Charakterystyka diody I - V: zastosowanie charakterystyk do wyszukiwania złożonych uszkodzeń elementów półprzewodnikowych

Elementy półprzewodnikowe są szeroko stosowane w dziedzinie elektroniki, jednym z nich jest dioda. Stosowane są w prawie wszystkich urządzeniach, ale coraz częściej w różnych zasilaczach oraz w celu zapewnienia bezpieczeństwa elektrycznego. Każdy z nich ma swój specyficzny cel i charakterystykę techniczną. Aby zidentyfikować różnego rodzaju usterki i uzyskać informacje techniczne, musisz znać CVC diody.

Informacje ogólne

Dioda (D) - element półprzewodnikowy, który służy do przepuszczania prądu przez złącze pn tylko w jednym kierunku. Za pomocą D możesz wyprostować zmienną U, uzyskując z niej stałe pulsowanie. Aby wygładzić pulsacje, stosuje się filtry kondensatorowe lub indukcyjne, a czasem są łączone.

D składa się tylko ze złącza p-n z przewodami, które nazywane są anodą (+) i katodą (-). Prąd przepływający przez przewodnik ma na niego wpływ termiczny. Po podgrzaniu katoda emituje ujemnie naładowane cząstki - elektrony (E). Anoda przyciąga elektrony, ponieważ ma ładunek dodatni. W procesie powstaje pole emisyjne, przy którym powstaje prąd (emisja). Między (+) i (-) generowany jest ujemny ładunek kosmiczny, który zakłóca swobodny ruch E. E, które dotarły do ​​anody, tworzą prąd anodowy, a te, które nie dotarły - katodowy. Jeżeli prądy anodowe i katodowe są równe zeru, D jest w stanie zamkniętym.

Urządzenie półprzewodnikowe

D składa się z obudowy wykonanej z wytrzymałego materiału dielektrycznego. Obudowa zawiera przestrzeń próżniową z 2 elektrodami (anodą i katodą). Elektrody, które są metalem z warstwą aktywną, są podgrzewane pośrednio. Warstwa aktywna emituje elektrony po podgrzaniu. Katoda jest zaprojektowana w taki sposób, że wewnątrz niej znajduje się drut, który nagrzewa się i emituje elektrony, a do ich odbioru służy anoda.

W niektórych źródłach anoda i katoda nazywane są kryształem, który jest wykonany z krzemu (Si) lub germanu (Ge). Jedna z jej części składowych ma sztuczny brak elektronów, a druga ma nadmiar (ryc. 1). Pomiędzy tymi kryształami istnieje granica, która nazywa się połączeniem p-n.

Rysunek 1 - Schematyczne przedstawienie półprzewodnika typu p-n.

Aplikacje

D jest szeroko stosowany jako prostownik zmienny U w budowie zasilaczy (PSU), mostków diodowych, a także w postaci pojedynczego elementu określonego obwodu. D jest w stanie zabezpieczyć obwód przed odwróceniem polaryzacji podłączenia zasilania. Awaria dowolnej części półprzewodnikowej (na przykład tranzystora) może wystąpić w obwodzie i prowadzić do procesu awarii łańcucha elementów radiowych. W tym przypadku stosuje się łańcuch kilku D połączonych w przeciwnym kierunku. Półprzewodniki służą do tworzenia przełączników do przełączania sygnałów o wysokiej częstotliwości.

D znajdują zastosowanie w przemyśle węglowym i hutniczym, zwłaszcza przy tworzeniu iskrobezpiecznych obwodów łączeniowych w postaci barier diodowych ograniczających U w wymaganym obwodzie elektrycznym. Bariery diodowe stosuje się wraz z ogranicznikami prądu (rezystorami) w celu obniżenia wartości I i zwiększenia stopnia ochrony, a co za tym idzie bezpieczeństwa elektrycznego i przeciwpożarowego przedsiębiorstwa.

Charakterystyka woltamperowa

Charakterystyka I - V jest charakterystyką elementu półprzewodnikowego, pokazującą zależność przejścia I przez złącze p-n od wielkości i polaryzacji U (ryc. 1).

