která slouží k průchodu proudu pn přechodem pouze jedním směrem. Pomocí D můžete proměnnou U narovnat a získat z ní konstantní pulzování. K vyhlazení pulsací se používají filtry kondenzátorového nebo indukčního typu a někdy se kombinují.

D sestává pouze z p-n-přechodu s vývody, které se nazývají anoda (+) a katoda (-). Proud při průchodu vodičem na něj tepelně působí. Při zahřívání katoda emituje záporně nabité částice - elektrony (E). Anoda přitahuje elektrony, protože má kladný náboj. Při tom vzniká emisní pole, při kterém vzniká proud (emise). Mezi (+) a (-) se generuje záporný prostorový náboj, který narušuje volný pohyb E. E, které dosáhly anody, tvoří anodový proud a ty, které nedosáhly - katodický. Jsou-li anodové a katodové proudy rovné nule, D je v uzavřeném stavu.

Polovodičové zařízení

D se skládá z pouzdra vyrobeného z odolného dielektrického materiálu. Pouzdro obsahuje vakuový prostor se 2 elektrodami (anoda a katoda). Elektrody, které jsou kovové s aktivní vrstvou, se ohřívají nepřímo. Aktivní vrstva při zahřívání emituje elektrony. Katoda je navržena tak, že uvnitř je drát, který se zahřívá a emituje elektrony a anoda slouží k jejich příjmu.

V některých zdrojích se anoda a katoda nazývají krystal, který je vyroben z křemíku (Si) nebo germania (Ge). Jedna z jejích součástí má umělý nedostatek elektronů a druhá nadbytek (obr. 1). Mezi těmito krystaly je hranice, která se nazývá p-n-přechod.

Obrázek 1 - Schematické znázornění polovodiče typu p-n.

Aplikace

D je široce používán jako proměnný U usměrňovač při konstrukci napájecích zdrojů (PSU), diodových můstků a také ve formě jednoho prvku specifického obvodu. D je schopen chránit obvod před přepólováním připojení napájení. V obvodu může dojít k poruše jakékoli polovodičové části (například tranzistoru) a vést k procesu selhání řetězce radioelementů. V tomto případě se používá řetězec několika D, spojených v opačném směru. Polovodiče se používají k vytvoření spínačů pro spínání vysokofrekvenčních signálů.

D se používají v uhelném a hutním průmyslu, zejména při vytváření jiskrově bezpečných spínacích obvodů ve formě diodových bariér, které omezují U v požadovaném elektrickém obvodu. Diodové bariéry se používají spolu s omezovači proudu (odpory) ke snížení hodnot I a zvýšení stupně ochrany a následně elektrické bezpečnosti a požární bezpečnosti podniku.

Voltampérové ​​charakteristiky

I - V charakteristika je charakteristika polovodičového prvku, ukazující závislost I procházejícího p-n přechodem na velikosti a polaritě U (obr. 1).

Obrázek 1 - Příklad proudově-napěťové charakteristiky polovodičové diody.

I - V charakteristiky se navzájem liší a závisí na typu polovodičové součástky. Graf charakteristiky I – V je křivka, podél jejíž vertikály jsou vyznačeny hodnoty přímého I (nahoře). Níže jsou uvedeny hodnoty I pro reverzní připojení. Vodorovně jsou hodnoty U indikovány pro přímé a zpětné zapnutí. Schéma se skládá ze 2 částí:

1. Nahoře a vpravo - D funkce v přímém spojení. Zobrazuje propustnost I a čára jde nahoru, což indikuje zvýšení přímého U (Upr).
2. Spodní část vlevo - D je v zavřeném stavu. Čára probíhá téměř rovnoběžně s osou a ukazuje pomalý nárůst Iobr (reverzní proud).

Z grafu můžeme usoudit: čím strmější je vertikální část grafu (1 část), tím blíže je spodní čára k vodorovné ose. To ukazuje na vysoké usměrňovací vlastnosti polovodičového zařízení. Je třeba mít na paměti, že charakteristika I - V závisí na okolní teplotě, s poklesem teploty dochází k prudkému poklesu Iobr. Pokud teplota stoupá, stoupá i Iobr.

Vykreslení grafu

Zkonstruovat CVC pro konkrétní typ polovodičového zařízení není obtížné. To vyžaduje napájecí zdroj, multimetr (voltmetr a ampérmetr) a diodu (lze postavit pro jakékoli polovodičové zařízení). Algoritmus pro konstrukci I - V charakteristiky je následující:

1. Připojte PSU k diodě.
2. Změřte U a I.
3. Zadejte data do tabulky.
4. Na základě tabulkových dat sestavte graf závislosti I na U (obr. 2).

Obrázek 2 - Příklad nelineární I - V charakteristiky diody.

I – V charakteristika bude pro každý polovodič jiná. Například jedním z nejběžnějších polovodičů je Schottkyho dioda, pojmenovaná německým fyzikem W. Schottkyho (obrázek 3).

