I - V-Kennlinie einer Diode: Anwendung von Kennlinien zum Auffinden komplexer Fehler von Halbleiterelementen

Auf dem Gebiet der Elektronik werden häufig Halbleiterelemente verwendet, von denen eines eine Diode ist. Sie werden in fast allen Geräten verwendet, häufiger jedoch in diversen Stromversorgungen und zur Gewährleistung der elektrischen Sicherheit. Jeder von ihnen hat seinen eigenen spezifischen Zweck und seine eigenen technischen Eigenschaften. Um verschiedene Arten von Fehlfunktionen zu erkennen und technische Informationen zu erhalten, müssen Sie den CVC der Diode kennen.

Allgemeine Information

Diode (D) - Halbleiterelement, die dazu dient, Strom durch den pn-Übergang nur in eine Richtung zu leiten. Mit Hilfe von D können Sie die Variable U begradigen, wodurch ein konstantes Pulsieren entsteht. Um Pulsationen zu glätten, werden Filter vom Kondensator- oder Induktionstyp verwendet und manchmal werden sie kombiniert.

D besteht nur aus einem p-n-Übergang mit Zuleitungen, die als Anode (+) und Kathode (-) bezeichnet werden. Der Strom, der durch den Leiter fließt, wirkt sich thermisch auf diesen aus. Beim Erhitzen emittiert die Kathode negativ geladene Teilchen - Elektronen (E). Die Anode zieht Elektronen an, weil sie eine positive Ladung hat. Dabei bildet sich ein Emissionsfeld, an dem ein Strom (Emission) entsteht. Zwischen (+) und (-) entsteht eine negative Raumladung, die die freie Bewegung von E behindert. E, die die Anode erreicht haben, bilden einen Anodenstrom und diejenigen, die es nicht erreicht haben - einen kathodischen. Sind Anoden- und Kathodenstrom gleich Null, befindet sich D im geschlossenen Zustand.

Halbleiterbauelement

D besteht aus einem Gehäuse aus haltbarem dielektrischem Material. Das Gehäuse enthält einen Vakuumraum mit 2 Elektroden (Anode und Kathode). Elektroden, die aus Metall mit einer aktiven Schicht bestehen, werden indirekt erhitzt. Die aktive Schicht emittiert beim Erhitzen Elektronen. Die Kathode ist so konstruiert, dass sich in ihr ein Draht befindet, der sich erwärmt und Elektronen abgibt und die Anode dazu dient, diese aufzunehmen.

In einigen Quellen werden Anode und Kathode als Kristall bezeichnet, der aus Silizium (Si) oder Germanium (Ge) besteht. Einer seiner Bestandteile hat einen künstlichen Elektronenmangel, der andere einen Überschuss (Abb. 1). Zwischen diesen Kristallen gibt es eine Grenze, die als p-n-Übergang bezeichnet wird.

Abbildung 1 - Schematische Darstellung eines p-n-Typ-Halbleiters.

Anwendungen

D wird häufig als variabler U-Gleichrichter beim Bau von Netzteilen (PSU), Diodenbrücken sowie in Form eines einzelnen Elements einer bestimmten Schaltung verwendet. D ist in der Lage, den Stromkreis vor Verpolung des Stromversorgungsanschlusses zu schützen. Ein Ausfall eines Halbleiterteils (z. B. eines Transistors) kann in der Schaltung auftreten und zum Ausfall der Kette von Funkelementen führen. In diesem Fall wird eine Kette von mehreren Ds verwendet, die in entgegengesetzter Richtung verbunden sind. Halbleiter werden verwendet, um Schalter zum Schalten von Hochfrequenzsignalen herzustellen.

D werden in der Kohle- und Hüttenindustrie verwendet, insbesondere bei der Herstellung eigensicherer Schaltkreise in Form von Diodenbarrieren, die U im erforderlichen Stromkreis begrenzen. Diodenbarrieren werden zusammen mit Strombegrenzern (Widerständen) verwendet, um die I-Werte zu reduzieren und die Schutzart und damit die elektrische Sicherheit und den Brandschutz des Unternehmens zu erhöhen.

Volt-Ampere-Kennlinie

Die I - V-Kennlinie ist eine Kennlinie eines Halbleiterelements, die die Abhängigkeit von I durch einen p-n-Übergang von der Größe und Polarität von U zeigt (Abb. 1).