Rysunek 1 - Przykład charakterystyki prądowo-napięciowej diody półprzewodnikowej.

Charakterystyki I - V różnią się od siebie i zależy to od typu przyrządu półprzewodnikowego. Wykres charakterystyczny I – V to krzywa, wzdłuż której pionie zaznaczono wartości bezpośredniego I (góra). Poniżej znajdują się wartości I dla połączenia zwrotnego. Poziomo odczyty U są wskazywane dla włączania bezpośredniego i wstecznego. Schemat składa się z 2 części:

1. U góry i po prawej - funkcje D w bezpośrednim połączeniu. Pokazuje przepustowość I i linia idzie w górę, co wskazuje na wzrost bezpośredniego U (Upr).
2. Dolna część po lewej - D jest w stanie zamkniętym. Linia biegnie prawie równolegle do osi i wskazuje na powolny wzrost Iobr (prąd wsteczny).

Z wykresu możemy wywnioskować: im bardziej stroma jest pionowa część wykresu (1 część), tym bliżej dolnej linii znajduje się oś pozioma. Wskazuje to na wysokie właściwości prostownicze urządzenia półprzewodnikowego. Należy pamiętać, że charakterystyka I - V zależy od temperatury otoczenia, wraz ze spadkiem temperatury następuje gwałtowny spadek Iobr. Jeśli temperatura wzrośnie, wzrośnie również Iobr.

Tworzenie wykresu

Skonstruowanie CVC dla określonego typu urządzenia półprzewodnikowego nie jest trudne. Wymaga to zasilacza, multimetru (woltomierza i amperomierza) oraz diody (można zbudować dla dowolnego urządzenia półprzewodnikowego). Algorytm konstruowania charakterystyki I - V jest następujący:

1. Podłącz zasilacz do diody.
2. Zmierz U i I.
3. Wprowadź dane do tabeli.
4. Na podstawie danych tabelarycznych zbuduj wykres zależności I od U (ryc. 2).

Rysunek 2 - Przykład nieliniowej charakterystyki I - V diody.

Charakterystyka I – V będzie inna dla każdego półprzewodnika. Na przykład jednym z najczęstszych półprzewodników jest dioda Schottky'ego, nazwana przez niemieckiego fizyka W. Schottky (rysunek 3).

Rysunek 3 - VAC Schottky.

Na podstawie wykresu, który jest asymetryczny, można zauważyć, że ten typ diody charakteryzuje się niewielkim spadkiem U przy połączeniu bezpośrednim. Następuje wykładniczy wzrost I i U. Prąd w barierze jest spowodowany ujemnie naładowanymi cząstkami w kierunku wstecznym i do przodu. Schottky ma dużą szybkość reakcji, ponieważ nie ma procesów dyfuzji i rekombinacji. Jestem zależny od U ze względu na zmianę liczby przewoźników uczestniczących w procesach przenoszenia opłat.

Półprzewodnik krzemowy jest szeroko stosowany w prawie wszystkich obwodach elektrycznych urządzeń. Rysunek 4 pokazuje jego charakterystykę I - V.

Rysunek 4 - I - V charakterystyka krzemu D.

Na rysunku 4 CVC zaczyna się od 0,6-0,8 V. Oprócz krzemu D są też te z germanu, które będą pracować normalnie w normalnych temperaturach. Krzem ma niższe Ipr i Iobr, dlatego nieodwracalny rozkład termiczny w germanie D zachodzi szybciej (przy zastosowaniu wysokiego Urev) niż u jego konkurenta.

Prostownik D służy do konwersji AC U na DC, a rysunek 5 pokazuje jego charakterystykę I - V.

Rysunek 5 - I - V charakterystyka prostownika D.

Rysunek przedstawia teoretyczną (krzywą przerywaną) i praktyczną (eksperymentalną) charakterystykę I – V. Nie pokrywają się ze względu na to, że teoria nie uwzględniała niektórych aspektów:

1. Obecność R (rezystancja) obszaru emiterowego kryształu, wyprowadzeń i styków.
2. Prądy upływowe.
3. Procesy generacji i rekombinacji.
4. Awarie różnych typów.

