Один из основных параметров полупроводниковых диодов – это напряжение переключения, которое характеризует границу, при которой диод становится полностью проводящим. Отмечено интересное свойство у таких диодов: напряжение переключения имеет отрицательный температурный коэффициент. О чем это говорит? А что это значит?
Надо отметить, что напряжение переключения полупроводникового диода обратно пропорционально длине Debye, которая, в свою очередь, характеризует среднюю длину свободного пробега носителя заряда. С увеличением температуры, средняя длина свободного пробега уменьшается. Вследствие этого, увеличение температуры приводит к сокращению длины Debye и, как следствие, увеличению напряжения переключения. Таким образом, температурный коэффициент напряжения переключения диода положителен.
Однако у полупроводниковых диодов температурный коэффициент напряжения переключения отрицательный. В данном случае влияние на изменение напряжения переключения оказывает другой фактор – температурный коэффициент полупроводникового материала. В основе этого свойства лежит особенность зависимости плотности электрического заряда от энергии. При увеличении температуры, электроны получают дополнительную энергию, что приводит к избытку свободных носителей заряда и увеличению плотности электронов. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению напряжения переключения, то есть такой диод становится более проводящим при повышении температуры и, как следствие, обладает отрицательным температурным коэффициентом напряжения.
Структура полупроводниковых диодов
Основой структуры полупроводникового диода являются р- и n-слои, которые образуют p-n-переход. Этот переход обладает особыми электрическими свойствами, такими как диодные свойства: пропускает электрический ток в одном направлении и блокирует его в противоположном направлении. Это обеспечено различием в энергии зон проводимости и валентных зон между p- и n-слоями.
Регуляция токопрохождения в полупроводниковом диоде осуществляется через изменение величины напряжения, подведенного к диоду. Если напряжение превышает определенный пороговый уровень, называемый напряжением пробоя, то диод начинает пропускать ток. В противном случае, диод блокирует ток. Определение тока в диоде и его зависимость от напряжения осуществляется с помощью характеристической кривой, которая описывает данное устройство.
Температурный коэффициент напряжения диода определяет изменение его напряжения с изменением температуры окружающей среды. У полупроводниковых диодов температурный коэффициент напряжения обычно отрицательный, что означает, что напряжение диода уменьшается с увеличением температуры. Это связано с изменением ширины запрещенной зоны полупроводникового материала при изменении температуры, что влияет на электрические свойства п-n-перехода.
Влияние температуры на полупроводниковые диоды
Это явление связано с изменением характеристик полупроводника при изменении температуры окружающей среды. При повышении температуры энергетическая щель полупроводника уменьшается, что влечет за собой уменьшение энергии, необходимой для преодоления этой щели. Таким образом, когда температура возрастает, концентрация носителей заряда увеличивается, что ведет к уменьшению напряжения на диоде.
Отрицательный температурный коэффициент напряжения полупроводниковых диодов находит свое применение в различных областях. Например, в системах стабилизации напряжения, где необходимо компенсировать изменение напряжения из-за изменения температуры. Также это свойство позволяет снизить риски повреждения полупроводникового диода при перегреве, поскольку напряжение на нем будет уменьшаться при повышении температуры.
Наличие отрицательного температурного коэффициента напряжения является одной из особенностей и преимуществ полупроводниковых диодов перед другими типами диодов. Оно позволяет эффективно использовать эти устройства в различных приложениях, где нужна стабильность напряжения при изменении температуры.
Проводимость и пограничный потенциал диодов
Полупроводниковые диоды представляют собой приборы, которые обладают способностью пропускать электрический ток только в одном направлении. Эта свойственная им особенность обусловлена наличием в структуре диода пограничного перехода.
Пограничный переход состоит из двух разных полупроводников – p-типа и n-типа. За счет различных примесей, в p-типе носителями электрического заряда являются дырки, а в n-типе – свободные электроны. При соединении этих полупроводников, образуется p-n переход, который является диэлектрическим, то есть непроводящим, при отсутствии внешнего напряжения.
Однако, если на диод подать напряжение в одном направлении, то происходит изменение в потоке носителей заряда. В результате, p-сторона становится более положительной, а n-сторона становится более отрицательной, что приводит к разъединению границы раздела и возникновению электрического тока.
Важной характеристикой диода является пограничный потенциал, который представляет собой минимальное напряжение, необходимое для преодоления пограничного перехода и начала протекать электрического тока. На практике, пограничный потенциал обычно составляет около 0,6-0,7 В для кремниевых диодов и около 0,2-0,3 В для германиевых диодов.
Температурный коэффициент напряжения в диоде – величина, которая определяет зависимость пограничного потенциала от температуры. В полупроводниковых диодах этот коэффициент является отрицательным. Это означает, что с увеличением температуры пограничный потенциал диода снижается.
Причиной отрицательного коэффициента является изменение проводимости полупроводника с ростом температуры. Увеличение температуры приводит к увеличению количества свободных носителей заряда в материале, что приводит к снижению потенциала в переходной области диода.
Знание температурного коэффициента напряжения важно для правильного расчета и применения диодов в различных электронных схемах и устройствах.
Механизм работы полупроводниковых диодов
Основным механизмом работы полупроводниковых диодов является эффект диффузии, который возникает из-за различия концентрации примесей на границе p-n перехода. Полупроводники обладают свободными электронами (отрицательный заряд) и дырками (положительный заряд). Когда n-область (с преобладанием свободных электронов) и p-область (с преобладанием дырок) соединяются, происходит диффузия электронов из n-области в p-область и дырок из p-области в n-область.
В результате диффузии создается зона, известная как зона избыточного заряда, с неравной концентрацией дырок и электронов. Эта зона препятствует дальнейшей диффузии и создает электрическое поле, направленное от p-области к n-области.
Когда к полупроводниковому диоду применяется внешнее напряжение, его положительная сторона соединяется с p-областью, а отрицательная — с n-областью. В этом случае, внешнее электрическое поле противодействует электрическому полю, созданному зоной избыточного заряда, и электроны и дырки начинают перемещаться в противоположных направлениях.
Когда напряжение достигает определенного значения, известного как напряжение переключения или пробоя, возникает яркая вспышка света или дуговой разряд. Полупроводниковый диод в этом состоянии позволяет проходить большой ток в обратном направлении и таким образом защищает электрическую цепь от повреждения.
Температурный коэффициент напряжения у полупроводниковых диодов отрицательный из-за свойств полупроводниковых материалов. При увеличении температуры, концентрация свободных носителей заряда увеличивается, что ведет к уменьшению электрического сопротивления и, соответственно, уменьшению напряжения диода.
Объяснение отрицательного температурного коэффициента напряжения
Ширина запрещенной зоны — это энергетический интервал между валентной зоной и зоной проводимости, в котором нет электронных уровней. При повышении температуры, энергия атомов полупроводника увеличивается, что приводит к увеличению количества электронов, которые могут перейти в зону проводимости. Это, в свою очередь, уменьшает ширину запрещенной зоны и увеличивает проводимость полупроводника.
Известно, что напряжение на диоде пропорционально ширине запрещенной зоны. Таким образом, при увеличении температуры, ширина запрещенной зоны уменьшается, что влечет за собой снижение напряжения на диоде. В результате, температурный коэффициент напряжения диода становится отрицательным.
Отрицательный температурный коэффициент напряжения является одним из важных свойств полупроводниковых диодов, так как позволяет регулировать и стабилизировать напряжение при изменении температуры.