Abbildung 1 - Ein Beispiel für die Strom-Spannungs-Kennlinie einer Halbleiterdiode.

Die I - V-Charakteristiken unterscheiden sich voneinander und hängen vom Typ des Halbleiterbauelements ab. Die I-V-Kennlinie ist eine Kurve, entlang deren Vertikalen die Werte von direktem I markiert sind (oben). Unten sind die Werte von I für die umgekehrte Verbindung. Horizontal werden die U-Messwerte für direktes und umgekehrtes Einschalten angezeigt. Das Schema besteht aus 2 Teilen:

1. Oben und rechts - D-Funktionen in direkter Verbindung. Zeigt Durchsatz I an und die Linie geht nach oben, was einen Anstieg des direkten U (Upr) anzeigt.
2. Der untere Teil links - D befindet sich im geschlossenen Zustand. Die Linie verläuft nahezu achsparallel und zeigt einen langsamen Anstieg von Iobr (Rückstrom) an.

Aus der Grafik können wir schließen: Je steiler der vertikale Teil der Grafik (1 Teil), desto näher liegt die untere Linie an der horizontalen Achse. Dies weist auf die hohen Gleichrichtungseigenschaften des Halbleiterbauelements hin. Es ist zu beachten, dass die I - V-Kennlinie von der Umgebungstemperatur abhängt, bei einer Temperaturabnahme tritt eine starke Abnahme von Iobr auf. Steigt die Temperatur, steigt auch Iobr.

Einen Graphen zeichnen

Es ist nicht schwierig, ein CVC für einen bestimmten Typ von Halbleiterbauelement zu konstruieren. Dies erfordert eine Stromversorgung, ein Multimeter (Voltmeter und Amperemeter) und eine Diode (kann für jedes Halbleitergerät gebaut werden). Der Algorithmus zur Konstruktion der I - V-Kennlinie lautet wie folgt:

1. Verbinden Sie das Netzteil mit der Diode.
2. Messen Sie U und I.
3. Geben Sie Daten in die Tabelle ein.
4. Erstellen Sie anhand der Tabellendaten ein Diagramm der Abhängigkeit von I von U (Abb. 2).

Abbildung 2 - Ein Beispiel für eine nichtlineare I - V-Kennlinie einer Diode.

Die I-V-Kennlinie ist für jeden Halbleiter unterschiedlich. Einer der gebräuchlichsten Halbleiter ist beispielsweise die Schottky-Diode, benannt nach dem deutschen Physiker W. Schottky (Abbildung 3).

Abbildung 3 - VAC-Schottky.

Anhand des asymmetrischen Diagramms ist zu erkennen, dass dieser Diodentyp bei direkter Beschaltung durch einen geringen Abfall von U gekennzeichnet ist. Es gibt einen exponentiellen Anstieg von I und U. Der Strom in der Barriere ist auf negativ geladene Teilchen in Rückwärts- und Vorwärtsvorspannung zurückzuführen. Schottky haben eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit, da es keine diffusen und Rekombinationsprozesse gibt. I ist von U abhängig, da sich die Anzahl der an Ladungstransferprozessen teilnehmenden Fluggesellschaften geändert hat.

Silizium-Halbleiter werden in fast allen elektrischen Schaltungen von Geräten häufig verwendet. Abbildung 4 zeigt seine I-V-Kennlinie.

Abbildung 4 - I - V-Charakteristik von Silizium D.

In Abbildung 4 beginnt der CVC bei 0,6-0,8 V. Neben Silizium D gibt es auch Germanium, die bei normalen Temperaturen normal funktionieren. Silizium hat einen niedrigeren Ipr und Iobr, daher tritt ein thermischer irreversibler Zusammenbruch in Germanium D schneller auf (wenn ein hoher Urev angewendet wird) als bei seinem Konkurrenten.

Gleichrichter D wird verwendet, um AC U in DC umzuwandeln, und Abbildung 5 zeigt seine I-V-Kennlinie.

Abbildung 5 - I - V-Kennlinie des Gleichrichters D.

Die Abbildung zeigt die theoretischen (gestrichelte Kurve) und praktischen (experimentellen) I-V-Kennlinien. Sie stimmen nicht überein, da die Theorie einige Aspekte nicht berücksichtigt hat:

1. Das Vorhandensein von R (Widerstand) des Emitterbereichs des Kristalls, der Zuleitungen und der Kontakte.
2. Leckströme.
3. Erzeugungs- und Rekombinationsprozesse.
4. Aufteilungen verschiedener Art.

