Смещение диодов — это способ, которым напряжение заставляет диод либо нести ток, либо блокировать его. Изменяя размер и направление напряжения, диод может работать в прямой проводимости, обратном блокировании или пробое. В этой статье объясняются область истощения, передний коленный и экспоненциальный ток, обратная утечка и пробой и приведена информация о применении этих цепей.
Обзор смещения диодов
Смещение диодов описывает, как источник напряжения подаётся на диод для установки его рабочего состояния. При одной полярности диод проводит ток (прямое смещение). При противоположной полярности диод блокирует ток (обратное смещение), и остаётся лишь небольшой ток утечки. Смещение определяет, ведёт ли себя диод как замкнутый путь для тока или как открытый путь.
Область истощения и эффект смещения
Диод формируется путем соединения областей полупроводников типа P- и N-типа. В PN-соединении электроны и дырки снова объединяются возле границы, оставляя зону с очень малым числом мобильных носителей. Эта зона является областью истощения, и она создаёт барьер, сопротивляющийся течению тока. Основные моменты:
• Область обеднения практически не имеет свободных носителей заряда
• Барьер в области истощения контролирует поток тока
• Ширина области обеднения изменяется при прямом или обратном смещении
Прямое смещение при смещении диодов и токе
При прямом смещении диод соединяется так, что P-сторона находится на более высоком напряжении, чем N-сторона. Это толкает носители заряда к PN-соединению и делает область обеднения более тонкой. Когда барьер становится достаточно маленьким, ток может легко проходить через диод. В этом состоянии диод проводит сигнал.
| Состояние | Описание |
|---|---|
| Внешнее напряжение | P-сторона, связана с положительной, N-сторона с отрицательной |
| Область обеднения | Ширина уменьшена |
| Текущий | Течёт легко и относительно высокая |
| Поведение диода | Проводящее состояние (ток проходит) |
Порог прямого напряжения при смещении диодов
Диод с прямым смещением проводит очень мало тока, пока приложенное напряжение не достигнет точки поворота, часто называемого прямым или коленным напряжением. Ниже этого диапазона течение остается небольшим. Дальше него ток быстро увеличивается при небольших изменениях напряжения.
Распространённые значения прямого напряжения:
• Кремниевые диоды: около 0,7 В
• Германиевые диоды: около 0,3 В
• Светодиоды: около 1,8–3,3 В
Диод с прямым смещением: область экспоненциального тока
Когда диод выходит за пределы коленной области, ток увеличивается экспоненциально. Небольшое увеличение прямого напряжения может привести к гораздо большему увеличению прямого тока. Во многих цепях прямое напряжение диода остаётся в узком диапазоне, а ток сильно меняется.
| Параметр | Что это значит |
|---|---|
| *VF* | Прямое напряжение подаётся на диод в прямом смещении |
| *ЕСЛИ* | Ток, проходящий через диод в прямом направлении |
| Экспоненциальная область | Часть кривой I–V (после порога), где ток резко увеличивается с напряжением |
Обратное смещение: блокирующее состояние и ток утечки
При обратном смещении диод соединяется в противоположном направлении от своего проводящего направления. Область истощения расширяется, и барьер перехода поднимается, поэтому диод блокирует нормальный ток. Небольшой обратный ток всё ещё существует из-за меньшинственных носителей внутри диода. Этот ток называется током утечки или обратным насыщенным током.
Признаки обратного смещения
• Область истощения расширяется и блокирует пересечение носителей
• Обратный ток остаётся очень малым (зависит от устройства)
• Утечка увеличивается при повышении температуры соединения
Обратный поворот: режимы Zener и Avalanche
При обратном смещении диод обычно блокирует ток. Если обратное напряжение становится слишком большим, диод достигает своего напряжения пробоя. В этот момент диод внезапно начинает проводить большой ток, хотя он всё ещё находится в обратном направлении. Это состояние называется пробоем и является базовой частью понимания смещения диодов при высоких обратных напряжениях.
