Меню

Ток от напряжения при прямом токе

Зависимость силы тока от напряжения — формула, график и законы

Общие сведения

Любое физическое тело состоит из молекул и атомов. Эти частицы взаимодействуют между собой. Они могут притягиваться друг к другу или отталкиваться. В изолированной системе элементарные частицы являются носителями заряда. В спокойном состоянии, то есть когда на тело не оказывается внешнего воздействия, алгебраическая сумма энергии частиц всегда постоянная величина. Это утверждение называется законом сохранения электрического заряда.

Частицы хаотично могут перемещаться по кристаллической решётке, но их движение компенсируется. Поэтому ток не возникает. Но если к телу приложить внешнюю силу, то свободные электроны начинают двигаться в одну сторону. Это упорядоченное движение заряженных частиц и называют электрическим током. Количественно его можно описать через силу.

Упорядочено заряды заставляет двигаться электрическое поле, вдоль линий которого и происходит перемещение. Впервые этот термин ввёл Фарадей. Он сумел выяснить, что вокруг любого носителя существует особый вид материи, влияющий на поведение других частиц. За силовую характеристику электрического поля было взято отношение действующей силы к величине заряда, помещённого в данную точку: E = F / q. Назвали эту характеристику напряжённостью.

Изучение поля позволило экспериментально открыть принцип суперпозиции. То есть установить, что напряжённость поля, созданного системой зарядов, равна геометрической сумме величин, существующих у отдельных носителей: E = Σ E1 + E2 +…+ En. Напряжённость прямо пропорциональна напряжению, которое, в свою очередь, равняется разности потенциалов между двумя точками.

По сути, это работа электрического поля, совершаемая для переноса единичного заряда из одного места в другое: U = A / q = E * d, где d – расстояние между точками. Значение напряжения зависит от нескольких факторов:

  • строения тела;
  • температуры;
  • сопротивления.

Самое большее влияние оказывает последняя величина. Именно она характеризует способность материала препятствовать прохождению тока, то есть определяет проводимость. Сопротивление зависит от длины проводника и его сечения: R = (p * l) / S, где p – параметр обратный удельной проводимости (справочное значение). Он численно равняется сопротивляемости однородного проводника единичной длины и площади сечения.

Подтверждение закона Ома

Бум исследования электрических явлений пришёлся на конец XVIII – начало XIX веков. Такие учёные, как Фарадей, Ампер, Вольт, Эрстед, Кулон, Лачинов, Ом провели ряд экспериментов, которые позволили Максвеллу создать теорию электромагнитных явлений.

Огромную роль в открытии новых знаний сыграл опыт Ома исследовавшего, от чего зависит сила тока в цепи. Немецкий физик ставил опыты над проводимостью различных материалов. Для этого он использовал электрическую цепь, в разрыв которой подключал проводники разной длины и замерял силу тока.

Изначально учёный не смог установить закономерность. Всё дело в том, что для своих опытов Ом использовал химическую батарею. Друг учёного Поггендорф предложил взять термоэлектрический источник тока. В итоге физик смог проследить зависимость. Описал он её так: частное от a, разделённого на l + b, где b определяет интенсивность воздействия на проводника длиною l, причём a и b — постоянные, зависящие соответственно от действующей силы и сопротивления элементов цепи.

Обычно при изучении закона в седьмом классе средней школы учитель демонстрирует эту зависимость на практических уроках. Для этого чтобы ученики удостоверились в справедливости утверждения, преподаватель собирает электрическую цепь, в состав которой входят:

  • вольтметр – прибор для измерения напряжения, включается параллельно измеряемому проводнику;
  • амперметр – устройство для замера тока, подключается последовательно с измеряемым телом;
  • регулируемый источник электродвижущей силы (ЭДС).

Суть опыта заключается в подключении проводников с разной длиной. Измеренные результаты заносят в таблицу. Она должна иметь примерно следующий вид:

Первое тело Второе тело Третье тело
U, В I, А U, В I, А U, В I, А
1 0,5 1 0,4 1 0,2
2 1 2 0,6 2 0,3
3 1,5 3 0,8 3 0,4
4 2 4 1 4 0,5

Проведя анализ таблицы, можно сделать вывод. Если для любого тела напряжение разделить на соответствующую ему силу тока, то получится одно и то же число. Следовательно, это отношение является свойством проводника. Для первого оно равно двум, второго – пяти, а третьего – десяти. При одинаковых токах в третьем случае число больше, значит, это тело оказывает большее сопротивление току.

Полученные значения по факту и являются величинами, обратными проводимости. Обозначают их буквой R (resistance).

График зависимости

По результатам эксперимента Ом построил график зависимости силы тока от сопротивления, который напоминает собой левую часть параболы. Современная запись закона Ома имеет вид: I = U / R. Звучит она следующим образом: ток прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален электрическому сопротивлению.

Но при разработке приборов или исследовании участка цепи перед учёными и инженерами стоит задача, прежде всего, выяснить зависимость тока от напряжения. Поэтому ими строится график, в котором по оси абсцисс откладывают значение потенциала, а ординат — силы тока. В итоге если отложить соответствующие точки, то должна получиться прямая линия. Это говорит о том, что зависимость величин линейная. То есть во сколько раз увеличивается напряжение, во столько же возрастает сила тока.

Такого вида график называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Но при реальных измерениях изменение ток зависит ещё от температуры. Установлено, что при нагреве сопротивление проводника увеличивается. Поэтому прямая на ВАХ будет иметь меньший угол наклона. Кроме того, ток может быть двух видов:

  • постоянный – сила не изменяется от времени;
  • переменный – изменяющийся по синусоидальному закону.

Поток носителей заряда для второго вида описывается гармоническим законом: I(t) = Im * cos (wt + f), где: w – циклическая частота, f – сдвиг фаз относительно напряжения, Im – наибольшее значение тока. Тогда изменение напряжения во времени можно записать так: U(t) = Um * cos (wt). В этом случае закон Ома примет вид: I = U / Z, где Z – полное сопротивление цепи.

График зависимости силы тока от времени, впрочем, как и напряжения, будет представлять собой синусоиду. Если отложить их на одном рисунке, то при активном сопротивлении (резистор) фазы величин будут совпадать друг с другом. В схеме, содержащей реактивные составляющие, а это ёмкость, и индуктивность, фаза тока соответственно будет опережать и отставать от напряжения. Угол изменения составит девяносто градусов.

Графики зависимости позволяют определить мощность. Сделать это можно, воспользовавшись формулой: P = U * I * cos(f). Чтобы построить график мощности, нужно аппроксимировать на ось t точки синусоиды I(t) и U(t), в которых параметры изменяют свой знак.

Характеристика P(t) будет также описываться по гармоническому закону. Причём в каждой этой точке линя изменит направление.

Простейшие задачи

Зависимость, установленную экспериментальным путём, широко используют при проектировании электронных схем различных устройств. С помощью закона Ома рассчитывают нужное сопротивление резисторов для той или иной цепи, вычисляют значение тока при определённом напряжении.

