Основно съдържание

Курс: Физика – 11. клас (България) > Раздел 3

Урок 4: Проводници, полупроводници и изолатори

Диодът като елемент от електрическа схема

Диодите провеждат ток в едната посока, но не и в другата. Можем да определим една диодна схема като начертаем волт-амперната характеристика и резистора, за да се намери пресечната точка. Автор Уили Макалистър.

Диодът е първото полупроводниково устройство. Отличителната характеристика на диода е, че той провежда ток в едната посока, но не и в другата. Няма да навлизаме в детайли в този механизъм или как е направен диодът. За щастие, не е нужно да знаеш как да направиш диод, преди да го използваш в електрическа верига.

Полупроводниковите материали попадат между изолаторите и проводниците. Те обикновено действат като изолатори, но можем да контролираме колко провеждат като променим начина, по който са направени, и приложим напрежение.

Най-добре познатият и най-добре проучен полупроводников материал е силицият (Si, атомен номер

14

). Силицият до момента е най-често използваният материал за създаване на полупроводникови елементи. За силиция вероятно се знае повече, отколкото за всеки друг елемент на Земята.

Други полупроводникови материали са германий (Ge, атомен номер

32

, точно под силиция в периодичната таблица) и галиев арсенид,

1 : 1

съотношение между галий и арсен (атомни номера

31

33

, от двете страни на германия).

Способността ни прецизно да контролираме провеждащите свойства на силиция ни позволява да създаваме съвременни чудеса като компютри и мобилни телефони, и всякакви други сложни електрически уреди. Как точно работи един полупроводник може да се обясни чрез квантовата механика.

Накъде ни води това

Волт-амперната характеристика

I

U

на един диод се моделира с това нелинейно уравнение:

I = I_{д} (e^{q U / k T} - 1)

Ще дефинираме термини като свързване в права посока, свързване в обратна посока и насищащ ток (ток на насищане).
Ще научиш някои съвети за идентифициране на изводите на реален диод.
Ще решим задача с диодна ел. верига, като използваме графичен метод.

Символ за диод

Схематичният символ за диод изглежда ето така:

Черната стрелка ▶ в символа сочи в посоката на протичане на тока в диода,

I

. Напрежението на диода

U

е ориентирано така, че

+

е в края, където токът влиза в диода. Използваме конвенцията за знаците за пасивни компоненти. По избор може да се използва и изкривена оранжева стрелка, която също показва поляритета на напрежението.

Волт-амперна характеристика ( $I$ ‍- $U$ ‍) на диода

Това е типичната волт-амперна характеристика (

I

U

) на силициев диод. Диодът е нелинейно устройство:

Ток в права и в обратна посока

Ток в права посока

Да кажем, че пуснем много малко положително напрежение, например

+ 0, 2

волта, през силициев диод. Това ни поставя вдясно на волт-амперната характеристика

I

U

. С това малко положително напрежение протича изключително слаб ток. Когато напрежението се увеличи до около

0, 6 V

, през диода започва да тече измерим ток в права посока. Когато напрежението се покачи малко над

0, 6 V

, токът през диода рязко се увеличава. Волт-амперната характеристика

I

U

в този момент е почти вертикална (отклонява се съвсем леко надясно).

Когато напрежението между изводите е положително, казваме, че диодът е със свързване в права посока. Диодът е със свързване в права посока, когато напрежението му е по

+

страната за напрежението спрямо началната точка. При нормална работа, напрежението през свързан в права посока силициев диод е някъде между

0, 60 - 0, 75 V

. Ако външно усилиш напрежението над

0, 75

волта, токът в диода става много голям и диодът може да прегрее.

Ток в обратна посока

Ако приложиш отрицателно напрежение към един диод, така че

-

терминалът да е под по-високо напрежение от

+

терминала, това ни поставя в лявата страна на волт-амперната характеристика

I

U

. Казваме, че диодът е със свързване в обратна посока. При свързване в обратна посока токът е много близък до нула, винаги съвсем леко отрицателен, под оста за напрежението.

Има малко количество ток, което протича, когато диодът е свързан в обратна посока. Наричаме го ток на насищане в обратна посока. Добре направен диод обикновено има ток в обратна посока в интервала от

I_{н} = 10^{- 9}

до

10^{- 12} A

. В повечето ситуации това е достатъчно близо до нула, че да бъде игнориран.

В някои случаи (интегрирана верига с милиони диоди или искаш да засечеш много малки токове), обратният ток на насищане става важен и му даващ зле звучащо има пропускащ ток.