Типы разбивки
• Пробой Зенера (низкое напряжение) — происходит при более низких обратных напряжениях, что часто бывает в специально изготовленных диодах Зенера.
• Лавинный пробой (более высокое напряжение) — происходит при более высоких обратных напряжениях, когда носители заряда набирают достаточно энергии, чтобы выбить другие носители.
Цепи выпрямителя (преобразование переменного тока в постоянный ток)
В выпрямительных цепях диод проводит время полуцикла, когда он смещён вперёд, и блокирует в противоположный полуцикл при обратном смещении. Это действие создаёт односторонний выход. Добавление фильтрующего конденсатора сглаживает выходное напряжение, снижая пульсирование. Где он появляется
• Адаптеры питания и базовые источники питания постоянного тока
• Мостовые выпрямители в сетевом оборудовании
• Пути защиты полярности в низковольтных системах
Работа светодиода (излучение света с прямым смещением)
Светодиод излучает свет при прямом смещении и токе проходит через его соединение. Прямое напряжение зависит от материала и цвета светодиода. Светодиоды приводятся в действие с помощью ограничивающего тока, такого как резистор или драйвер постоянного тока, чтобы предотвратить избыточный ток. Лучше всего проверить следующее:
• Более высокий ток светодиодов увеличивает яркость до пределов устройств
• Последовательные резисторы задают ток в простых цепях
• Водители более тщательно контролируют ток в системах освещения
Обнаружение и демодуляция сигналов
Диод может использоваться для передачи одной части сигнальной формы. При обнаружении огибающей AM прямо-смещённый путь проводимости заряжает конденсатор на пиках сигнала, и конденсатор разряжается между пиками через резистор нагрузки, восстанавливая содержимое сообщений с низкой частотой. Связанные роли на трассе:
• Обнаружение пиков и зажим
• Формирование полуволнового сигнала
• Простые этапы радиочастотного обнаружения
Применение обратного смещения
Обратное смещение в фотодиодах
Фотодиод держится в обратном смещении, поэтому область обеднения широко и готова реагировать на свет. Это делает его более чувствительным к небольшим изменениям света.
Обратное смещение в диодах Зенера
В обратном смещении рядом с пробевным напряжением используется диод Зенера. В таком состоянии напряжение сохраняется почти стабильным и помогает регулировать питание.
Обратное смещение в диодах защиты TVS
Диоды TVS (Transient Voltage Suppression) остаются обратно смещёнными во время нормальной работы. Когда появляется внезапный скачок напряжения, они проводят в обратном направлении и помогают ограничить напряжение.
Обратное смещение для изоляции
Обратно-смещённый диод блокирует нормальный ток тока. Это помогает изолировать части цепи и останавливает нежелательные токовые пути.
Заключение
Смещение диодов связывает PN-переход с поведением реальной цепи. При прямом смещении область обеднения становится тонкой, достигается напряжение на колене, и ток быстро растёт, питая выпрямители, светодиоды и сигнальные или логические каскады. При обратном смещении область расширяется, ток остаётся малым до пробоя, что позволяет фотодиоды, управление зенером, защиту TVS и изоляцию.
Часто задаваемые вопросы [FAQ]
Как температура влияет на смещение диода?
Более высокая температура снижает прямое падение напряжения и увеличивает ток обратной утечки.
Что такое обратное время восстановления в диоде?
Время обратного восстановления — это задержка после перехода с прямого на обратное смещение, пока диод продолжает проводить работу из-за накопленного заряда.
Как оценки диодов влияют на условия смещения?
Напряжение смещения и ток должны оставаться ниже максимального прямого тока диода и максимального обратного напряжения, чтобы избежать повреждений.
Что такое динамическое сопротивление в диоде с прямым смещением?
Динамическое сопротивление — это отношение небольшого изменения прямого напряжения к небольшому изменению прямого тока в заданной рабочей точке.
Что происходит, если диод перенапряжен в смещении?
Слишком большой прямой ток или обратное напряжение приводит к перегреву соединения, увеличению утечки и может привести к постоянному отказу.