Вот некоторые из таких заданий:

  1. Пусть имеется схема, подключённая к источнику, выдающему 60 вольт. Определить, какой ток потечёт через резистор 30 Ом. Согласно правилу, связывающему три фундаментальных величины: I = U / R. Так как по условию все нужные данные известны, то необходимо их просто подставить в формулу и выполнить вычисления: I = 60 В / 30 Ом = 2 А. Задача решена. Ответ: через резистор потечёт ток равный двум амперам.
  2. Построить графики зависимости для двух проводников имеющих сопротивление пять и пятнадцать ом. В задании требуется нарисовать ВАХ. Так как напряжения не указаны, то их можно брать любыми. Используя формулу Ома, нужно определить ток для произвольных значений потенциала. График зависимости – прямая. Значит, нужно отложить две точки. Чтобы правильно разметить значения необходимо выбрать масштаб. Поэтому вначале следует посчитать максимальное значение тока. Пусть за наибольшее напряжение будет принято U = 50 В. Тогда, Im1 = 50 / 5 = 10 А, Im2 = 50 / 10 = 5 А. Теперь останется отложить полученный результат на графике и провести линию через ноль и эти точки.
  3. Определить ток, потребляемый электрочайником, если его спираль имеет сопротивление 40 Ом, а напряжение сети равно 220 вольт. Пример решается по простой формуле: I = U / R = 220 В / 40 Ом = 5, 5 А. Задача решена.
  4. В вольтметре, показывающем 120 вольт, ток составляет 15 миллиампер. Найти сопротивление прибора. Из формулы зависимости можно выразить сопротивление. Оно будет равно: R = U / I. При этом, чтобы получить правильный ответ, миллиамперы следует перевести в амперы. Решение будет иметь вид: R = 120 В / 15 * 10 -3 А = (120 * 10 3 ) / 15 = 8 * 10 3 Ом = 8 кОм. Итак, внутреннее сопротивление вольтметра составит восемь килоом.

Следует отметить, что в школьных задачах не учитываются характеристики источника тока.

По умолчанию считают, что он имеет бесконечно малое внутреннее сопротивление. Но на самом деле это не так. Электродвижущая сила генератора электрической энергии затрачивается как на внутренние, так и внешние потери. Поэтому формула закона Ома для полной цепи имеет вид: I = (U0 + U) / R + r, где: U0 – внутреннее падение напряжения, r0 – сопротивление источника.

Источник

Зависимость силы тока от напряжения

Величина силы тока

По определению силой тока называется физическая величина равная величине заряда q, прошедшего через поперечное сечение проводника за время t:

Читайте также:  Обратимые машины постоянного тока

Если сила тока не зависит от времени, то такой электрический ток называется постоянным. Рассмотрим далее именно такой случай, когда ток постоянен. Измерить величину заряда чрезвычайно трудно, поэтому в 1826 г. немецкий физик Георг Ом поступил следующим образом: в электрической цепи, состоящей из источника напряжения (батареи) и сопротивления, он измерял величину тока при разных значениях сопротивления. Затем, не меняя величину сопротивления, он стал изменять параметры источника напряжения, подключая сразу, например, два-три источника. Измеряя величину тока в цепи, он получил зависимости силы тока от напряжения U и от сопротивления R.

Схема измерений тока и напряжения Георга Ома

Рис. 1. Схема измерений тока и напряжения Георга Ома.

Закон Ома

В результате проведенных исследований Георг Ом обнаружил, что отношение напряжения U между концами металлического проводника, являющегося участком электрической цепи, к силе тока I в цепи есть величина постоянная:

где R электрическое сопротивление. Данная формула называется законом Ома, который до сих пор является основным расчетным инструментом при проектировании электрических и электронных схем.

Если по оси абсцисс отложить значения напряжения, а по оси ординат — значения тока в цепи при данных значениях напряжения, то получится график зависимости силы тока I от напряжения U.

График зависимости силы тока от напряжения

Рис. 2. График зависимости силы тока от напряжения.

Из этого графика видно, что эта зависимость линейная. Угол наклона прямой зависит от величины сопротивления. Чем больше R, тем меньше угол наклона.

График зависимости силы тока от сопротивления

Рис. 3. График зависимости силы тока от сопротивления.

Если зафиксировать напряжение U и по оси абсцисс откладывать значения R электрического сопротивления, то из полученного графика видно, что эта зависимость уже нелинейная — с ростом сопротивления поведение тока описывает обратно пропорциональной функцией — гиперболой.

Закон Ома перестает работать при больших величинах тока, так как начинают работать дополнительные эффекты, связанные с тепловым разогревом вещества, ростом температуры. В газах при больших токах возникает пробой, ток растет лавинообразно, отклоняясь от линейного закона.

От чего зависит величина сопротивления

Эксперименты показывают, что сопротивление проводника прямо пропорционально его длине L и обратно пропорционально площади поперечного сечения S:

где ρ удельное электрическое сопротивление вещества.

Единицы измерения

В международной системе единиц СИ единица измерения электрического сопротивления называется “ом” в честь физика Георга Ома. По определению электрическим сопротивлением 1 Ом обладает участок цепи, на котором падает напряжение 1 В при силе тока 1 А.

Единица измерения удельного сопротивления получается производной от единиц величин, входящих в фориулу: сопротивления, длины и площади. То есть в системе СИ получатся, что если R = 1 Ом, S = 1 м 2 , а L = 1 м, то ρ = 1 .

Это и есть единица измерения удельного сопротивления. Но на практике оказалось, что у реальных проводов площади сечений гораздо меньше 1 м 2 . Поэтому было решено при вычислении ρ использовать значение площади S в мм 2 , чтобы итоговое значение имело компактный вид. Тогда получаются более удобные (меньше нулей после запятой) для восприятия числовые значения удельного сопротивления:

Величину тока измеряют амперметром, а величину напряжения — вольтметром. При проведении очень точных измерений, необходимо учитывать внутреннее сопротивление этих приборов.

Что мы узнали?

Итак, мы узнали, что зависимость силы тока в электрической цепи описывается с помощью закона Ома. Сила тока I прямо пропорциональна величине U напряжения, и обратно пропорциональна сопротивлению R.

Источник



Зависимость тока от напряжения при прямом включении определяется по формуле

Полупроводниковые диоды.

Общие сведения о полупроводниковых приборах.

К полупроводникам относятся вещества, которые по своему удельному сопротивлению занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Для полупроводников характерна сильная зависимость проводимости от температуры, электрического поля, освещенности, сжатия и т.д. В отличие от проводников они имеют не только электронную, но и дырочную проводимость. К полупроводникам относятся такие материалы, как германий, кремний, арсенид галлия, селен.

Каждый атом связан с соседним через промежуточные электроны. Например, германий принадлежит к элементам 4 группы периодической системы Д. Менделеева. Следовательно, он имеет на внешней орбите 4 валентных электрона. Каждый атом в кристалле германия образует электронные связи с 4 соседними атомами. При температуре, близкой к абсолютному нулю, и отсутствии примесей все валентные электроны атомов в кристалле германия (рис. 1.1) взаимно связаны, свободных электронов нет, а значит, что кристалл не обладает проводимостью.

Рис. 1.1

Под действием температуры связывающие электроны могут покинуть свое место и оказаться в межатомном пространстве. На их прежнем месте образуется вакантное место – дырка. Свободные электроны под действием внешнего поля могут передвигаться в кристалле, создавая ток. Германий уже при комнатной температуре становится полупроводником. В процессе движения электронов в кристалле часть их может занимать дырки, образуя полную связь между атомами. Однако нормальная связь нарушается в том месте, откуда ушел электрон. Под действием внешнего ЭП происходит перемещение дырок в направлении поля, т.е. в направлении, обратном перемещению электронов. Перемещение дырок эквивалентно перемещению положительных зарядов. Этот процесс называется дырочной проводимостью. Если при электронной проводимости один свободный электрон проходит весь путь в кристалле, то при дырочной проводимости большое число электронов замещают друг друга в связях, т.е. имеет место как бы эстафета электронов, при которой каждый электрон проходит свой этап пути. Таким образом, проводимость полупроводника складывается из электронной и дырочной. При нарушении электронных связей в кристалле чистого проводника одновременно возникает одинаковое число свободных электронов и дырок.

