Вольт амперная характеристика и уравнение

ВОЛЬТ-АМПЕ́РНАЯ ХАРАКТЕРИ́СТИКА

ВОЛЬТ-АМПЕ́РНАЯ ХАРАКТЕРИ́СТИКА (ВАХ), за­ви­си­мость си­лы элек­трич. то­ка $I$ от при­ло­жен­но­го к дан­но­му эле­мен­ту на­пря­же­ния $U$ или за­ви­си­мость па­дения на­пря­же­ния на дан­ном эле­мен­те от си­лы про­те­каю­ще­го че­рез не­го то­ка. Про­стей­шая ВАХ иде­аль­но­го про­вод­ника, имею­ще­го элек­трич. со­про­тив­ле­ние $R$ , не за­ви­ся­щее от си­лы то­ка, оп­ре­де­ля­ет­ся Ома за­ко­ном , $U=RI$ , и пред­став­ля­ет со­бой пря­мую ли­нию, про­хо­дящую че­рез на­ча­ло ко­ор­ди­нат. По­сколь­ку со­про­тив­ле­ние ре­аль­ных про­во­дя­щих сред ме­ня­ет­ся при из­ме­не­нии ус­ло­вий, их ВАХ, как пра­ви­ло, не­ли­ней­на. Напр., ВАХ элек­трич. раз­ря­да в га­зе (или жид­ко­сти) за­ви­сит от дав­ле­ния и ро­да га­за, раз­ме­ров уст­рой­ст­ва, ти­па при­ло­жен­но­го на­пря­же­ния (по­сто­ян­ное или пе­ре­мен­ное), на­ли­чия маг­нит­но­го по­ля и т. д. На ВАХ ши­ро­ко ис­поль­зуе­мо­го на прак­ти­ке тлею­ще­го раз­ря­да име­ет­ся па­даю­щий уча­сток при ма­лой си­ле то­ка, по­сто­ян­ный уча­сток ( $U=const$ ) для нор­маль­но­го раз­ря­да при про­ме­жу­точ­ных $I$ и уча­сток, рас­ту­щий при боль­шой си­ле то­ка (ано­маль­ный раз­ряд). В од­нород­ных по­лу­про­вод­ни­ках вслед­ст­вие за­ви­си­мо­сти под­виж­но­сти но­си­те­лей за­ря­да от при­ло­жен­но­го по­ля ВАХ мо­жет быть не­од­но­знач­ной – т. н. ВАХ $N$ -об­раз­но­го (рис.) и $S$ -об­раз­но­го ти­пов. В не­од­но­род­ных по­лу­про­вод­ни­ках ВАХ силь­но не­сим­мет­рич­на, что ис­поль­зу­ет­ся для вы­прям­ле­ния пе­ре­мен­но­го то­ка.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ)

Что такое вольт-амперная характеристика (ВАХ)

ВАХ — это вольт-амперная характеристика, а если точнее, зависимость тока от напряжения в каком-либо радиоэлементе. Это может быть резистор, диод, транзистор и другие радиоэлементы. Так как транзистор имеет более двух выводов, то он имеет множество ВАХ.

Думаю, не все, кто читает эту статью, хорошо учились в школе. Поэтому, давайте разберемся, что представляет из себя зависимость одной величины от другой. Как вы помните из школы, мы строили графики зависимости игрек (У) от икс (Х). Та переменная, которая зависит от другой переменной, мы откладывали по вертикали, а та, которая независима — по горизонтали. В результате у нас получалась система отображения зависимости «У» от «Х»:

Так вот, мои дорогие читатели, в электронике, чтобы описать зависимость тока от напряжения, вместо «У» у нас будет сила тока, а вместо Х — напряжение. И система отображения у нас примет вот такой вид:

Именно в такой системе координат мы будет чертить вольт-амперную характеристику. И начнем с самого распространенного радиоэлемента — резистора.

ВАХ резистора

Для того, чтобы начертить этот график, нам потребуется пропускать через резистор напряжение и смотреть соответствующее значение силы тока тока. С помощью крутилки я добавляю напряжение и записываю значения силы тока для каждого значения напряжения. Для этого берем блок питания, резистор и начинаем делать замеры:

Вот у нас появилась первая точка на графике. U=0,I=0.

Вторая точка: U=2.6, I=0.01

Третья точка: U=4.4, I=0.02

Четвертая точка: U=6.2, I=0.03

Пятая точка: U=7.9, I=0.04

Шестая точка: U=9.6, I=0.05

Седьмая точка: U=11.3, I=0.06

Восьмая точка: U=13, I=0.07

Девятая точка: U=14.7, I=0.08

Давайте построим график по этим точкам:

Да у нас получилась почти прямая линия! То, что она чуть кривая, связана с погрешностью измерений и погрешностью самого прибора. Следовательно, так как у нас получилась прямая линия, то значит такие элементы, как резисторы называются элементами с линейной ВАХ.