Darüber hinaus beeinflusst die Umgebungstemperatur die Messungen erheblich und die I - V-Kennlinien stimmen nicht überein, da die theoretischen Werte bei einer Temperatur von +20 Grad erhalten werden. Es gibt andere wichtige Eigenschaften von Halbleitern, die anhand der Markierungen auf dem Gehäuse verstanden werden können.

Es gibt auch zusätzliche Merkmale. Sie werden für die Anwendung von D in einem bestimmten Schema mit U und I benötigt. Wenn Sie ein D mit niedriger Leistung in Geräten verwenden, bei denen U den maximal zulässigen Uev überschreitet, gibt es Ausfall und Versagen des Elements, und dies kann auch zu einer Austrittskette anderer Teile aus Gebäude.

Zusätzliche Merkmale: Höchstwerte von Iobr und Uobr; direkte Werte von I und U; Überlaststrom; Maximale Temperatur; Arbeitstemperatur und so weiter.

Die I - V-Kennlinie hilft, solche komplexen Fehler zu bestimmen D: Zusammenbruch des Übergangs und Druckentlastung des Gehäuses. Komplexe Fehlfunktionen können zum Ausfall teurer Teile führen, daher muss D vor der Installation auf der Platine überprüft werden.

Mögliche Störungen

Laut Statistik fallen D oder andere Halbleiterelemente häufiger aus als andere Elemente der Schaltung. Der defekte Artikel kann berechnet und ersetzt werden, dies führt jedoch manchmal zu einem Verlust der Funktionalität. Wenn beispielsweise ein p-n-Übergang durchbricht, wird D zu einem gewöhnlichen Widerstand, und eine solche Transformation kann zu traurige Folgen, die vom Ausfall anderer Elemente bis hin zu Feuer oder Stromschlag reichen können aktuell. Zu den Hauptfehlern gehören:

1. Abbauen. Die Diode verliert ihre Fähigkeit, Strom in eine Richtung zu leiten und wird zu einem gewöhnlichen Widerstand.
2. Struktureller Schaden.
3. Ein Leck.

Während des Durchbruchs lässt D keinen Strom in eine Richtung durch. Es kann mehrere Gründe geben und sie treten bei starken Anstiegen von I und U auf, die für ein bestimmtes D inakzeptable Werte sind. Die wichtigsten Arten von Durchbrüchen des pn-Übergangs:

1. Thermal.
2. Elektr.

Auf thermischer Ebene, auf physikalischer Ebene, kommt es zu einer signifikanten Zunahme von Atomschwingungen, Verformung des Kristallgitters, Überhitzung des Übergangs und dem Eindringen von Elektronen in die leitfähige Zone. Der Vorgang ist irreversibel und führt zur Beschädigung der Funkkomponente.

Elektrische Durchschläge sind vorübergehend (der Kristall wird nicht verformt) und wenn er zum Normalbetrieb zurückkehrt, kehren seine Halbleiterfunktionen zurück. Strukturschäden sind körperliche Schäden an den Beinen und am Körper. Leckstrom tritt auf, wenn das Gehäuse drucklos ist.

Um D zu überprüfen, reicht es aus, ein Bein zu verdampfen und mit einem Multimeter oder Ohmmeter zu klingeln, wenn der Übergang zusammengebrochen ist (es sollte nur in eine Richtung klingeln). Als Ergebnis erscheint der Wert des R p-n-Übergangs in einer Richtung und in der anderen zeigt das Gerät unendlich. Rufen Sie in 2 Richtungen, dann ist die Funkkomponente defekt.

Wenn das Bein verschwunden ist, muss es gelötet werden. Wenn das Gehäuse beschädigt ist, muss das Teil durch ein funktionsfähiges ersetzt werden.

Wenn das Gehäuse drucklos ist, muss die I - V-Kennlinie aufgezeichnet und mit dem theoretischen Wert aus der Referenzliteratur verglichen werden.

Somit ermöglicht die I-V-Kennlinie nicht nur das Erhalten von Referenzdaten über eine Diode oder ein beliebiges Halbleiterelement, sondern auch die Identifizierung komplexer Fehler, die bei der Überprüfung mit einem Gerät nicht festgestellt werden können.