Caratteristica I - V di un diodo: applicazione delle caratteristiche per la ricerca di guasti complessi di elementi semiconduttori

Gli elementi a semiconduttore sono ampiamente utilizzati nel campo dell'elettronica, uno dei quali è un diodo. Sono utilizzati in quasi tutti i dispositivi, ma più spesso in vari alimentatori e per garantire la sicurezza elettrica. Ognuno di essi ha il suo scopo specifico e le sue caratteristiche tecniche. Per identificare i vari tipi di malfunzionamenti e ottenere informazioni tecniche, è necessario conoscere il CVC del diodo.

Informazione Generale

Diodo (D) - elemento semiconduttore, che serve a far passare la corrente attraverso la giunzione pn in una sola direzione. Con l'aiuto di D, puoi raddrizzare la variabile U, ottenendo una pulsazione costante da essa. Per appianare le pulsazioni, vengono utilizzati filtri di tipo condensatore o induttivo e talvolta vengono combinati.

D consiste solo di una giunzione p-n con conduttori, che sono chiamati anodo (+) e catodo (-). La corrente, quando passa attraverso il conduttore, ha un effetto termico su di esso. Quando riscaldato, il catodo emette particelle cariche negativamente - elettroni (E). L'anodo attrae gli elettroni perché ha una carica positiva. Nel processo si forma un campo di emissione, in corrispondenza del quale sorge una corrente (emissione). Tra (+) e (-), si genera una carica spaziale negativa, che interferisce con il libero movimento di E. E, che hanno raggiunto l'anodo, formano una corrente anodica e quelli che non hanno raggiunto - catodica. Se le correnti anodica e catodica sono uguali a zero, D è nello stato chiuso.

Dispositivo a semiconduttore

D è costituito da un alloggiamento in materiale dielettrico durevole. L'alloggiamento contiene uno spazio vuoto con 2 elettrodi (anodo e catodo). Gli elettrodi, che sono metallici con uno strato attivo, vengono riscaldati indirettamente. Lo strato attivo emette elettroni quando riscaldato. Il catodo è progettato in modo tale che vi sia un filo al suo interno, che si riscalda ed emette elettroni, e l'anodo serve a riceverli.

In alcune fonti, l'anodo e il catodo sono chiamati cristalli, che sono fatti di silicio (Si) o germanio (Ge). Una delle sue parti costitutive ha una mancanza artificiale di elettroni e l'altra ha un eccesso (Fig. 1). C'è un confine tra questi cristalli, che è chiamato giunzione p-n.

Figura 1 - Rappresentazione schematica di un semiconduttore di tipo p-n.

Applicazioni

D è ampiamente utilizzato come raddrizzatore U variabile nella costruzione di alimentatori (PSU), ponti a diodi, nonché sotto forma di un singolo elemento di un circuito specifico. D è in grado di proteggere il circuito dall'inversione di polarità del collegamento di alimentazione. Un guasto di qualsiasi parte del semiconduttore (ad esempio un transistor) può verificarsi nel circuito e portare al processo di guasto della catena di radioelementi. In questo caso si utilizza una catena di più D, collegate in senso opposto. I semiconduttori vengono utilizzati per creare interruttori per la commutazione di segnali ad alta frequenza.

D sono utilizzati nell'industria carboniera e metallurgica, in particolare quando si creano circuiti di commutazione a sicurezza intrinseca sotto forma di barriere a diodi che limitano U nel circuito elettrico richiesto. Le barriere a diodi vengono utilizzate insieme ai limitatori di corrente (resistenze) per ridurre i valori I e aumentare il grado di protezione e, di conseguenza, la sicurezza elettrica e la sicurezza antincendio dell'impresa.

Caratteristiche Volt-Ampere

La caratteristica I - V è una caratteristica di un elemento semiconduttore, che mostra la dipendenza di I che passa attraverso una giunzione p-n dalla grandezza e dalla polarità di U (Fig. 1).

Figura 1 - Un esempio della caratteristica corrente-tensione di un diodo a semiconduttore.

Le caratteristiche I - V differiscono tra loro e dipendono dal tipo di dispositivo a semiconduttore. Il grafico caratteristico I – V è una curva, lungo la verticale della quale sono segnati i valori della I diretta (in alto). Di seguito sono riportati i valori di I per la connessione inversa. Orizzontalmente, le letture U sono indicate per l'accensione diretta e inversa. Lo schema si compone di 2 parti:

1. In alto ea destra - Funzioni D in connessione diretta. Mostra il throughput I e la linea sale, il che indica un aumento della U diretta (Upr).
2. La parte inferiore a sinistra - D è nello stato chiuso. La linea corre quasi parallela all'asse e indica un lento aumento di Iobr (corrente inversa).

Dal grafico, possiamo concludere: più ripida è la parte verticale del grafico (1 parte), più la linea di fondo è vicina all'asse orizzontale. Ciò indica le elevate proprietà di rettifica del dispositivo a semiconduttore. Va tenuto presente che la caratteristica I - V dipende dalla temperatura ambiente, con una diminuzione della temperatura si verifica una forte diminuzione di Iobr. Se la temperatura aumenta, aumenta anche Iobr.

Tracciare un grafico

Non è difficile costruire un CVC per un tipo specifico di dispositivo a semiconduttore. Ciò richiede un alimentatore, un multimetro (voltmetro e amperometro) e un diodo (può essere costruito per qualsiasi dispositivo a semiconduttore). L'algoritmo per costruire la caratteristica I - V è il seguente:

1. Collega l'alimentatore al diodo.
2. Misura U e I.
3. Inserisci i dati nella tabella.
4. Sulla base dei dati tabulari, costruisci un grafico della dipendenza di I da U (Fig. 2).

