Polaryzacja diody to sposób, w jaki napięcie powoduje, że dioda przenosi prąd lub go blokuje. Zmieniając rozmiar i kierunek napięcia, dioda może pracować w kierunku przewodzenia w kierunku przewodzenia, blokowaniu wstecznym lub przebiciu. Ten artykuł wyjaśnia obszar wyczerpania, kolano do przodu i prąd wykładniczy, odwrotny nieszczelność i przerwę oraz zawiera informacje o tych zastosowaniach układów.
Przegląd polaryzacji diodowej
Polaryzacja diody opisuje, jak źródło napięcia jest przystosowane do diody, aby ustawić jej stan pracy. Przy jednej polaryzacji dioda przewodzi prąd (polaryzacja przewodzenia). Przy przeciwnej polaryzacji dioda blokuje prąd (polaryzacja odwrotna), a prąd nieszczelny pozostaje tylko niewielki. Polaryzacja określa, czy dioda zachowuje się jak zamknięta ścieżka prądu, czy jak ścieżka otwarta.
Obszar wyczerpania i efekt błędu
Dioda powstaje przez połączenie obszarów półprzewodników typu P i N. Na złączu PN elektrony i dziury łączą się ponownie w pobliżu granicy, pozostawiając strefę z bardzo niewielką liczbą nośników ruchomych. Ta strefa to obszar wyczerpania i tworzy barierę opierającą się przepływowi prądu. Główne punkty:
• Obszar wyczerpania praktycznie nie ma wolnych nośników ładunku
• Bariera w obszarze wyczerpania kontroluje przepływ prądu
• Szerokość obszaru wyczerpania zmienia się wraz z polaryzacją do przodu lub wstecznie
Polaryzacja przewodzenia w spolaryzowaniu diody i przepływie prądu
W napięciu przezwigniętym dioda jest podłączona tak, że strona P jest pod wyższym napięciem niż strona N. To wypycha nośniki ładunku w kierunku złącza PN i sprawia, że obszar wyczerpania staje się cieńszy. Gdy bariera stanie się wystarczająco mała, prąd może łatwo przepływać przez diodę. W tym stanie dioda przewodzi.
| Warunek | Opis |
|---|---|
| Napięcie zewnętrzne | P-strona połączona z dodatnią, N-strona z ujemną |
| Obszar wyczerpania | Szerokość jest zmniejszona |
| Obecnie | Płynie łatwo i jest stosunkowo wysoki |
| Zachowanie diody | Stan przewodzący (przepływa przez niego prąd) |
Próg napięcia przewodzenia w polaryzacji diodowej
Dioda spolaryzowana do przodu przewodzi bardzo niewielki prąd, dopóki przyłożone napięcie nie osiągnie punktu zwrotnego, często nazywanego napięciem przewodzonym lub napięciem kolana. Poniżej tego zakresu prąd pozostaje niewielki. Po tym prąd szybko rośnie przy niewielkich zmianach napięcia.
Typowe wartości napięcia przewodzenia:
• Diody krzemowe: około 0,7 V
• Diody germanowe: około 0,3 V
• Diody LED: około 1,8–3,3 V
Dioda spolaryzowana w kierunku przewodzenia: obszar prądu wykładniczego
Gdy dioda przejdzie poza obszar kolana, prąd rośnie wykładniczo. Niewielki wzrost napięcia przewodzenia może spowodować znacznie większy wzrost prądu przewodzenia. W wielu obwodach napięcie przewodzenia diody pozostaje w wąskim zakresie, podczas gdy prąd znacznie się zmienia.
| Parametr | Co to oznacza |
|---|---|
| *VF* | Napięcie przewodzenia jest przyłożone na diodę w napięciu przezwigniętym |
| *JEŚLI* | Prąd płynący przez diodę w kierunku przodnym |
| Obszar wykładniczy | Część krzywej I–V (po progu), gdzie prąd gwałtownie rośnie wraz z napięciem |
Odwrotne polaryzowanie: blokowanie stanu i prądu nieszczelnego
W przypadku polaryzacji odwrotnej dioda jest podłączona w przeciwnym kierunku niż kierunek przewodzenia. Obszar wyczerpania się rozszerza, a bariera złączowa rośnie, więc dioda blokuje normalny przepływ prądu. Niewielki prąd wsteczny nadal istnieje z powodu mniejszościowych nośników wewnątrz diody. Ten prąd nazywa się prądem niecieku lub prądem nasycenia odwrotnym.
Cechy odwróconych uprzedzeń
• Obszar wyczerpania poszerza się i blokuje przejście nośników
• Prąd wsteczny pozostaje bardzo mały (zależny od urządzenia)
• Nieszczelność wzrasta wraz ze wzrostem temperatury złącza
Reverse Breakdown: tryby Zener i Avalanche
W przypadku polaryzacji odwrotnej dioda zwykle blokuje prąd. Jeśli napięcie wsteczne staje się zbyt duże, dioda osiąga napięcie przebicia. W tym momencie dioda nagle zaczyna przewodzić duży prąd, mimo że nadal jest polaryzowana odwrotnie. Ten stan nazywa się przebiciem i stanowi podstawowy element zrozumienia polaryzacji diody przy wysokich napięciach wstecznych.