Диод със свързване в обратна посока не може да издържи вечно. Когато напрежението стигне до висока отрицателна стойност, известна като пробивно напрежение,

U_{пр}

, диодът започва да провежда в обратна посока. При пробива на напрежението токът рязко се увеличава и става много висок в отрицателната посока. Пробивно напрежение

U_{пр}

от

- 50 V

е типично за обикновените диоди. През повечето време не позволяваш на напрежението на диода да се доближи до

U_{пр}

Ценеровият диод нарочно е създаден да действа в пробивната си област. Каталозите ти дават възможност да избираш измежду множество различни пробивни напрежения. Символът за ценеров диод има малко z.

Този диод бива включван във вериги, при които рязко вертикална пробивна област на волт-амперната характеристика

I

U

прави така, че това да изглежда като постоянен източник на напрежение.

Терминът посока на свързване няма една-единствена прецизна дефиниция.

На английски за посока на свързване при диодите се използва термина "bias", което в буквален превод може да означава "пристрастие" и най-често се отнася до поведение, което се характеризира с нечестност и фаворизиране. Или може да се използва в ситуации, в които да означава "склонност" – "Той показва склонност да се втурне в действие" – или да се използва за описване на тенденция – Вратарят има тенденция да скача наляво при дузпи."

В електрониката думата bias се използва като посока на свързване в смисъла, че "се предпочита едната посока". Това възниква само в няколко ситуации. Една от тях е, когато говорим за диодите, както тук. Свързване в права посока (на англ. forward bias) означава, че външно приложено напрежение "премества" диода към предната провеждаща страна на неговата волт-амперна характеристика

I

U

. Свързване в обратна посока (на англ. reverse bias) е противоположното – отрицателно външно напрежение "премества" диода към неговата област на свързване в обратна посока.

В английския език има и други случаи, където ще срещаш този термин, но в българския език използваме различни термини. Например, прилагаш bias voltage (тоест изместващо напрежение) към изводите на един уред (обикновено транзистор), за да го позиционираш в диапазона на напрежението, в който работи най-добре. Например, ако транзисторът работи най-добре между

1

3

волта, създаваш изместващо напрежение, центрирано при

2

волта, точно в средата на оптималния му диапазон.

Изводи (електроди) на диода

Когато чертаеш диоди, схематичният символ ясно посочва движението на тока в права посока. Не ти трябват имена за двата извода. Но ако работиш с реални диоди, за да построиш верига, трябва да откриеш как да насочиш диода. Реалните диоди са толкова малки, че няма място да се изпише малък символ за диода на тях, затова трябва да определиш изводите по друг начин.

Двата електрода (извода) на диода се наричат анод и катод.

Как да запомня анод и катод?

Дълго време не можех да запомня кой край на диода се нарича анод и кой е катод. Всеки път допълнително търсех информацията. Най-накрая се сетих да използвам, че думата Катод започва с голямо "К", което изглежда донякъде като символа за диод.

Обърни символа за диод, докато започне да изглежда като К. Катодът е електродът вляво.

Определяне на електродите на реален диод

Диодите са направени от малки силициеви чипове. Те се доставят в най-различни малки опаковки. Има няколко различни начини да определим кой електрод на диода кой е.

Диодни опаковки във вид на цилиндри от стъкло и черна пластмаса, като показаните по-горе, обикновено имат цветна чертичка близо до единия край. Това е чертата на диодния символ, така че посочва катода.

Този червен светодиод (LED-диод), т.е. диод, който излъчва светлина, има два извода с различна дължина. По-дългият служи за анод (+), а по-късият за катод (–). Ако искаме да свържем диода в правилна посока, трябва да спазваме този поляритет. Върху опаковката може да има издутина или издаден щифт от страната на анода.

Идентифициране на анода и катода с измервателен уред

За да разбереш кой извод на диода е анод и кой катод, може да използваш омметър - така ще откриеш в коя посока съпротивлението му е по-малко и може да протича по-силен ток. Настройваш уреда да измерва съпротивление

Ω

. В този случай на изводите се подава слабо напрежение (затова омметърът има нужда от батерия). Използваш това малко напрежение, за да видиш накъде тече токът.

Във всички илюстрации диодът е обърнат. Ако омметърът отчете някакво малко съпротивление, това означава, че диодът провежда малък ток в посока напред, а червеният

+

проводник от омметъра докосва анода. Ако показанието за съпротивлението е O.L. (за пренатоварване), диодът не провежда ток. Това означава, че червеният

+

тестов проводник докосва катода.