Ponadto temperatura otoczenia znacząco wpływa na pomiary, a charakterystyki I - V nie pokrywają się, ponieważ wartości teoretyczne uzyskuje się w temperaturze +20 stopni. Istnieją inne ważne cechy półprzewodników, które można zrozumieć na podstawie oznaczeń na opakowaniu.

Istnieją również dodatkowe cechy. Są one potrzebne do zastosowania D w pewnym schemacie z U i I. Jeśli użyjesz D o małej mocy w urządzeniach, w których U przekracza maksymalny dopuszczalny Urev, będzie awaria i awaria elementu, a także może to pociągać za sobą łańcuch wyjścia innych części z budynek.

Dodatkowe cechy: maksymalne wartości Iobr i Uobr; bezpośrednie wartości I i U; prąd przeciążenia; Maksymalna temperatura; temperatura pracy i tak dalej.

Charakterystyka I - V pomaga określić takie złożone usterki D: awaria przejścia i dekompresja obudowy. Złożone awarie mogą prowadzić do awarii drogich części, dlatego przed zainstalowaniem D na płycie należy to sprawdzić.

Możliwe usterki

Według statystyk D lub inne elementy półprzewodnikowe zawodzą częściej niż inne elementy obwodu. Wadliwy przedmiot można obliczyć i wymienić, ale czasami prowadzi to do utraty funkcjonalności. Na przykład, gdy p-n-złącze się psuje, D zamienia się w zwykły rezystor, a taka transformacja może prowadzić do smutne konsekwencje, począwszy od awarii innych elementów, a skończywszy na pożarze lub porażeniu prądem obecny. Główne wady obejmują:

1. Awaria. Dioda traci zdolność przepuszczania prądu w jednym kierunku i staje się zwykłym rezystorem.
2. Uszkodzenie strukturalne.
3. Wyciek.

Podczas awarii D nie przepuszcza prądu w jednym kierunku. Przyczyn może być kilka i pojawiają się one przy gwałtownych wzrostach I i U, które są wartościami niedopuszczalnymi dla pewnego D. Główne rodzaje awarii złączy pn:

1. Termiczny.
2. Elektryczny.

Na poziomie termicznym, na poziomie fizycznym, następuje znaczny wzrost drgań atomowych, deformacja sieci krystalicznej, przegrzanie przejścia i wnikanie elektronów do strefy przewodzącej. Proces jest nieodwracalny i prowadzi do uszkodzenia elementu radiowego.

Przebicia elektryczne są chwilowe (kryształ nie ulega deformacji) i po powrocie do normalnej pracy powracają jego funkcje półprzewodnikowe. Uszkodzenie strukturalne to fizyczne uszkodzenie nóg i ciała. Prąd upływu występuje, gdy obudowa jest rozhermetyzowana.

Aby sprawdzić D, wystarczy odparować jedną nogę i zadzwonić multimetrem lub omomierzem w przypadku awarii przejścia (powinno dzwonić tylko w jednym kierunku). W rezultacie wartość R p-n-transition pojawi się w jednym kierunku, a w drugim urządzenie pokaże nieskończoność. Jeśli dzwonisz w 2 kierunkach, to element radiowy jest uszkodzony.

Jeśli noga zniknęła, należy ją przylutować. Jeśli obudowa jest uszkodzona, część należy wymienić na sprawną.

Gdy obudowa jest rozprężona, konieczne będzie wykreślenie charakterystyki I - V i porównanie jej z wartością teoretyczną zaczerpniętą z literatury referencyjnej.

Tak więc charakterystyka I - V pozwala nie tylko na uzyskanie danych referencyjnych na diodzie lub dowolnym elemencie półprzewodnikowym, ale także na identyfikację złożonych usterek, których nie można określić podczas sprawdzania za pomocą urządzenia.