Понимание кривых тока на нелинейных устройствах
В этой статье обсуждаются кривые IV пассивных нелинейных устройств, таких как диоды, транзисторы и тиристоры.
IV Кривые нелинейных устройств
Кривые тока-напряжения или кривые IV электронных устройств - это способ понять, как ведут себя устройства. Цель этой технической статьи - использовать кривые IV идеальных линейных компонентов, чтобы лучше понять, как работают нелинейные устройства.
В частности, мы будем рассматривать пассивные нелинейные устройства, такие как диоды, транзисторы и тиристоры. Метод получения кривых IV для пассивных устройств заключается в использовании метода линейного разворота напряжения, который подробно обсуждается здесь, в разделе « Получение IV кривых». Хотя будут предоставлены внешние ссылки на то, как работают эти нелинейные устройства, эта статья будет посвящена только кривым IV.
Диоды
Диод - это устройство, которое позволяет потоку течь в одном направлении, но предотвращает его протекание в обратном направлении. Это соединение, образованное полупроводником p-типа и полупроводником n-типа. Поскольку диод является пассивным устройством, кривая IV для диода получается линейной разверткой напряжения и показана на рисунке 1.
Когда приложенное напряжение на диоде больше нуля, т. Е. $$ V_D> 0 $$, диод считается направленным вперед. При прямом смещении ток диода, $$ I_D $$, экспоненциально связан с напряжением на нем, $$ V_D $$ и задается уравнением Шокли, показанным на рисунке 1. Диод в обратном смещении допускает очень мало тока для прохождения, и это свойство позволяет удобно использовать диод в качестве переключателя или выпрямителя.
Рисунок 1. Кривая тока и напряжения для диода. Сплошная линия - это кривая, которая описывается уравнением диода Шокли. Выделенная область - это область пробоя диода, которая не описывается диодным уравнением
Уравнение Шокли описывает только ток диода до области пробоя. Областью пробоя в диоде является быстрое увеличение тока, которое происходит при обратном смещении при определенном напряжении, известном как напряжение пробоя. В то время как все диоды имеют область пробоя, диоды Зенера представляют собой специальные диоды, которые предназначены для многократной работы в области пробоя. Чтобы использовать его, диод Зенера обратный смещен вблизи напряжения пробоя, тем самым он может пропускать большой диапазон токов через устройство при одном конкретном напряжении и использоваться в качестве регулятора пассивного напряжения.
В контексте нашего обсуждения обратите внимание на выделенную область на рисунке: устройство работает как идеальный источник напряжения с прямой, параллельной текущей оси. Кривая IV диода проходит через начало координат, подразумевая, что в устройстве нет хранения энергии.
Транзисторы
Транзисторы представляют собой трехполюсные полупроводниковые устройства, где один терминал электронным образом управляет потоком тока между оставшимися двумя терминалами.
Транзисторы претерпели несколько улучшений между 1955 и сегодня. Первой версией полупроводникового транзистора был биполярный переходный транзистор (BJT). В то время как диод состоит из соединения двух слоев, полупроводников p-типа и n-типа, BJT состоит из трех слоев, которые могут быть либо npn, либо pnp. Более современным общим транзистором является транзистор с полевым эффектом на основе оксида металла (MOSFET). Недавние достижения в области микроэлектроники привели к созданию новой конструкции MOSFET-устройства, известного как FinFET.
Транзисторы используются как аналоговые, так и цифровые устройства. Как цифровое устройство, они используются как переключатели и логические ворота (NOT, OR, NAND). В качестве аналогового устройства они используются для усилителей, активных фильтров, осцилляторов и т. Д.
Поскольку транзистор имеет три контакта, и напряжение всегда измеряется между двумя точками в цепи, предполагается, что один терминал является общим. Характеристическую кривую для транзисторного устройства обычно получают путем поддержания напряжения между одной клеммой относительно общего узла и подметания напряжения между другим терминалом относительно общего узла.
Схема на рисунке 10 показывает, например, устройство MOSFET n-типа с тремя терминалами: затвор (G), дренаж (D) и источник (S). Напряжение $$ V_ {GS} = V_G - V_S $$ фиксировано, а напряжение между истоком и источником - то есть $$ V_ {DS} = V_D - V_S $$ - линейно изменяется. Ток стока - $$ I_D $$ - измеряется для получения характеристики $$ I_D-V_ {DS} $$, показанной на рисунке 10. Транзистор обычно работает для положительных значений $$ V_ {DS} $$.