Typy podziałów
• Przebicie Zenera (niskie napięcie) – Występuje przy niższych napięciach wstecznych, powszechne w specjalnie wykonanych diodach Zenera.
• Przebicie lawinowe (wyższe napięcie) – Występuje przy wyższych napięciach odwrotnych, gdy nośniki ładunku zyskują wystarczająco dużo energii, by wybić inne nośniki.
Układy prostowników (konwersja z AC na DC)
W układach prostowników dioda przewodzi podczas półcyklu, gdy jest polaryzowana w kierunku przewodzenia, a blokuje się podczas przeciwnej półcykli, gdy jest polaryzowana wstecznie. Ta akcja tworzy jednokierunkowe wyjście. Dodanie kondensatora filtrującego wygładza napięcie wyjściowe poprzez zmniejszenie falowania. Gdzie się pojawia
• Adaptery zasilające i podstawowe źródła prądu stałego
• Prostowniki mostkowe w urządzeniach zasilanych z sieci
• Ścieżki ochrony polaryzacyjnej w systemach niskonapięciowych
Działanie LED (emisja światła polaryzowanego do przodu)
Dioda LED emituje światło, gdy jest spolaryzowana do przodu, a prąd przepływa przez jej złącze. Napięcie przewodowe zależy od materiału i koloru diody LED. Diody LED są zasilane elementem ograniczającym prąd, takim jak rezystor lub sterownik stałego prądu, aby zapobiec nadmiernemu prądowi. Najlepiej sprawdzić następujące kwestie:
• Wyższy prąd LED zwiększa jasność do limitów urządzenia
• Rezystory szeregowe ustawiają prąd w prostych układach
• Sterowniki kontrolują prąd ściślej w systemach oświetleniowych
Wykrywanie i demodulacja sygnału
Dioda może być użyta do przepuszczania jednej części przebiegu sygnału. W detekcji obwiedni AM, ścieżka przewodzenia z polaryzacją do przodu ładuje kondensator na szczytach sygnału, a kondensator rozładowuje się między szczytami przez rezystor obciążeniowy, odzyskując zawartość wiadomości o niższej częstotliwości. Powiązane role na obwodach:
• Wykrywanie szczytów i zaciskanie
• Kształtowanie sygnału półfalowego
• Proste etapy detekcji RF
Zastosowania odwrotnego błędu
Odwrotne polaryzowanie w fotodiodach
Fotodioda jest utrzymywane w odwróconym polaryzacji, dzięki czemu obszar wyczerpania jest szeroki i gotowy do reakcji na światło. To sprawia, że jest bardziej wrażliwy na drobne zmiany światła.
Polaryzacja odwrotna w diodach Zenera
Dioda Zenera jest używana w biasu odwrotnym w pobliżu napięcia przebicia. W tym stanie utrzymuje napięcie niemal stałe i pomaga regulować zasilanie.
Polaryzacja odwrotna w diodach ochronnych TVS
Diody TVS (Transient Voltage Suppression) pozostają polaryzowane odwrotnie podczas normalnej pracy. Gdy pojawia się nagły skok napięcia, przewodzą one odwrotnie, co pomaga ograniczyć napięcie.
Odwrotne polaryzowanie dla izolacji
Dioda z polaryzacją odwrotną blokuje przepływ prądu normalnego. Pomaga to izolować części obwodu i zatrzymuje niepożądane ścieżki prądowe.
Podsumowanie
Polaryzacja diody łączy złącze PN z rzeczywistym zachowaniem obwodu. W przypadku polaryzacji w kierunku przebiegu obszar wyczerpania staje się cienki, osiągane jest napięcie kolana, a prąd szybko rośnie, zasilając prostowniki, diody LED oraz stopnie sygnałowe lub logiczne. W przypadku polaryzacji odwrotnej obszar się poszerza, prąd pozostaje mały aż do przerwania, co umożliwia fotodiody, sterowanie Zenera, ochronę TVS oraz izolację.
Najczęściej zadawane pytania [FAQ]
Jak temperatura wpływa na polaryzację diody?
Wyższa temperatura obniża spadek napięcia w stanie przejściowym i zwiększa prąd odwrotny nieszczelności.
Jaki jest czas odwrotnego odzyskiwania diody?
Czas odzyskiwania wstecznego to opóźnienie po przejściu z polaryzacji do przodu na wsteczny, gdy dioda nadal przewodzi z powodu zgromadzonego ładunku.
Jak parametry diod wpływają na warunki polaryzacji?
Napięcie i prąd polaryzacyjne muszą pozostawać poniżej maksymalnego prądu przewodzenia diody i maksymalnego napięcia wstecznego, aby uniknąć uszkodzeń.
Czym jest rezystancja dynamiczna w diodzie polaryzacji przewodowej?
Rezystancja dynamiczna to stosunek niewielkiej zmiany napięcia przejściowego do niewielkiej zmiany prądu przewodzenia w danym punkcie pracy.
Co się dzieje, jeśli dioda jest przeciążona w polaryzacji?
Zbyt wysokie napięcie prądu w kierunku przebiegu lub wstecznego przegrzewa złącze, zwiększa wycieki i może spowodować trwałe uszkodzenia.