Obrázek 3 - VAC Schottky.

Na základě grafu, který je asymetrický, je vidět, že tento typ diod se vyznačuje malým poklesem U při přímém zapojení. Dochází k exponenciálnímu nárůstu I a U. Proud v bariéře je způsoben záporně nabitými částicemi se zpětným a dopředným předpětím. Schottky mají vysokou rychlost odezvy, protože neexistují žádné difúzní a rekombinační procesy. Jsem závislý na U kvůli změně počtu dopravců účastnících se procesů přenosu poplatků.

Silikonový polovodič je široce používán téměř ve všech elektrických obvodech zařízení. Obrázek 4 ukazuje jeho I - V charakteristiku.

Obrázek 4 - I - V charakteristika křemíku D.

Na obrázku 4 začíná CVC na 0,6-0,8 V. Kromě křemíku D existují i ​​germaniové, které za normálních teplot budou normálně fungovat. Křemík má nižší Ipr a Iobr, proto tepelný nevratný rozklad germania D nastává rychleji (při použití vysokého Urev) než u jeho konkurenta.

Usměrňovač D se používá k přeměně AC U na stejnosměrný a Obrázek 5 ukazuje jeho I - V charakteristiku.

Obrázek 5 - I - V charakteristika usměrňovače D.

Obrázek ukazuje teoretické (přerušovaná křivka) a praktické (experimentální) I – V charakteristiky. Neshodují se kvůli skutečnosti, že teorie nezohlednila některé aspekty:

1. Přítomnost R (odpor) oblasti emitoru krystalu, vodičů a kontaktů.
2. Svodové proudy.
3. Generační a rekombinační procesy.
4. Poruchy různých typů.

Kromě toho okolní teplota významně ovlivňuje měření a charakteristiky I - V se neshodují, protože teoretické hodnoty se získávají při teplotě +20 stupňů. Existují další důležité vlastnosti polovodičů, které lze pochopit z označení na obalu.

Existují také další vlastnosti. Jsou potřeba pro aplikaci D v určitém schématu s U a I. Pokud použijete nízkoenergetický D v zařízeních s U překračujícím maximální povolenou Urev, pak tam bude porucha a porucha prvku, což může také vést k řetězu odchodu dalších částí z budova.

Další charakteristiky: maximální hodnoty Iobr a Uobr; přímé hodnoty I a U; proud přetížení; Maximální teplota; pracovní teplota a tak dále.

Charakteristika I - V pomáhá určit takové složité poruchy D: porucha přechodu a odtlakování skříně. Složité poruchy mohou vést k selhání drahých dílů, proto je třeba před instalací D na desku zkontrolovat.

Možné poruchy

Podle statistik D nebo jiné polovodičové prvky selhávají častěji než ostatní prvky obvodu. Vadnou položku lze vypočítat a vyměnit, ale někdy to vede ke ztrátě funkčnosti. Například, když se p-n-přechod rozpadne, D se změní na obyčejný rezistor a taková transformace může vést k smutné následky, od selhání jiných prvků až po požár nebo úraz elektrickým proudem proud. Mezi hlavní chyby patří:

1. Zhroutit se. Dioda ztrácí schopnost propouštět proud v jednom směru a stává se z ní obyčejný rezistor.
2. Strukturální poškození.
3. Únik.

Během průrazu neprochází D proud v jednom směru. Důvodů může být několik a vznikají s prudkým nárůstem I a U, což jsou pro určité D nepřijatelné hodnoty. Hlavní typy poruch pn křižovatek:

1. Tepelný.
2. Elektrický.

Na tepelné úrovni, na fyzické úrovni, dochází k výraznému nárůstu atomových vibrací, deformaci krystalové mřížky, přehřívání přechodu a vnikání elektronů do vodivé zóny. Proces je nevratný a vede k poškození rádiové součásti.

Elektrické poruchy jsou dočasné (krystal se nedeformuje) a když se vrátí do normálního provozu, vrátí se jeho polovodičové funkce. Strukturální poškození je fyzické poškození nohou a těla. Svodový proud nastává, když je skříň odtlakována.

Pro kontrolu D stačí odpařit jednu nohu a zazvonit ji multimetrem nebo ohmmetrem na přítomnost poruchy přechodu (mělo by zvonit pouze v jednom směru). V důsledku toho se hodnota R p-n-přechodu objeví v jednom směru a ve druhém bude zařízení ukazovat nekonečno. Pokud voláte ve 2 směrech, pak je rádiová součást vadná.

Pokud noha zmizela, je třeba ji připájet. Pokud je pouzdro poškozeno, musí být díl vyměněn za provozuschopný.

Při odtlakování skříně bude nutné vykreslit I - V charakteristiku a porovnat ji s teoretickou hodnotou převzatou z referenční literatury.

I - V charakteristika tedy umožňuje nejen získat referenční data na diodě nebo libovolném polovodičovém prvku, ale také identifikovat složité poruchy, které nelze určit při kontrole zařízením.