Одновременно с генерацией пар электрон – дырка происходит обратный процесс – рекомбинация, при которой свободный электрон заполняет вакантное место. При заданной температуре число пар в единице объема полупроводника в среднем остается постоянным. Например, при температуре 20°С концентрация свободных электронов и дырок у германия равна 2,5·10 13 в 1 см 3 , а у металлических проводников концентрация свободных электронов в 1 см 3 составляет около 10 22 . Таким образом, из сопоставления концентраций следует, что проводимость германия при комнатной температуре значительно меньше проводимости металлов. При повышении температуры число свободных электронов и дырок сильно возрастает, и проводимость германия значительно увеличивается. Проводимость полупроводника при отсутствии в нем примесей называется собственной проводимостью полупроводника.

Полупроводники имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления, который по абсолютной величине в 10 – 20 раз больше, чем у металлов. При нагревании металла на 1°С его сопротивление увеличивается примерно на 0,4 %, сопротивление полупроводников уменьшается на 4 – 8 %. Это свойство полупроводников используется в технике для различных целей, например, для изготовления терморезисторов, сопротивление которых резко меняется при незначительных изменениях температуры.

Свойства полупроводников можно изменить, внеся в него ничтожное количество примеси. Вводя в кристалл полупроводника атомы других элементов, можно получить в кристалле преобладание дырок над свободными электронами. Например, при замещении в кристаллической решетке атома германия атомом мышьяка, имеющим 5 валентных электронов, четыре электрона мышьяка образуют заполненные связи с соседними атомами германия, а пятый электрон, слабо связанный с атомом мышьяка, превратится в свободный (рис. 1.2). Поэтому примесь мышьяка увеличивает электронную проводимость.

Рис. 1.2

При замещении атома германия атомом индия, имеющим 3 валентных электрона, они вступят в связь с тремя атомами германия, а связи с четвертым атомом германия будут отсутствовать (рис. 1.3), так как у индия нет четвертого электрона.

Рис. 1.3

Восстановление всех связей возможно, если недостающий четвертый электрон будет получен от ближайшего атома германия. Но в этом случае на месте электрона, покинувшего атом германия, появится дырка, которая может быть заполнена электроном из соседнего атома германия. Процесс последовательного заполнения свободной связи эквивалентен движению дырок в полупроводнике. Таким образом, примесь индия повышает дырочную проводимость кристалла германия.

Полупроводники с преобладанием электронной проводимости называются полупроводниками типа n, а полупроводники с преобладанием «дырочной» проводимости – типа p. Носители заряда, определяющие собой вид проводимости в примесном полупроводнике, называются основными (электроны в n-полупроводнике или дырки в p-полупроводнике), а носители заряда противоположного знака – неосновными. Примеси, вызывающие преобладание электронной проводимости, т.е. такие, у которых валентных электронов больше, чем у атома данного полупроводника, называются донорными. Примеси, вызывающие преобладание дырочной проводимости, т.е. примеси с меньшим числом валентных электронов в атоме по сравнению с атомом данного полупроводника, называются акцепторными. Донорными примесями для германия являются, например, мышьяк, сурьма, фосфор, а акцепторными – индий, галлий, алюминий и др. В зависимости от процентного содержания примеси проводимость примесного полупроводника возрастает по сравнению с собственной проводимостью полупроводника в десятки и сотни тысяч раз. Например, если в нормальных условиях в 1 см 3 чистого германия содержится примерно 4,2·10 22 атомов и 2,5·10 13 электронов и дырок, то примесь мышьяка в количестве 0,001 % вызовет появление в том же объеме дополнительно 10 17 электронов, которые обеспечат увеличение электронной проводимости примерно в 10 4 раз.

Если к чистому полупроводнику добавить вещество с пятью внешними электронами, то в пространстве кристалла появляются носители тока, не связанные с кристаллической решеткой. Эти полупроводники называются n-типа. При добавлении к чистому полупроводнику вещества с тремя внешними электронами появляются дополнительные дырки в полупроводнике. Такие полупроводники называются p-типа.

Образование электронно-дырочного перехода. ВАХ перехода.

Электрическим переходом в полупроводнике называется граничный слой между двумя областями, физические характеристики которых имеют существенные физические различия.

Различают следующие виды электрических переходов:

· электронно-дырочный, или p–n-переход – переход между двумя областями полупроводника, имеющими разный тип электропроводности;

· переходы между двумя областями, если одна из них является металлом, а другая полупроводником p— или n-типа (переход металл –полупроводник);

· переходы между двумя областями с одним типом электропроводности, отличающиеся значением концентрации примесей;

· переходы между двумя полупроводниковыми материалами с различной шириной запрещенной зоны (гетеропереходы).

Работа целого ряда полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов, тиристоров и др.) основана на явлениях, возникающих в контакте между полупроводниками с разными типами проводимости, либо в точечном контакте полупроводника с металлом. Граница между двумя областями монокристалла полупроводника, одна из которых имеет электропроводность типа p, а другая – типа n, называется электронно-дырочным переходом. Концентрации основных носителей заряда в областях p и n могут быть равными или существенно отличаться.

P–n-переход, у которого концентрации дырок и электронов практически равны , называют симметричным. Если концентрации основных носителей заряда различны ( или ) и отличаются в 100 – 1000 раз, то такие переходы называют несимметричными. Несимметричные p–n-переходы используются шире, чем симметричные, поэтому в дальнейшем будем рассматривать только их.

Рис 1.4

Рассмотрим монокристалл полупроводника (рис. 1.4), в котором, с одной стороны, введена акцепторная примесь, обусловившая возникновение здесь электропроводности типа p, а с другой стороны, введена донорная примесь, благодаря которой там возникла электропроводность типа n. Каждому подвижному положительному носителю заряда в области p (дырке) соответствует отрицательно заряженный ион акцепторной примеси, но неподвижный, находящийся в узле кристаллической решетки, а в области n каждому свободному электрону соответствует положительно заряженный ион донорной примеси, в результате чего весь монокристалл остается электрически нейтральным.

Свободные носители электрических зарядов под действием градиента концентрации начинают перемещаться из мест с большой концентрацией в места с меньшей концентрацией. Так, дырки будут диффундировать из области p в область n, а электроны, наоборот, из области n в область p. Это направленное навстречу друг другу перемещение электрических зарядов образует диффузионный ток p– n-перехода. Но как только дырка из области p перейдет в область n, она оказывается в окружении электронов, являющихся основными носителями электрических зарядов в области n. Поэтому велика вероятность того, что какой-либо электрон заполнит свободный уровень в дырке и произойдет явление рекомбинации, в результате которой не будет ни дырки, ни электрона, а останется электрически нейтральный атом полупроводника. Но если раньше положительный электрический заряд каждой дырки компенсировался отрицательным зарядом иона акцепторной примеси в области p, а заряд электрона – положительным зарядом иона донорной примеси в области n, то после рекомбинации дырки и электрона электрические заряды неподвижных ионов примесей, породивших эту дырку и электрон, остались не скомпенсированными. И в первую очередь не скомпенсированные заряды ионов примесей проявляют себя вблизи границы раздела (рис. 1.5), где образуется слой пространственных зарядов, разделенных узким промежутком d . Между этими зарядами возникает электрическое поле с напряжённостью E , которое называют полем потенциального барьера, а разность потенциалов на границе раздела двух зон, обусловливающих это поле, называют контактной разностью потенциалов .