Измервателният ти уред може да има настройка за диод, малък символ на диод. Ако има, той ще покаже напрежението в права посока, когато червеният проводник докосва терминала с ток в права посока (анода), както е показано по-долу.

$I$ ‍- $U$ ‍ уравнение за идеален диод

I

U

зависимостта за диода може да бъде моделирана с уравнение. Това уравнение се базира на характеристиките на действието на диода, както и на прецизни измервания на реални диоди.

I = I_{д} (e^{q U / k T} - 1)

Диаграмата по-горе не изглежда много като експоненциална крива и токът за отрицателни напрежения изглежда е

0

. Ако разширим настоящия мащаб с няколко

(милиампера

\to

пикоампери)

експоненциалната форма става очевидна (мащабът за напрежението също е увеличен). Можеш да видиш малък отрицателен

I_{н}

да тече, когато диодът е със свързване в обратна посока:

I_{н}

e токът на насищане. Този ток тече назад, когато диодът е свързан в обратна посока. Типична стойност за

I_{н}

при силиция е

10^{- 12} A

, (

1

пикоампера). За германиевите диоди типична стойност за

I_{н}

10^{- 6} A

, (

1

микроампера).

Най-добре е да разглеждаш уравнението за идеален диод като модел на диод, а не като закон. Уравнението представлява абстрактен идеален диод. Реалното поведение зависи от това как е направен, каква е температурата му и колко те интересуват дребните детайли.

Задълбочено разглеждане на $I$ ‍- $U$ ‍ уравнението за диод

[Тази следваща част разнищва уравнението за идеален диод в детайли. Не ти трябва това, за да използваш диод във верига. Не е проблем да прескочиш към примера]

Има много нови параметри в уравнението за диода. Нека внимателно преминем през тях.

I = I_{д} (e^{q U / k T} - 1)

U

е напрежението на диода. Намираме го горе в степенния показател, което обяснява защо токът

I

има експоненциална зависимост от напрежението

U

Нека разгледаме всички други неща в степенния показател на

e^{q U / k T}

Знаем, че степените нямат измерения, така че другите членове в степенния показател трябва да са с мерни единици от

1 / v

q

е зарядът на електрона, в кулони:

q = 1,602 \cdot 10^{- 19} C

k

е константата на Болцман, много важна константа във физиката. Енергията на една частица се увеличава с температурата. Ако знаеш температурата на една частица,

k

ти казва каква част от кинетичната енергия на частицата се дължи на температурата ѝ. Единиците на константата на Болцман са енергия за келвин.

Когато измерваме температурата в Целзий или Фаренхайт, казваме "градуси по Целзий" или "градуси по Фаренхайт". Записваш температурата като

23^{\circ} C

или

73^{\circ} F

, като малкото кръгче

^{\circ}

е символът за градус. Единиците за абсолютната температура са наречени на Лорд Келвин и са определени вече да са градуси. Така че казваме просто "келвин", вместо "градуса по Келвин", тъй като това ще е излишно. Температурата в келвини се записва без малко кръгче за градусите, ето така

- 273^{\circ} C = 0 K

Също така, отбележи си, че не трябва да объркваш голямо

K

за келвин с малкото

k

за константа на Болцман.

k = 1,380 \cdot 10^{- 23} J/K (джаули на келвин)

T

е температурата, измерена от абсолютната нула по

келвин

или

K

. Температура на абсолютната нула, или

0 K

, е

- 273^{\circ} C (Целзий)

Ако една частица е при

T = 300 K

, (стайна температура), тогава има енергия:

k T = 1,380 \cdot 10^{- 23} J/K \cdot 300 K = 4, 14 \times 10^{- 21} J

Всеки електрон има определен електричен заряд, което ще рече че той има и определена потенциална енергия. Тази енергия, при определени обстоятелства, може да се променя. Може да ти звучи познато. Другото име на тази промяна е напрежение.

\frac{k T}{q} = \frac{4, 14 \cdot 10^{- 21} J}{1,602 \cdot 10^{- 19} C} = 25, 8 \approx 26 mV

При стайна температура (около

300 K

k T / q

26

миливолта. Това е енергията на нормален "средностатистически" електрон. Степенният показател в уравнението за диода,

v / 26 mV

, сравнява напрежението на диода с енергията на обикновен електрон.