Figura 2 - Un esempio di caratteristica I - V non lineare di un diodo.

La caratteristica I – V sarà diversa per ogni semiconduttore. Ad esempio, uno dei semiconduttori più comuni è il diodo Schottky, chiamato dal fisico tedesco W. Schottky (figura 3).

Figura 3 - VAC Schottky.

In base al grafico, che è asimmetrico, si vede che questo tipo di diodo è caratterizzato da una piccola caduta di U con connessione diretta. C'è un aumento esponenziale di I e U. La corrente nella barriera è dovuta a particelle cariche negativamente in polarizzazione inversa e diretta. Schottky ha un'alta velocità di risposta, poiché non ci sono processi diffusi e di ricombinazione. I dipende da U a causa di un cambiamento nel numero di vettori che partecipano ai processi di trasferimento degli addebiti.

Il semiconduttore al silicio è ampiamente utilizzato in quasi tutti i circuiti elettrici dei dispositivi. La figura 4 mostra la sua caratteristica I - V.

Figura 4 - Caratteristica I - V del silicio D.

Nella Figura 4, il CVC inizia a 0,6-0,8 V. Oltre al silicio D, ci sono anche quelli al germanio, che funzioneranno normalmente a temperature normali. Il silicio ha Ipr e Iobr inferiori, quindi la rottura termica irreversibile del germanio D si verifica più rapidamente (quando viene applicato un alto Urev) rispetto al suo concorrente.

Il raddrizzatore D viene utilizzato per convertire AC U in DC e la Figura 5 mostra la sua caratteristica I - V.

Figura 5 - Caratteristica I - V del raddrizzatore D.

La figura mostra le caratteristiche I – V teoriche (curva tratteggiata) e pratiche (sperimentali). Non coincidono per il fatto che la teoria non ha tenuto conto di alcuni aspetti:

1. La presenza di R (resistenza) della regione di emettitore del cristallo, conduttori e contatti.
2. Correnti di dispersione.
3. Processi di generazione e ricombinazione.
4. Guasti di vario tipo.

Inoltre, la temperatura ambiente influisce in modo significativo sulle misurazioni e le caratteristiche I - V non coincidono, poiché i valori teorici si ottengono a una temperatura di +20 gradi. Ci sono altre importanti caratteristiche dei semiconduttori che possono essere comprese dai contrassegni sulla confezione.

Ci sono anche caratteristiche aggiuntive. Sono necessari per l'applicazione di D in un determinato schema con U e I. Se si utilizza un D a bassa potenza in dispositivi con U che supera l'Urev massimo consentito, allora ci sarà rottura e guasto dell'elemento, e questo può anche portare a una catena di uscita di altre parti da costruzione.

Caratteristiche aggiuntive: valori massimi di Iobr e Uobr; valori diretti di I e U; corrente di sovraccarico; Temperatura massima; temperatura di lavoro e così via.

La caratteristica I - V aiuta a determinare guasti così complessi D: rottura della transizione e depressurizzazione del caso. Malfunzionamenti complessi possono portare al guasto di parti costose, pertanto, prima di installare D sulla scheda, è necessario verificarlo.

Possibili malfunzionamenti

Secondo le statistiche, D o altri elementi a semiconduttore si guastano più spesso di altri elementi del circuito. L'articolo difettoso può essere calcolato e sostituito, ma a volte ciò comporta una perdita di funzionalità. Ad esempio, quando una giunzione p-n si rompe, D si trasforma in un normale resistore e tale trasformazione può portare a tristi conseguenze, che vanno dal fallimento di altri elementi e terminano con un incendio o una scossa elettrica attuale. I principali difetti includono:

1. Guasto. Il diodo perde la sua capacità di far passare la corrente in una direzione e diventa un normale resistore.
2. Danno strutturale.
3. Una perdita.

Durante il guasto, D non fa passare corrente in una direzione. Le ragioni possono essere diverse e si presentano con forti aumenti di I e U, che sono valori inaccettabili per un certo D. I principali tipi di guasti alla giunzione pn:

1. Termico.
2. Elettrico.

A livello termico, a livello fisico, c'è un significativo aumento delle vibrazioni atomiche, deformazione del reticolo cristallino, surriscaldamento della transizione e ingresso di elettroni nella zona conduttiva. Il processo è irreversibile e porta a danni al componente radio.

I guasti elettrici sono temporanei (il cristallo non si deforma) e quando torna al normale funzionamento, le sue funzioni di semiconduttore ritornano. Il danno strutturale è un danno fisico alle gambe e al corpo. La corrente di dispersione si verifica quando la custodia è depressurizzata.

Per controllare D, è sufficiente far evaporare una gamba e suonarla con un multimetro o un ohmmetro in presenza di un guasto della transizione (dovrebbe suonare solo in una direzione). Di conseguenza, il valore della transizione R p-n apparirà in una direzione e nell'altra il dispositivo mostrerà l'infinito. Se chiami in 2 direzioni, il componente radio è difettoso.

Se la gamba è scomparsa, deve essere saldata. Se la custodia è danneggiata, la parte deve essere sostituita con una riparabile.

Quando il caso è depressurizzato, sarà necessario tracciare la caratteristica I - V e confrontarla con il valore teorico preso dalla letteratura di riferimento.

Pertanto, la caratteristica I - V consente non solo di ottenere dati di riferimento su un diodo o su qualsiasi elemento a semiconduttore, ma anche di identificare guasti complessi che non possono essere determinati durante il controllo con un dispositivo.