Рис. 1.5

Это электрическое поле начинает действовать на подвижные носители электрических зарядов. Так, дырки в области p – основные носители, попадая в зону действия этого поля, испытывают со стороны него тормозящее, отталкивающее действие и,перемещаясь вдоль силовых линий этого поля,будут вытолкнуты вглубь области p. Аналогично, электроны из области n, попадая в зону действия поля потенциального барьера, будут вытолкнуты им вглубь области n. Таким образом, в узкой области d , где действует поле потенциального барьера, образуется слой, где практически отсутствуют свободные носители электрических зарядов и вследствие этого обладающий высоким сопротивлением. Это так называемый запирающий слой.

Если же в области p вблизи границы раздела каким-либо образом окажется свободный электрон, являющийся неосновным носителем для этой области, то он со стороны электрического поля потенциального барьера будет испытывать ускоряющее воздействие, вследствие чего этот электрон будет переброшен через границу раздела в область n, где он будет являться основным носителем. Аналогично, если в области n появится неосновной носитель – дырка, то под действием поля потенциального барьера она будет переброшена в область p , где она будет уже основным носителем. Движение неосновных носителей через p–n-переход под действием электрического поля потенциального барьера обусловливает составляющую дрейфового тока.

При отсутствии внешнего электрического поля устанавливается динамическое равновесие между потоками основных и неосновных носителей электрических зарядов, то есть между диффузионной и дрейфовой составляющими тока p–n-перехода, поскольку эти составляющие направлены навстречу друг другу.

Потенциальная диаграмма p–n-перехода изображена на рис. 1.5, причем за нулевой потенциал принят потенциал на границе раздела областей. Контактная разность потенциалов образует на границе раздела потенциальный барьер с высотой . На диаграмме изображен потенциальный барьер для электронов, стремящихся за счет диффузии перемещаться справа налево (из области n в область p). Если отложить вверх положительный потенциал, то можно получить изображение потенциального барьера для дырок, диффундирующих слева направо (из области p в область n).

Рис. 1.6

При отсутствии внешнего электрического поля и при условии динамического равновесия в кристалле полупроводника устанавливается единый уровень Ферми для обеих областей проводимости.

Однако, поскольку в полупроводниках p-типа уровень Ферми смещается к потолку валентной зоны Wвp, а в полупроводниках n-типа – ко дну зоны проводимости Wпn, то на ширине p–n-перехода d диаграмма энергетических зон (рис. 1.6) искривляется и образуется потенциальный барьер:

где DW – энергетический барьер, который необходимо преодолеть электрону в области n, чтобы он мог перейти в область p, или аналогично для дырки в области p, чтобы она могла перейти в область n.

Высота потенциального барьера зависит от концентрации примесей, так как при ее изменении изменяется уровень Ферми, смещаясь от середины запрещенной зоны к верхней или нижней ее границе.

Вольт-амперная характеристика p–n-перехода – это зависимость тока через p–n-переход от величины приложенного к нему напряжения. Ее рассчитывают исходя из предположения, что электрическое поле вне обедненного слоя отсутствует, т.е. все напряжение приложено к p–n-переходу. Общий ток через p–n-переход определяется суммой четырех слагаемых:

I pn= In диф+ I p дифIn дрI p др, (2)

где Inдр— электронный ток дрейфа; Ipдр– дырочный ток дрейфа; Inдиф– электронный ток диффузии; Ipдиф– дырочный ток диффузии.

Подсоединим p–n-переход к внешнему источнику питания так, чтобы отрицательное напряжение последнего было приложено к области n-типа, а положительное – к области p-типа проводимости. Внешнее поле позволяет преодолеть заряд примесей, которые отталкивают носителей заряда от перехода. Основные носители заряда подступают гораздо ближе к границе полупроводников, и становится меньше ширина p–n-перехода и высота потенциального барьера. Если увеличим напряжение, прикладываемое к p–n-переходу, возрастет концентрация основных носителей зарядов и в области дырочного типа, и в области электронного, в результате чего значительно возрастет протекающий через переход диффузионный ток, который существенно превысит дрейфовый ток. Основные носители заряда преодолевают p–n-переход и попадают из области электронного типа в область дырочного типа проводимости, в которой они являются неосновными. Этот процесс называют инжекцией. Ставшие неосновными носители заряда рекомбинируют с основными носителями заряда этой области. Совершенно аналогично дырки из области дырочного типа преодолевают p–n-переход, инжектируются в область электронного типа проводимости и там рекомбинируют. Указанное включение p–n-перехода и ток, вызванный движением основных носителей заряда, называют прямым.

Зависимость тока от напряжения при прямом включении определяется по формуле

. (3)

Теперь подключим p–n-переход к внешнему источнику питания так, чтобы положительное напряжение было приложено к области n-типа, а отрицательное – к области p-типа. Внешнее поле еще сильнее отталкивает носителей заряда от перехода, и возрастают и ширина p–n-перехода, и высота потенциального барьера. Прямой ток через p–n-переход не течет. Электроны из области p-типа и дырки из области n-типа будут под действием электрического поля направлены сквозь p–n-переход в области тех типов проводимости, в которых они станут основными. Этот процесс носит название экстракции. Через p–n-переход протекает маленький дрейфовый ток, называемый обратным, вызванный движением неосновных носителей заряда.

Дата добавления: 2018-02-28 ; просмотров: 310 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник

Электрический ток, напряжение — поймет даже ребенок!

Автор: Владимир Васильев · Опубликовано 11 января 2015 · Обновлено 29 августа 2018

Всем привет, на связи с вами снова Владимир Васильев. Новогодние празднования подходят к концу, а значить надо готовиться к рабочим будням, с чем вас дорогие друзья и поздравляю! Хех, только не надо расстраиваться и впадать в депрессию, нужно мыслить позитивно.

Электрический ток и напряжение

Так вот в эти новогодние праздники я как-то размышлял о аудитории моего блога: «Кто он? Кто тот посетитель моего блога, что каждый день заходит почитать мои посты?». Может быть это прошаренный спец зашел из любопытства почитать что я тут накалякал? А может это какой -нибудь доктор радиотехнических наук зашел посмотреть как спаять схему мультивибратора? 🙂

Содержание статьи

Знаете все это маловероятно, потому как для прошаренного специалиста все это уже пройденный этап и скорее всего все уже не так интересно и они сами с усами. Им может быть интересно лишь из праздного любопытства, мне конечно очень приятно и я жду каждого с распростертыми объятьями.

Так что я пришел к выводу, что основной контингент моего блога да и большинства радиолюбительских сайтов это новички и любители рыскающие по интернету в поисках полезной информации. Так какого лешего, у меня ее так мало? Будет в скором временя поболее так что [urlspan] не пропустите! [/urlspan]

Я вспоминаю себя, когда я искал в интернете какую-нибудь простенькую схемку чтобы с чего-нибудь начать, но постоянно что-то не подходило, что-то казалось заумным. Мне не хватало азов, таких, чтобы можно было по принципу от простого к сложному начать разбираться в интересующей меня теме.

Кстати первая книга которая мне действительно помогла, от прочтения которой действительно начало приходить понимание — это была книга «Искусство схемотехники» П. Хоровица, У. Хилла. Я писал про нее в этой статье, там и книжку можно скачать. Так вот, если вы новичок то обязательно ее скачайте и пусть она станет вашей настольной книгой.

Что такое напряжение и ток?

Ток и напряжение водопроводная аналогия

Кстати действительно что же такое электрический ток и напряжение? Я думаю, что никто на самом деле и не знает, ведь чтобы это знать это надо хотябы видеть. Кто может видеть ток, бегущий по проводам?

Да никто, человечество еще не достигло таких технологий, чтобы воочию наблюдать движения электрических зарядов. Все что мы видим в учебниках и научных трудах это некая абстракция созданная в результате многочисленных наблюдений.