Ако ти харесва, можеш да запишеш уравнението на диода при стайна температура като:

I = I_{н} (e^{U / 26 mV} - 1)

I

U

уравнението на този нелинеен диод е по-сложно, отколкото линейните

I

U

уравнения за

R

L

C

. Има много малко случаи, в които ще ти се наложи да използваш това уравнение, за да намериш аналитично решение. Обичайният подход към диодни вериги е да се направи графично решение или да се използва програма за симулиране на вериги, за да се получи приблизителен отговор.

Пример за диодна верига

Нека създадем електрическа верига с диод. Тази верига има зелен излъчващ светлина диод (LED).

Решаваме този пример с помощта на волт-амперната характеристика на силициев диод, като напрежението в права посока е приблизително

0, 7 V

. Обикновен светодиод (LED) е направен от различни материали от периодичната таблица и има напрежение в права посока между

2

4 V

в зависимост от цвета. Ако имаш предвид специфичен LED, консултирай се с таблицата, за да намериш напрежението му в права посока, излъчваната светлина и тока.

Резисторът и диодът имат един и същ ток,

i

. Искаме да намерим

i

и напрежението в диода,

v_{D}

През всички елементи тече един и същи ток, така че ще се фокусираме върху уравнението за тока.

За диода получаваме тока

I

по отношение на

U_{д}

от уравнението за идеален диод при стайна температура:

I = I_{н} (e^{U_{D} / 26 mV} - 1)

За резистора, ако можем да съставим уравнение за

I

по отношение на

U_{д}

, ще успеем да поставим това уравнение на същата волт-амперна

I

U

характеристика на диода. Законът на Ом за резистора е:

I = \frac{U_{р}}{330 Ω}

Знаем, че

U_{р} = 3 V - U_{д}

, така че токът през резистора става:

I = \frac{3 V - U_{д}}{330 Ω}

Преработваме уравнението, така че да го получим във вида уравнение на права по дадени ъглов коефициент и пресечна точка с оста I:

I = - \frac{1}{330 Ω} U_{д} + \frac{3 V}{330 Ω}

I = - \frac{1}{330 Ω} U_{д} + 9 mA

Горният извод на резистора ни е свързан с батерията. Получава се това уравнение с категорично отрицателен наклон. Тази права носи "прякора" линия на натоварване. Ще срещнем отново линиите на натоварване, когато изучаваме транзистори.

Ъгловият коефициент (наклонът) на правата на натоварване на резистора е

- \frac{1}{330}

Пресечната точка с оста

I

9 mA

Графично решение

Имаме система уравнения с две неизвестни,

I

U_{д}

I = - \frac{1}{330 Ω} v_{D} + 9 mA

I = I_{н} (e^{U_{D} / 26 mV} - 1)

Можем да решим тези две уравнения чрез графичен метод, като начертаем графиките в един и същ мащаб и видим къде се пресичат. В точката, в която се пресичат, токът в резистора е равен на тока в диода.

Можем да получим доста точен отговор, като намерим пресечната точка на графиката:

U_{д} = 0, 6 V

I = 7, 2 mA

Резултатът, получен от графиката, често е с напълно задоволителна точност.

Проверка на концепциите

Задача 1

Колко е токът, когато напрежението на диода $U_{д}$ ‍ е $0$ ‍?

I =

mA

Задача 2

Какво е напрежението, когато правата на резистора пресича оста $U$ ‍? $(I = 0)$ ‍

U =

V

Задача 3

Пресечната точка на резисторната права с оста $I$ ‍ зависи ли от стойността на съпротивлението $R$ ‍?

Задача 4

Пресечната точка на резисторната права с оста $U$ ‍ зависи ли от стойността на $R$ ‍?

По-ярко

Предположи, че конструираш тази верига и светодиодът ти не е достатъчно ярък. Яркостта се увеличава, ако увеличиш тока. Как може да направиш това?

Опитай да промениш нещо във веригата, за да увеличиш яркостта. После скицирай ново графично решение.

Един начин да получим повече ток в диода е да намалим съпротивлението. По-ниското съпротивление прави правата на резистора по-стръмна. Ако намалим резистора до

200 Ω

и начертаем новата права, получаваме ново решение.

Ако направим съпротивлението

200 Ω

, това увеличава тока в светодиода до

12 mA

, което прави диода по-ярък.

Можеш да видиш и какво се случва, ако увеличиш напрежението. Правата на резистора се премества в различна посока, когато напрежението се промени. Опитай това самостоятелно.

