Caractéristiques des diodes, conceptions et caractéristiques d'application

Caractéristiques des diodes, conceptions et caractéristiques d'application

Dans l'article précédent, nous avons commencé à explorer diode semi-conductrice. Dans cet article, nous examinerons les propriétés des diodes, leurs avantages et leurs inconvénients, diverses conceptions et caractéristiques d'application dans les circuits électroniques.

Caractéristique courant-tension de la diode

La caractéristique courant-tension (CVC) d'une diode semi-conductrice est représentée sur la figure 1.

Ici, sur une figure, les caractéristiques I - V des diodes au germanium (bleu) et au silicium (noir) sont représentées. Il est facile de remarquer que les caractéristiques sont très similaires. Il n'y a pas de nombres sur les axes de coordonnées, car pour différents types de diodes, ils peuvent varier de manière significative: une diode puissante peut passer un courant continu de plusieurs dizaines d'ampères, tandis qu'une diode de faible puissance ne peut transmettre que plusieurs dizaines ou centaines de milliampères.

Il existe un grand nombre de diodes de différents modèles, et toutes peuvent avoir des objectifs différents, bien que leur tâche principale, la propriété principale soit conduction de courant unidirectionnelle. C'est cette propriété qui permet l'utilisation de diodes dans les redresseurs et les dispositifs détecteurs. Cependant, il convient de noter qu'à l'heure actuelle, les diodes au germanium, ainsi que les transistors, ne sont plus utilisés.

Figure 1. Caractéristique courant-tension de la diode

La branche directe du CVC

Dans le premier quadrant du système de coordonnées, il y a une branche droite de la caractéristique lorsque la diode est en connexion directe - la borne positive de la source de courant, respectivement la borne négative de la cathode, est connectée à l'anode.

Lorsque la tension directe Upr augmente, le courant direct Ipr commence également à augmenter. Mais alors que cette augmentation est insignifiante, la ligne du graphique a une légère augmentation, la tension croît beaucoup plus vite que le courant. En d'autres termes, malgré le fait que la diode est allumée dans le sens direct, aucun courant ne la traverse, la diode est pratiquement verrouillée.

Lorsqu'un certain niveau de tension est atteint, un pli apparaît sur la caractéristique: la tension ne change pratiquement pas et le courant augmente rapidement. Cette tension est appelée chute de tension directe aux bornes de la diode, sur la caractéristique est désignée comme Uд. Pour la plupart des diodes modernes, cette tension est de l'ordre de 0,5 ... 1V.

La figure montre que la tension continue d'une diode au germanium est légèrement inférieure (0,3 ... 0,4 V) à celle d'un silicium (0,7 ... 1,1 V). Si le courant continu à travers la diode est multiplié par la tension directe, le résultat ne sera rien de plus que la puissance dissipée par la diode Pd = Ud * I.

Si cette puissance est dépassée relativement acceptable, une surchauffe et une destruction de la jonction p-n peuvent se produire. C’est pourquoi la référence se limite à courant direct maximalet non la puissance (on pense que la tension directe est connue). Pour éliminer l'excès de chaleur, des diodes puissantes sont installées sur les dissipateurs de chaleur - radiateurs.

Puissance dissipée par diode

Ce qui précède est expliqué sur la figure 2, qui montre l'inclusion d'une charge, dans ce cas une ampoule, à travers une diode.

Figure 2. Mise en marche de la charge via la diode

Imaginez que la tension nominale d'une batterie et d'une ampoule soit de 4,5 V. Avec cette inclusion, 1V tombe sur la diode, puis seulement 3,5V atteindra l'ampoule. Bien sûr, personne ne collectera pratiquement un tel circuit, c'est juste pour illustrer comment et ce que la tension directe sur la diode affecte.

Supposons que l'ampoule a limité le courant dans le circuit à exactement 1A. C'est pour la facilité de calcul. Aussi, nous ne prendrons pas en compte le fait que l'ampoule est un élément non linéaire, et n'obéit pas à la loi d'Ohm (la résistance de la spirale dépend de la température).

Il est facile de calculer qu'à de telles tensions et courants, la diode dissipe la puissance P = Ud * I ou 1V * 1A = 1W.Dans le même temps, la puissance de charge n'est que de 3,5 V * 1 A = 3,5 W. Il s'avère que plus de 28% de l'énergie est consommée inutilement, plus d'un quart.

Si le courant continu à travers la diode est de 10 ... 20A, alors jusqu'à 20W de puissance seront inutiles! Il a un tel pouvoir petit fer à souder. Dans le cas décrit, la diode sera un tel fer à souder.

Diodes Schottky

Il est bien évident que l'on peut se débarrasser de telles pertes si la chute de tension directe aux bornes de la diode Ud est réduite. Ces diodes sont appelées diodes schottky du nom de l'inventeur du physicien allemand Walter Schottky. Au lieu de la jonction p-n, ils utilisent la jonction métal-semi-conducteur. Ces diodes ont une chute de tension directe de 0,2 ... 0,4 V, ce qui réduit considérablement la puissance libérée par la diode.

Le seul inconvénient des diodes Schottky est peut-être la faible tension inverse - seulement quelques dizaines de volts. La valeur maximale de la tension inverse de 250V a un design industriel MBR40250 et ses analogues. Presque toutes les alimentations des équipements électroniques modernes ont des redresseurs sur diodes Schottky.