Ну ладно об этом можно много рассуждать… Так давайте попробуем разобраться, что такое электрический ток и напряжение. Я не буду писать определения, определения не дают самого понимания сути. Если интересно, возьмите любой учебник по физике.

Так как мы его не видим электрического тока и всех процессов протекающих в проводнике, тогда попробуем создать аналогию.

И традиционно электрический ток текущий в проводнике сравнивают с водой бегущей по трубам. В нашей аналогии вода это электрический ток. Вода бежит по трубам с определенной скоростью, скорость это сила тока, измеряемая в амперах. Ну трубы это само собой проводник.

Хорошо, электрический ток мы себе представили, но а что такое напряжение? Сейчас помозгуем.

Вода в трубе, в отсутствии каких-либо сил (сила тяжести, давления) теч не будет, она будет покоиться как и любая другая жижа вылитая на пол. Так вот эта сила или точнее сказать энергия в нашей водопроводной аналогии и будет тем самым напряжением.

Но что происходит с водой бегущей из резервуара расположенного высоко над землей? Вода устремляется бурным потоком из резервуара к поверхности земли, гонимая силами тяготения. И чем выше от земли расположен резервуар тем с большей скоростью вытекает вода из шланга. Понимаете о чем я говорю?

Чем выше резервуар, тем больше сила (читай напряжение) воздействующая на воду. И тем больше скорость водного потока (читай сила тока). Теперь становится понятно и в голове начинает создаваться красочная картинка.

Понятие потенциала, разности потенциалов

Электрическая цепь

С понятием напряжения электрического тока тесно связано понятие «потенциал» , или «разность потенциалов». Хорошо, обратимся снова к нашей водопроводной аналогии.

Наш резервуар находится на возвышенности что позволяет воде беспрепятственно стекать по трубе вниз. Так как бак с водой на высоте, то и потенциал этой точки будет более высоким или более положительным чем тот что находится на уровне земли. Видите что получается?

У нас появилось две точки имеющие разные потенциалы, точнее разную величину потенциала.

Получается, для того чтобы электрический ток мог бежать по проводу, потенциалы не должны быть равны. Ток бежит от точки с большим потенциалом к точки с меньшим потенциалом.

Помните такое выражение, что ток бежит от плюса к минусу. Так вот это все тоже самое. Плюс это более положительный потенциал а минус более отрицательный.

Кстати а хотите вопрос на засыпку? Что произойдет с током, если величины потенциалов будет периодически меняться местами?

Тогда мы будем наблюдать то как электрический ток меняет свое направление на противоположное каждый раз как потенциалы поменяются. Это получится уже переменный ток. Но его мы пока рассматривать не будем, дабы в голове сформировалось ясное понимание процессов.

Измерение напряжения

Замер напряжения

Для замера напряжение используется прибор вольтметр, хотя сейчас наиболее популярны мультиметры. Мультиметр это такой комбинированный прибор имеющий в себе много чего. О нем я писал в статье и рассказывал как им пользоваться.

Вольтметр это как раз тот прибор который измеряет разность потенциалов между двумя точками. Напряжение (разность потенциалов) в любой точке схемы обычно измеряется относительно НОЛЯ или ЗЕМЛИ или МАССЫ или МИНУСА батарейки. Не важно главное это должна быть точка имеющая наименьший потенциал во всей схеме.

Итак чтобы измерить напряжение постоянного тока между двумя точками, делаем следующее. Черный (минусовой ) щуп вольтметра втыкается в ту точку, где предположительно мы можем наблюдать точку с меньшим потенциалом (НОЛЬ). Красный щуп (плюсовой) втыкаем в точку, потенциал которой нам интересен.

И результатом измерения будет числовое значение разности потенциалов, или другими словами напряжение.

Измерение тока

Замер тока

В отличие от напряжения, которое замеряется в двух точках, величина тока замеряется в одной точке. Так как сила тока (или говорят просто ток) по нашей аналогии есть скорость течения воды, то эту скорость нужно замерять только в одной точке.

Нам нужно распилить водопровод и вставить в разрыв некий счетчик, который будет подсчитывать литры и минуты. Както так.

Аналогично если вернемся в реальный мир нашей электрической модели, то получим тоже самое. Чтобы замерить величину электрического тока, нам нужно подключить в разрыв электрической цепи нехитрый прибор — амперметр. Амперметр также входит в состав мультиметра. Вы также можете почитать в моей статье.

Щупы мультиметра нужно переставить в режим измерения тока. Затем перекусываем наш проводник, и подключаем обрывки провода к мультиметру и вуаля — на экране мультиметра будет показана величина тока.

Закон Ома

Ну что дорогие друзья, я думаю что мы не теряли время даром. Ознакомившись с нашими водопроводными моделями в голове начал складываться пазл, начало формироваться понимание.

Ну чтож попробуем проверить его на законе Ома.

Где:

  • I — ток измеряемый в Амперах (А);
  • U-напряжение измеряемое в Вольтах (В);
  • R-сопротивление измеряемое в Омах (Ом)

Ом нам говорил, что Электрический ток прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению.

Про сопротивление я сегодня не говорил, но я думаю что вы поняли. Сопротивление электрическому току оказывается материалом проводника. В нашей водопроводной системе сопротивление току воды оказывают ржавые трубы, забитые ржавчиной и прочей какой. 🙂

Таким образом закон Ома работает во всей своей красе что для водопроводной системы, что для электрической. Может быть мне податься в сантехники, уж очень много схожего. 🙂

Чем выше задран резервуар с водой, тем быстрее по трубам будет теч вода. Но если трубы загажены то скорость будет меньше. Чем больше сопротивление воде тем медленнее она будет теч. Если засор, то вода вообще может встать.

Ну и для электричества. Величина тока зависит прямо пропорционально от величины напряжения (разности потенциалов), и обратно пропорционально зависит от сопротивления.

Чем выше напряжение тем больше величина тока, но чем больше сопротивление тем меньше величина тока. Напряжение может быть очень большим, но ток может не теч из-за обрыва. А обрыв это все равно, что если вместо металлического проводника мы подключили проводник из воздуха, а воздух обладает просто гигантским сопротивлением. Вот ток и остановится.

Чтоже дорогие друзья, вот и подходит время закругляться, вроде все что хотел сказать в этой статье я сказал. Если остаются какие-либо вопросы спрашивайте в комментариях. Дальше будет больше, планирую написать череду обучающих материалов, так что [urlspan] не пропустите… [/urlspan]

Желаю вам удачи, успехов и до новых встреч!

Источник

Ток от напряжения при прямом токе



Зависимость тока от напряжения при прямом включении определяется по формуле

Полупроводниковые диоды.

Общие сведения о полупроводниковых приборах.

К полупроводникам относятся вещества, которые по своему удельному сопротивлению занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Для полупроводников характерна сильная зависимость проводимости от температуры, электрического поля, освещенности, сжатия и т.д. В отличие от проводников они имеют не только электронную, но и дырочную проводимость. К полупроводникам относятся такие материалы, как германий, кремний, арсенид галлия, селен.

Каждый атом связан с соседним через промежуточные электроны. Например, германий принадлежит к элементам 4 группы периодической системы Д. Менделеева. Следовательно, он имеет на внешней орбите 4 валентных электрона. Каждый атом в кристалле германия образует электронные связи с 4 соседними атомами. При температуре, близкой к абсолютному нулю, и отсутствии примесей все валентные электроны атомов в кристалле германия (рис. 1.1) взаимно связаны, свободных электронов нет, а значит, что кристалл не обладает проводимостью.