ВАХ диода

Как вы знаете, диод пропускает электрический ток только в одном направлении. Это свойство диода мы используем в диодных мостах, а также для проверки диода мультиметром. Давайте построим ВАХ для диода. Берем блок питания, цепляем его к диоду (плюс на анод, минус на катод) и начинаем точно также делать замеры.

Первая точка: U=0,I=0.

Вторая точка: U=0.4, I=0.

Третья точка: U=0.6, I=0.01

Четвертая точка: U=0.7, I=0.03

Пятая точка: U=0.8,I=0.06

Шестая точка: U=0.9, I=0.13

Седьмая точка: U=1, I=0.37

Строим график по полученным значениям:

Ничего себе загибулина :-). Вот это и есть вольт-амперная характеристика диода. На графике мы не видим прямую линию, поэтому такая вольт-амперная характеристика называется НЕлинейной. Для кремниевых диодов она начинается со значения 0,5-0,7 Вольт. Для германиевых диодов ВАХ начинается со значения 0,3-0,4 Вольт.

ВАХ стабилитрона

Стабилитроны работают в режиме лавинного пробоя. Выглядят они также, как и диоды.

Мы подключаем стабилитрон как диод в обратном направлении: на анод минус, а на катод — плюс. В результате, напряжение на стабилитроне остается почти таким же, а сила тока может меняться в зависимости от подключаемой нагрузки на стабилитроне. Как говорят электронщики, мы используем в стабилитроне обратную ветвь ВАХ.

Рекомендуем посмотреть видео материал на эту тему:

Реальная вольт-амперная характеристика электронно-дырочного перехода

Теоретическая вольт-амперная характеристика (ВАХ) электронно-дырочного перехода выражается следующим уравнением (уравнение Эберса-Молла):

где \(I_S\) – ток насыщения (ток дрейфа неосновных носителей),
\(\varphi_т = kT/q\) — тепловой потенциал,
\(U\) — напряжение на переходе.

Однако приведенное уравнение весьма приблизительно совпадает с реальными вольт-амперными характеристиками, так как не учитывает целого ряда физических процессов, происходящих в полупроводниках. К таким процессам относятся: генерация и рекомбинация носителей в запирающем слое, поверхностные утечки тока, падение напряжения на сопротивлении нейтральных областей, явления теплового, лавинного и туннельного пробоев.

Процессы генерации и рекомбинации носителей заряда в запирающем слое для некоторых типов полупроводников (например, для кремния) могут оказывать существенное влияние на вид ВАХ. В отсутствие внешнего напряжения между процессами генерации и рекомбинации устанавливается равновесие. При приложении к переходу обратного напряжения дырки и электроны, образующиеся в результате генерации, выводятся полем запирающего слоя. Это приводит к появлению дополнительного тока генерации, совпадающего с обратным током перехода. Величина такого тока существенно зависит от параметров полупроводника и концентрации примесей (при увеличении концентрации примесей ток генерации растет) и может превысить значение тока насыщения, став основной составляющей обратного тока. С увеличением обратного напряжения растет ширина запирающего слоя (пропорционально \(\sqrt>\), соответственно растет число генерируемых в нем носителей и увеличивается ток генерации. Поэтому на реальной ВАХ при увеличении обратного напряжения наблюдается постепенный рост обратного тока вплоть до начала проявления процессов пробоя. Возрастанию обратного тока способствуют также токи утечки.

Если ток протекающий через переход незначителен, то падением напряжения на сопротивлении нейтральных областей можно пренебречь. Однако при увеличении тока этот процесс оказывает все большее влияние на ВАХ прибора, т.е. его реальная характеристика идет под меньшим углом и вырождается в прямую линию, когда напряжение на запирающем слое становится равным контактной разности потенциалов.

При некотором обратном напряжении наблюдается резкое возрастание обратного тока. Это явление называют пробоем перехода. Существует три вида пробоев: туннельный, лавинный и тепловой (рис. 1.2-2). Туннельный и лавинный пробои представляют собой разновидности электрического пробоя и связаны с увеличением напряженности электрического поля в переходе. Тепловой пробой определяется перегревом перехода.

Рис. 1.2-2. Реальная вольт-амперная характеристика (ВАХ) \(p\)-\(n\)-перехода.