Предположи, че искаме да получим максимална яркост, като изцяло пропуснем резистора. Това добра или лоша идея е?

Представи си как правата на резистора се променя, докато съпротивлението се променя от

200 Ω

на

0 Ω

Ако направим резистора по-малък и по-малък, зелената права на резистора става по-стръмна и по-стръмна, тъй като пресечната точка с оста

I

отива все по-нагоре и по-нагоре.

Долният край на правата на резистора остава при

U = 3 V

. Със съпротивление от

0 Ω

правата сочи право нагоре и не пресича кривата на диода чак до доста нагоре по отношение на тока. Две неща могат да се случат в този момент. Диодът изгаря от излишната топлина или, ако диодът оцелее, батерията бързо се изтощава. Така че се оказва лоша идея да не сложим резистор.

Ако използваме волт-амперната характеристика на светодиода

Ако решим тази задача с волт-амперната характеристика на светодиода с напрежение в права посока

2 V

, решението ще е нещо подобно:

Обикновен светодиод излъчва приятна светлина, когато токът е около

20 mA

. За да получиш този ток, настройваш наклона на линията на натоварване на резистора, докато пресечната точка достигне тока, който искаш. После намираш стойността на съпротивлението от наклона. Наклонът на линията на натоварване на резистора е

- \frac{1}{R}

Резистор със стандартно съпротивление

47 Ω

се доближава до целевите

20 mA

. Разбира се, тази стойност за съпротивлението ще е различна, ако имаш различно захранващо напрежение.

Повечето технически спецификации на светодиоди ти дават спецификация за напрежението в права посока, но не и уравнение за кривата на диода, както показахме в диаграмата по-горе. Не е проблем да представиш приблизително диода с вертикална права при напрежение в права посока. Ще получиш доста добро графично решение.

Обобщение

Схематичен символ и имена на електродите на един диод:

Уравнението на диода е:

I = I_{д} (e^{q U / k T} - 1)

I_{н}

е токът на насищане. За силиция обичайната стойност е

I_{н} = 10^{- 12} A

В степенния показател на уравнението на диода членът

k T / q

е равностоен на

26 mV

, ако диодът е при стайна температура.

k

е константата на Болцман,

T

е температурата в келвини, а

q

е зарядът на един електрон в кулони. Ако диодът е близо до стайна температура, уравнението на диода може да бъде записано като:

I = I_{н} (e^{U / 26 mV} - 1)

Демонстрирахме графично решение за диодна верига и това ни даде доста добър отговор без много работа. Като цяло, графичните решения са добър начин да работиш с всяка верига с нелинеен елемент.

Приложение: Видове диоди

Има много видове диоди, които се различават по материали и обработка и са специализирани за различни употреби. Ето няколко:

Силициев диод - Силицият е най-често срещаният материал, използван за създаване на диоди. Силицият обикновено има напрежение в права посока $0, 6 - 0, 7 V$ ‍.
Германиев диод - Направен е от различен елемент. Германиевите диоди имат по-ниско напрежение в права посока, около $0, 25 - 0, 30 V$ ‍.
Диод на Шотки - Направен е от преход силиций към метал. Напрежението в права посока е по-ниско от това при обикновените силициеви диоди, в диапазона $0, 15 - 0, 45 V$ ‍.
Ценеров диод - Нарочно е направен да действа в пробивната област, като се използва като отправна точка за напрежението.
Светодиоди (LED; излъчващ светлина диод) - Името му показва какво прави. Като изключим това, действа като обикновен силициев диод. Светодиод се прави чрез комбинация на елементи, разположени от двете страна на силиция в периодичната таблица. Например жълт светодиод може да се направи от галиев арсенид фосфид (GaAsP).
Фотодиод - Този диод има прозорче, за да позволи на светлината да пада директно върху повърхността на силиция. Токът в диода е пропорционален на интензитета на светлината. Соларните (слънчеви) клетки са вид фотодиод.
Малък сигнален или превключващ диод - силициев диод, създаден така, че бързо да преминава от свързване в права посока към свързване в обратна посока и отново към предходното. Това се постига, когато диодът е с много малки размери.

Искаш ли да се присъединиш към разговора?

Вписване в профила

Сортирай по:

Все още няма публикации.

Разбираш ли английски? Натисни тук, за да видиш още дискусии в английския сайт на Кан Академия.

Физика – 11. клас (България)