Рис. 1.1

Под действием температуры связывающие электроны могут покинуть свое место и оказаться в межатомном пространстве. На их прежнем месте образуется вакантное место – дырка. Свободные электроны под действием внешнего поля могут передвигаться в кристалле, создавая ток. Германий уже при комнатной температуре становится полупроводником. В процессе движения электронов в кристалле часть их может занимать дырки, образуя полную связь между атомами. Однако нормальная связь нарушается в том месте, откуда ушел электрон. Под действием внешнего ЭП происходит перемещение дырок в направлении поля, т.е. в направлении, обратном перемещению электронов. Перемещение дырок эквивалентно перемещению положительных зарядов. Этот процесс называется дырочной проводимостью. Если при электронной проводимости один свободный электрон проходит весь путь в кристалле, то при дырочной проводимости большое число электронов замещают друг друга в связях, т.е. имеет место как бы эстафета электронов, при которой каждый электрон проходит свой этап пути. Таким образом, проводимость полупроводника складывается из электронной и дырочной. При нарушении электронных связей в кристалле чистого проводника одновременно возникает одинаковое число свободных электронов и дырок.

Одновременно с генерацией пар электрон – дырка происходит обратный процесс – рекомбинация, при которой свободный электрон заполняет вакантное место. При заданной температуре число пар в единице объема полупроводника в среднем остается постоянным. Например, при температуре 20°С концентрация свободных электронов и дырок у германия равна 2,5·10 13 в 1 см 3 , а у металлических проводников концентрация свободных электронов в 1 см 3 составляет около 10 22 . Таким образом, из сопоставления концентраций следует, что проводимость германия при комнатной температуре значительно меньше проводимости металлов. При повышении температуры число свободных электронов и дырок сильно возрастает, и проводимость германия значительно увеличивается. Проводимость полупроводника при отсутствии в нем примесей называется собственной проводимостью полупроводника.

Полупроводники имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления, который по абсолютной величине в 10 – 20 раз больше, чем у металлов. При нагревании металла на 1°С его сопротивление увеличивается примерно на 0,4 %, сопротивление полупроводников уменьшается на 4 – 8 %. Это свойство полупроводников используется в технике для различных целей, например, для изготовления терморезисторов, сопротивление которых резко меняется при незначительных изменениях температуры.

Свойства полупроводников можно изменить, внеся в него ничтожное количество примеси. Вводя в кристалл полупроводника атомы других элементов, можно получить в кристалле преобладание дырок над свободными электронами. Например, при замещении в кристаллической решетке атома германия атомом мышьяка, имеющим 5 валентных электронов, четыре электрона мышьяка образуют заполненные связи с соседними атомами германия, а пятый электрон, слабо связанный с атомом мышьяка, превратится в свободный (рис. 1.2). Поэтому примесь мышьяка увеличивает электронную проводимость.

Рис. 1.2

При замещении атома германия атомом индия, имеющим 3 валентных электрона, они вступят в связь с тремя атомами германия, а связи с четвертым атомом германия будут отсутствовать (рис. 1.3), так как у индия нет четвертого электрона.

Рис. 1.3

Восстановление всех связей возможно, если недостающий четвертый электрон будет получен от ближайшего атома германия. Но в этом случае на месте электрона, покинувшего атом германия, появится дырка, которая может быть заполнена электроном из соседнего атома германия. Процесс последовательного заполнения свободной связи эквивалентен движению дырок в полупроводнике. Таким образом, примесь индия повышает дырочную проводимость кристалла германия.

Полупроводники с преобладанием электронной проводимости называются полупроводниками типа n, а полупроводники с преобладанием «дырочной» проводимости – типа p. Носители заряда, определяющие собой вид проводимости в примесном полупроводнике, называются основными (электроны в n-полупроводнике или дырки в p-полупроводнике), а носители заряда противоположного знака – неосновными. Примеси, вызывающие преобладание электронной проводимости, т.е. такие, у которых валентных электронов больше, чем у атома данного полупроводника, называются донорными. Примеси, вызывающие преобладание дырочной проводимости, т.е. примеси с меньшим числом валентных электронов в атоме по сравнению с атомом данного полупроводника, называются акцепторными. Донорными примесями для германия являются, например, мышьяк, сурьма, фосфор, а акцепторными – индий, галлий, алюминий и др. В зависимости от процентного содержания примеси проводимость примесного полупроводника возрастает по сравнению с собственной проводимостью полупроводника в десятки и сотни тысяч раз. Например, если в нормальных условиях в 1 см 3 чистого германия содержится примерно 4,2·10 22 атомов и 2,5·10 13 электронов и дырок, то примесь мышьяка в количестве 0,001 % вызовет появление в том же объеме дополнительно 10 17 электронов, которые обеспечат увеличение электронной проводимости примерно в 10 4 раз.

Если к чистому полупроводнику добавить вещество с пятью внешними электронами, то в пространстве кристалла появляются носители тока, не связанные с кристаллической решеткой. Эти полупроводники называются n-типа. При добавлении к чистому полупроводнику вещества с тремя внешними электронами появляются дополнительные дырки в полупроводнике. Такие полупроводники называются p-типа.

Читайте также:  Напряжение пробоя конденсатора переменного тока

Образование электронно-дырочного перехода. ВАХ перехода.

Электрическим переходом в полупроводнике называется граничный слой между двумя областями, физические характеристики которых имеют существенные физические различия.

Различают следующие виды электрических переходов:

· электронно-дырочный, или p–n-переход – переход между двумя областями полупроводника, имеющими разный тип электропроводности;

· переходы между двумя областями, если одна из них является металлом, а другая полупроводником p— или n-типа (переход металл –полупроводник);

· переходы между двумя областями с одним типом электропроводности, отличающиеся значением концентрации примесей;

· переходы между двумя полупроводниковыми материалами с различной шириной запрещенной зоны (гетеропереходы).

Работа целого ряда полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов, тиристоров и др.) основана на явлениях, возникающих в контакте между полупроводниками с разными типами проводимости, либо в точечном контакте полупроводника с металлом. Граница между двумя областями монокристалла полупроводника, одна из которых имеет электропроводность типа p, а другая – типа n, называется электронно-дырочным переходом. Концентрации основных носителей заряда в областях p и n могут быть равными или существенно отличаться.

P–n-переход, у которого концентрации дырок и электронов практически равны , называют симметричным. Если концентрации основных носителей заряда различны ( или ) и отличаются в 100 – 1000 раз, то такие переходы называют несимметричными. Несимметричные p–n-переходы используются шире, чем симметричные, поэтому в дальнейшем будем рассматривать только их.

Рис 1.4

Рассмотрим монокристалл полупроводника (рис. 1.4), в котором, с одной стороны, введена акцепторная примесь, обусловившая возникновение здесь электропроводности типа p, а с другой стороны, введена донорная примесь, благодаря которой там возникла электропроводность типа n. Каждому подвижному положительному носителю заряда в области p (дырке) соответствует отрицательно заряженный ион акцепторной примеси, но неподвижный, находящийся в узле кристаллической решетки, а в области n каждому свободному электрону соответствует положительно заряженный ион донорной примеси, в результате чего весь монокристалл остается электрически нейтральным.