La branche inverse du CVC

Un des inconvénients doit être considéré que même lorsque la diode est allumée dans le sens opposé, le courant inverse la traverse de toute façon, car il n'y a pas d'isolateurs idéaux dans la nature. Selon le modèle de la diode, elle peut varier de nanoampères à unités de microampères.

Avec le courant inverse, une certaine puissance est allouée à la diode, numériquement égale au produit du courant inverse et de la tension inverse. Si cette puissance est dépassée, alors une rupture de la jonction p-n est possible, la diode se transforme en une résistance conventionnelle ou même un conducteur. Sur la branche inverse de la caractéristique I - V, ce point correspond au pli de la caractéristique vers le bas.

En règle générale, les répertoires n'indiquent pas la puissance, mais une tension inverse maximale autorisée. À peu près la même que la limitation de courant direct, qui a été mentionnée juste ci-dessus.

En fait, ce sont souvent ces deux paramètres, à savoir le courant continu et la tension inverse, qui sont les facteurs déterminants lors du choix d'une diode particulière. C'est le cas lorsque la diode est conçue pour fonctionner à basse fréquence, par exemple un redresseur de tension avec une fréquence d'un réseau industriel de 50 ... 60 Hz.

Jonction de capacité électrique pn

Lors de l'utilisation de diodes dans des circuits haute fréquence, il est nécessaire de se rappeler que la jonction pn, comme un condensateur, a une capacité électrique, qui dépend également de la tension appliquée à la jonction pn. Cette propriété de la jonction p-n est utilisée dans les diodes spéciales - varicaps utilisées pour régler les circuits oscillatoires dans les récepteurs. C'est probablement le seul cas où cette capacité est utilisée à bon escient.

Dans d'autres cas, cette capacité a un effet parasite, ralentit la commutation de la diode et réduit sa vitesse. Cette capacité est souvent appelée parasite. Il est illustré à la figure 3.

Figure 3. Capacité parasite

La conception des diodes.

Diodes plates et ponctuelles

Pour se débarrasser des effets nocifs de la capacité parasite, des diodes spéciales à haute fréquence, par exemple ponctuelles, sont utilisées. La conception d'une telle diode est illustrée à la figure 25.

Figure 4. Diode ponctuelle

Une caractéristique d'une diode ponctuelle est la conception de ses électrodes, dont l'une est une aiguille métallique. Pendant le processus de fabrication, cette aiguille contenant une impureté (donneur ou accepteur) est fondue dans un cristal semi-conducteur, résultant en une jonction pn de la conductivité requise. Une telle transition a une petite surface et, par conséquent, une petite capacité parasite. De ce fait, la fréquence de travail des diodes ponctuelles atteint plusieurs centaines de mégahertz.

Si l'on utilise une aiguille plus tranchante, obtenue sans électro-moulage, la fréquence de fonctionnement peut atteindre plusieurs dizaines de gigahertz. Certes, la tension inverse de ces diodes n'est pas supérieure à 3 ... 5 V et le courant direct est limité à quelques milliampères.Mais après tout, ces diodes ne sont pas redresseurs, à ces fins, en règle générale, des diodes planes sont utilisées. Le dispositif d'une diode plane est représenté sur la figure.

Figure 5. Diode planaire

Il est facile de voir qu'une telle diode a une zone de jonction pn qui est beaucoup plus grande qu'une point. Pour les diodes puissantes, cette zone peut atteindre jusqu'à 100 millimètres carrés ou plus, de sorte que leur courant continu est beaucoup plus élevé que celui des pointes. Ce sont des diodes planes qui sont utilisées dans les redresseurs fonctionnant à basses fréquences, en règle générale, pas plus de plusieurs dizaines de kilohertz.

Application de diodes

Vous ne devriez pas penser que les diodes ne sont utilisées que comme dispositifs de redressement et de détection. De plus, il y a beaucoup plus de leurs professions. La caractéristique I - V des diodes permet de les utiliser là où un traitement non linéaire est requis signaux analogiques.

Ce sont des convertisseurs de fréquence, des amplificateurs logarithmiques, des détecteurs et d'autres appareils. Les diodes de ces appareils sont utilisées soit directement comme convertisseur, soit forment les caractéristiques de l'appareil, étant incluses dans le circuit de rétroaction.

Les diodes sont largement utilisées dans alimentations stabiliséescomme sources de tension de référence (diodes zener), ou comme éléments de commutation du stockage inducteur (régulateurs de tension de commutation).

En utilisant des diodes, il est très simple de créer des limiteurs de signal: deux diodes connectées dans le sens opposé servent d'excellente protection pour l'entrée d'un amplificateur, par exemple un microphone, contre la fourniture d'un niveau de signal accru.

En plus des appareils répertoriés, les diodes sont très souvent utilisées dans les commutateurs de signaux, ainsi que dans les appareils logiques. Il suffit de rappeler les opérations logiques ET, OU et leurs combinaisons.

L'une des variétés de diodes est LEDs. Une fois qu'ils n'étaient utilisés que comme indicateurs dans divers appareils. Maintenant, ils sont partout et partout, des lampes de poche les plus simples aux téléviseurs à LED - rétro-éclairage, il est tout simplement impossible de ne pas les remarquer.

Boris Aladyshkin