Рисунок 2. Ток стока ($$ I_D $$) по сравнению с напряжением от истощения к источнику ($$ V_ {DS} $$) для фиксированного напряжения затвор-источник ($$ V_ {GS} $$) для n-типа MOSFET-устройства. На этом рисунке показаны две области работы: как резистор и как идеальный источник тока. Транзистор часто смещается (т. Е. Устанавливаются значения напряжения $$ V_ {GS} $$ и $$ V_ {DS} $$), чтобы устройство могло действовать как один из линейных компонентов
Обратите внимание, что на рис. 2 есть как минимум две области операций. Здесь термин «область» означает значения для $$ V_ {GS}, V_ {DS} $$, которые вызывают текущий $$ I_D $$.
Для данного набора значений $$ V_ {GS}, V_ {DS} $$, область 1 показывает, что транзисторное устройство работает как резистор, потому что текущий $$ I_D $$ линейно изменяется с $$ V_ {DS} $$, Однако в области 2 текущий $$ I_D $$ не изменяется, даже если изменяется напряжение $$ V_ {DS} $$, работающее скорее как идеальный источник тока. Характеристическая кривая проходит через начало координат, подразумевая, что устройство в основном не хранит энергию.
тиристоры
Тиристоры представляют собой полупроводниковые материалы, состоящие из четырех слоев чередующихся полупроводников p-типа и n-типа, т. Е. Они образуют устройство npnp или pnpn.
Тиристоры представляют собой трехконтактные устройства, содержащие анод, катод и затвор. Вариантом четырехслойного полупроводникового устройства, аналогичного тиристору, является кремниевый управляемый выпрямитель (SCR). Силиконовый выпрямитель используется в качестве бистабильного переключателя, который является устройством, которое имеет два стабильных состояния и перемещается из одного состояния в другое на основе входа, подаваемого на терминал затвора. Тиристор или SCR является пассивным устройством, а его IV-кривая получается методом развертки напряжения. Он имеет очень интересную нелинейную кривую IV, показанную на рисунке 3.
Рисунок 3. IV кривая управляемого кремнием выпрямителя, который представляет собой версию тиристора, показывающую области работы. Когда напряжение переключается с $$ V_0 $$ на $$ V_2 $$ и обратно на $$ V_1 $$, устройства действуют как коммутатор, который позволяет любому потоку проходить через него с небольшим потенциальным падением на нем
Существуют три области, представляющие интерес для прямой смещенной кривой IV SCR, показанной на рисунке 3.
В области 1 устройство находится под напряжением $$ V_0 $$, и оно выключено. Если напряжение на SCR изменяется от $$ V_0 $$ до $$ V_2 $$, поток протекает через устройство очень мало, и он достигает области 2. Однако работа устройства не основана на напряжении, остающемся в $$ V_2 $$, но переход от $$ V_1 $$ к $$ V_2 $$ и обратно к $$ V_1 $$. Другими словами, устройство достигает области 3, когда оно запускается импульсным напряжением, которое пересекает $$ V_2 $$.
В области 3 SCR остается на уровне $$ V_1 $$, но позволяет пропускать через него любой ток. Хотя кривая, показанная в области 3, похожа на источник напряжения, SCR является пассивным устройством; для небольших значений $$ V_1 $$ он работает как коммутатор. Коммутатор - это устройство, которое закрывает любую цепь, тем самым позволяя пропускать любой ток без значительного падения потенциала. Устройство снова выключится, только когда напряжение вернется на $$ V_0 $$.
SCR обычно используются в качестве программируемых электрических колебаний для схем, работающих с высоким напряжением. Кривая IV тиристора проходит через начало координат, подобно другим пассивным нелинейным устройствам.
Резюме понимания IV кривых нелинейных устройств
В приведенной ниже таблице приведено обсуждение кривых IV нелинейных устройств:
| приборы | Требуется сила "ширина: 100 пикселей, текст-выровнять: центр;"> Метод IV | Обычно используется как? | Проходит через Происхождение? | |
| диод | да | Напряжение развертки | Регулятор напряжения (Zener) | да |
| транзистор | да | Напряжение развертки | Источник тока или резистор (аналоговый) | да |
| тиристор | да | Напряжение развертки | Бистабильный переключатель | да |