Свободные носители электрических зарядов под действием градиента концентрации начинают перемещаться из мест с большой концентрацией в места с меньшей концентрацией. Так, дырки будут диффундировать из области p в область n, а электроны, наоборот, из области n в область p. Это направленное навстречу друг другу перемещение электрических зарядов образует диффузионный ток p– n-перехода. Но как только дырка из области p перейдет в область n, она оказывается в окружении электронов, являющихся основными носителями электрических зарядов в области n. Поэтому велика вероятность того, что какой-либо электрон заполнит свободный уровень в дырке и произойдет явление рекомбинации, в результате которой не будет ни дырки, ни электрона, а останется электрически нейтральный атом полупроводника. Но если раньше положительный электрический заряд каждой дырки компенсировался отрицательным зарядом иона акцепторной примеси в области p, а заряд электрона – положительным зарядом иона донорной примеси в области n, то после рекомбинации дырки и электрона электрические заряды неподвижных ионов примесей, породивших эту дырку и электрон, остались не скомпенсированными. И в первую очередь не скомпенсированные заряды ионов примесей проявляют себя вблизи границы раздела (рис. 1.5), где образуется слой пространственных зарядов, разделенных узким промежутком d . Между этими зарядами возникает электрическое поле с напряжённостью E , которое называют полем потенциального барьера, а разность потенциалов на границе раздела двух зон, обусловливающих это поле, называют контактной разностью потенциалов .

Рис. 1.5

Это электрическое поле начинает действовать на подвижные носители электрических зарядов. Так, дырки в области p – основные носители, попадая в зону действия этого поля, испытывают со стороны него тормозящее, отталкивающее действие и,перемещаясь вдоль силовых линий этого поля,будут вытолкнуты вглубь области p. Аналогично, электроны из области n, попадая в зону действия поля потенциального барьера, будут вытолкнуты им вглубь области n. Таким образом, в узкой области d , где действует поле потенциального барьера, образуется слой, где практически отсутствуют свободные носители электрических зарядов и вследствие этого обладающий высоким сопротивлением. Это так называемый запирающий слой.

Если же в области p вблизи границы раздела каким-либо образом окажется свободный электрон, являющийся неосновным носителем для этой области, то он со стороны электрического поля потенциального барьера будет испытывать ускоряющее воздействие, вследствие чего этот электрон будет переброшен через границу раздела в область n, где он будет являться основным носителем. Аналогично, если в области n появится неосновной носитель – дырка, то под действием поля потенциального барьера она будет переброшена в область p , где она будет уже основным носителем. Движение неосновных носителей через p–n-переход под действием электрического поля потенциального барьера обусловливает составляющую дрейфового тока.

При отсутствии внешнего электрического поля устанавливается динамическое равновесие между потоками основных и неосновных носителей электрических зарядов, то есть между диффузионной и дрейфовой составляющими тока p–n-перехода, поскольку эти составляющие направлены навстречу друг другу.

Потенциальная диаграмма p–n-перехода изображена на рис. 1.5, причем за нулевой потенциал принят потенциал на границе раздела областей. Контактная разность потенциалов образует на границе раздела потенциальный барьер с высотой . На диаграмме изображен потенциальный барьер для электронов, стремящихся за счет диффузии перемещаться справа налево (из области n в область p). Если отложить вверх положительный потенциал, то можно получить изображение потенциального барьера для дырок, диффундирующих слева направо (из области p в область n).

Рис. 1.6

При отсутствии внешнего электрического поля и при условии динамического равновесия в кристалле полупроводника устанавливается единый уровень Ферми для обеих областей проводимости.

Однако, поскольку в полупроводниках p-типа уровень Ферми смещается к потолку валентной зоны Wвp, а в полупроводниках n-типа – ко дну зоны проводимости Wпn, то на ширине p–n-перехода d диаграмма энергетических зон (рис. 1.6) искривляется и образуется потенциальный барьер:

Читайте также:  Ток течет по длинному однослойному соленоиду

где DW – энергетический барьер, который необходимо преодолеть электрону в области n, чтобы он мог перейти в область p, или аналогично для дырки в области p, чтобы она могла перейти в область n.

Высота потенциального барьера зависит от концентрации примесей, так как при ее изменении изменяется уровень Ферми, смещаясь от середины запрещенной зоны к верхней или нижней ее границе.

Вольт-амперная характеристика p–n-перехода – это зависимость тока через p–n-переход от величины приложенного к нему напряжения. Ее рассчитывают исходя из предположения, что электрическое поле вне обедненного слоя отсутствует, т.е. все напряжение приложено к p–n-переходу. Общий ток через p–n-переход определяется суммой четырех слагаемых:

I pn= In диф+ I p дифIn дрI p др, (2)

где Inдр— электронный ток дрейфа; Ipдр– дырочный ток дрейфа; Inдиф– электронный ток диффузии; Ipдиф– дырочный ток диффузии.

Подсоединим p–n-переход к внешнему источнику питания так, чтобы отрицательное напряжение последнего было приложено к области n-типа, а положительное – к области p-типа проводимости. Внешнее поле позволяет преодолеть заряд примесей, которые отталкивают носителей заряда от перехода. Основные носители заряда подступают гораздо ближе к границе полупроводников, и становится меньше ширина p–n-перехода и высота потенциального барьера. Если увеличим напряжение, прикладываемое к p–n-переходу, возрастет концентрация основных носителей зарядов и в области дырочного типа, и в области электронного, в результате чего значительно возрастет протекающий через переход диффузионный ток, который существенно превысит дрейфовый ток. Основные носители заряда преодолевают p–n-переход и попадают из области электронного типа в область дырочного типа проводимости, в которой они являются неосновными. Этот процесс называют инжекцией. Ставшие неосновными носители заряда рекомбинируют с основными носителями заряда этой области. Совершенно аналогично дырки из области дырочного типа преодолевают p–n-переход, инжектируются в область электронного типа проводимости и там рекомбинируют. Указанное включение p–n-перехода и ток, вызванный движением основных носителей заряда, называют прямым.

Зависимость тока от напряжения при прямом включении определяется по формуле

. (3)

Теперь подключим p–n-переход к внешнему источнику питания так, чтобы положительное напряжение было приложено к области n-типа, а отрицательное – к области p-типа. Внешнее поле еще сильнее отталкивает носителей заряда от перехода, и возрастают и ширина p–n-перехода, и высота потенциального барьера. Прямой ток через p–n-переход не течет. Электроны из области p-типа и дырки из области n-типа будут под действием электрического поля направлены сквозь p–n-переход в области тех типов проводимости, в которых они станут основными. Этот процесс носит название экстракции. Через p–n-переход протекает маленький дрейфовый ток, называемый обратным, вызванный движением неосновных носителей заряда.

Дата добавления: 2018-02-28 ; просмотров: 305 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник

Экспоненциальная зависимость тока от напряжения у диодов при прямом смещении

Данная статья предоставляет основную информацию об электрическом поведении диодов, смещенных в прямом направлении.

Эта статья объясняет экспоненциальную вольт-амперную характеристику (ВАХ) диодов, концепцию «порогов» и влияние температуры на ВАХ.

Связь между током и напряжением у диода

Когда вы прикладываете напряжение к двум выводам диода с более высоким напряжением на стороне анода и более низким напряжением на стороне катода, начинает протекать прямой ток (то есть ток от анода к катоду). Если напряжение увеличивается, будет увеличиваться и прямой ток, и в этом случае диод будет похож на резистор: большее напряжение приводит к большему току.

Однако если мы внимательно посмотрим на то, как увеличивается ток, мы увидим, что диоды сильно отличаются от резисторов. Если мы будем постоянно увеличивать напряжение на резисторе, мы получим неуклонно увеличивающийся ток. При использовании диода, напротив, постоянно увеличивающееся напряжение будет создавать ток, который сначала увеличивается медленно, затем быстрее и, в конечном итоге, очень быстро.

Это происходит потому, что связь между прямым напряжением диода и его прямым током является экспоненциальной, а не линейной.

На следующем графике зависимости тока диода (Iд) от напряжения диода (Vд) показана экспоненциальная вольт-амперная характеристика типового кремниевого диода.

Рисунок 1 Вольт-амперная характеристика диода Рисунок 1 – Вольт-амперная характеристика диода

Как вы можете видеть, прямой ток практически не протекает, когда прямое напряжение ниже 0,5 В. Это область, в которой ток медленно увеличивается относительно роста напряжения.

Переходная область, в которой скорости изменения напряжения и тока более сопоставимы, начинается с около 0,5 В. Однако эта переходная область довольно узкая, и к тому времени, когда Vд достигает 0,7 В, ток диода увеличивается так быстро, что очень маленькие изменения прямого напряжения создают большие изменения прямого тока.

«Пороги» прямого напряжения

Как показано на графике выше, связь между током и напряжением диода не является дискретной. Эта связь экспоненциальна, а не линейна; ток плавно увеличивается от нуля до больших значений. Таким образом, если мы интерпретируем «порог» как своего рода мгновенный переход из одного состояния (например, «непроводящий») в другое состояние (например, «проводящий»), то в электрическом поведении диода нет настоящих «порогов».

При этом экспоненциальный характер ВАХ диода приводит к значениям напряжения, которые в контексте практических инженерных задач очень похожи на пороговые значения. Таким образом, часто бывает удобно говорить о двух напряжениях, обозначенных на диаграмме ниже, как если бы они были пороговыми.

Рисунок 2 Пороговые напряжения диода Рисунок 2 – Пороговые напряжения диода

Первый порог, 0,5 В, определяет переход от незначительно малого тока к не незначительно малому току. Таким образом, когда мы обсуждаем практические схемы вместо точных научных подробностей, мы можем сказать, что обычный кремниевый диод не позволяет току течь, пока прямое напряжение не превысит 0,5 В.

Читайте также:  Раздражающее воздействие электрического тока что делать

Второй порог, 0,7 В, определяет точку, в которой наклон кривой ВАХ стал чрезвычайно высоким; мы можем использовать 0,7 В в качестве аппроксимации напряжения, падающего на кремниевом диоде в режиме полной проводимости, поскольку напряжения, значительно превышающие 0,7 В, соответствуют очень большим значениям тока.

Маломощные и мощные диоды

Графики, показанные выше, передают общую зависимость тока от напряжения у кремниевого диода с pn-переходом, но не указывают точные значения тока. Они не говорят нам, какой прямой ток протекает, когда прямое напряжение диода составляет, например, 0,5 В или 0,7 В. А это необходимо, потому что точное числовое соотношение между прямым напряжением и прямым током зависит от физических размеров диода.

Если более конкретно, то площадь поперечного сечения pn-перехода сильно влияет на величину прямого тока, который протекает при заданном прямом напряжении. Таким образом, у физически маленького диода, который предназначен для приложений с низким энергопотреблением, прямой ток может составлять 5 мА, когда прямое напряжение на нем равно 0,7 В, а более крупный диод, предназначенный для приложений с высоким энергопотреблением, может иметь Iд = 500 мА при Vд = 0,7 В.

Температурная зависимость ВАХ

Другим фактором, который влияет на точное числовое соотношение между прямым напряжением и прямым током, является температура. Значение напряжения, которое соответствует данному значению тока, с понижением температуры увеличивается. Другими словами, если схема поддерживает ток диода, скажем, 15 мА, падение напряжения на диоде при 10°C будет выше, чем падение напряжения на 20°C.

Следующая диаграмма показывает эту температурную зависимость в виде горизонтального сдвига ВАХ.

Рисунок 3 График ВАХ диода сдвигается примерно на 2 мВ на градус Цельсия Рисунок 3 – График ВАХ диода сдвигается примерно на 2 мВ на градус Цельсия

Заключение

Надеюсь, что эта статья помогла вам понять взаимосвязь между напряжением прямого смещения, приложенным к диоду, и током, который протекает в ответ на это приложенное напряжение.

В следующей статье мы продолжим эту тему, рассматривая диоды с прямым смещением в контексте анализа цепей.

Источник

Зависимость силы тока от напряжения

Величина силы тока

По определению силой тока называется физическая величина равная величине заряда q, прошедшего через поперечное сечение проводника за время t:

Если сила тока не зависит от времени, то такой электрический ток называется постоянным. Рассмотрим далее именно такой случай, когда ток постоянен. Измерить величину заряда чрезвычайно трудно, поэтому в 1826 г. немецкий физик Георг Ом поступил следующим образом: в электрической цепи, состоящей из источника напряжения (батареи) и сопротивления, он измерял величину тока при разных значениях сопротивления. Затем, не меняя величину сопротивления, он стал изменять параметры источника напряжения, подключая сразу, например, два-три источника. Измеряя величину тока в цепи, он получил зависимости силы тока от напряжения U и от сопротивления R.

Схема измерений тока и напряжения Георга Ома

Рис. 1. Схема измерений тока и напряжения Георга Ома.

Закон Ома

В результате проведенных исследований Георг Ом обнаружил, что отношение напряжения U между концами металлического проводника, являющегося участком электрической цепи, к силе тока I в цепи есть величина постоянная:

где R электрическое сопротивление. Данная формула называется законом Ома, который до сих пор является основным расчетным инструментом при проектировании электрических и электронных схем.

Если по оси абсцисс отложить значения напряжения, а по оси ординат — значения тока в цепи при данных значениях напряжения, то получится график зависимости силы тока I от напряжения U.

График зависимости силы тока от напряжения

Рис. 2. График зависимости силы тока от напряжения.

Из этого графика видно, что эта зависимость линейная. Угол наклона прямой зависит от величины сопротивления. Чем больше R, тем меньше угол наклона.

График зависимости силы тока от сопротивления

Рис. 3. График зависимости силы тока от сопротивления.

Если зафиксировать напряжение U и по оси абсцисс откладывать значения R электрического сопротивления, то из полученного графика видно, что эта зависимость уже нелинейная — с ростом сопротивления поведение тока описывает обратно пропорциональной функцией — гиперболой.

Закон Ома перестает работать при больших величинах тока, так как начинают работать дополнительные эффекты, связанные с тепловым разогревом вещества, ростом температуры. В газах при больших токах возникает пробой, ток растет лавинообразно, отклоняясь от линейного закона.

От чего зависит величина сопротивления

Эксперименты показывают, что сопротивление проводника прямо пропорционально его длине L и обратно пропорционально площади поперечного сечения S:

где ρ удельное электрическое сопротивление вещества.

Единицы измерения

В международной системе единиц СИ единица измерения электрического сопротивления называется “ом” в честь физика Георга Ома. По определению электрическим сопротивлением 1 Ом обладает участок цепи, на котором падает напряжение 1 В при силе тока 1 А.

Единица измерения удельного сопротивления получается производной от единиц величин, входящих в фориулу: сопротивления, длины и площади. То есть в системе СИ получатся, что если R = 1 Ом, S = 1 м 2 , а L = 1 м, то ρ = 1 .

Это и есть единица измерения удельного сопротивления. Но на практике оказалось, что у реальных проводов площади сечений гораздо меньше 1 м 2 . Поэтому было решено при вычислении ρ использовать значение площади S в мм 2 , чтобы итоговое значение имело компактный вид. Тогда получаются более удобные (меньше нулей после запятой) для восприятия числовые значения удельного сопротивления:

Величину тока измеряют амперметром, а величину напряжения — вольтметром. При проведении очень точных измерений, необходимо учитывать внутреннее сопротивление этих приборов.

Что мы узнали?

Итак, мы узнали, что зависимость силы тока в электрической цепи описывается с помощью закона Ома. Сила тока I прямо пропорциональна величине U напряжения, и обратно пропорциональна сопротивлению R.

Источник

Adblock
detector