От чего зависит тепловой ток

4.5. Тепловой ток.

В диоде с длинной базой () выражение (4.27а) сводится к виду:

(4.28)

, (4.29)

где — скорость термогенерации дырок в базе;

Физический смысл выражений (4.28) и (4.29) поясняется рис.4.3, на котором изображено распределение дырок в базе при (при этом,). В соответствии с (4.21б)

,

.

Таким образом, последний сомножитель в (4.28) имеет смысл градиента концентрации дырок в базе на границе с р-п переходом.

В запертом диоде концентрация неосновных носителей вблизи р-п перехода меньше равновесной величины. Вследствие этого их термогенерация происходит более интенсивно, чем рекомбинации, так как часть генерированных носителей попадает в область р-п перехода и выбрасывается полем в эмиттер. Выражение (4.29) показывает, что тепловой ток соответствует собиранию р-п переходом неосновных носителей, генерируемых со скоростью в объеме. С расстояния, большего, неосновные носители не успевают диффундировать дор-п перехода за время жизни и не дают вклада в тепловой ток.

В случае такая интерпретация теплового тока несправедлива, так как помимо тепловой генерации дырок, токобусловлен инжекцией дырок из контакта базы. С уменьшением толщины базы тепловой ток возрастает. Особенно велика роль инжекции из контакта в случае короткой базы (). При этом выражение (4.27а) записывается в виде:

. (4.30)

Из рис.4.3 видно, что последний сомножитель в (4.30) имеет смысл градиента концентрации дырок на границе с р-п переходом. В этом случае объем базы мал, и тепловой ток, обусловленный термогенерацией дырок в базе, много меньше, чем тепловой ток, связанный с инжекцией носителей заряда из контакта базы.

Практически база может считаться короткой при и длинной при. Важным свойством теплового тока является сильная температурная зависимость, связанная в основном с резкой зависимостью от температуры концентрации неосновных носителей.

Из соотношений (4.26) и (4.27) получим

. (4.31)

,

для теплового тока получим

, (4.32)

зависит от температуры значительно слабее, чем , и может считаться постоянным (

).

На практике ток обычно измеряется при комнатной температуре и требуется определить его значение при произвольной температуре. Используя выражение (4.32) для, получим

.

Заметим, что при показатель экспоненты можно представить в виде:

,

. (4.33)

, (4.34)

где — температура удвоения теплового тока.

При увеличении температуры на тепловой ток удваивается. Из соотношения (4.33) видно, что зависимость теплового тока от температуры тем более велика, чем шире запрещенная зона полупроводника. Так, приК величина температуры удвоения теплового тока для германия (эВ) составляет 10 К; для кремния (эВ) — 6,5 К, а для арсенида галлия (эВ) — всего 4,7 К.

Тепловое действие тока, плотность тока и их влияние на нагрев проводников

Под тепловым действием электрического тока понимают выделение тепловой энергии в процессе прохождения тока по проводнику. Когда через проводник проходит ток, образующие ток свободные электроны сталкиваются с ионами и атомами проводника, нагревая его.

Выделяемое при этом количество теплоты можно определить с помощью закона Джоуля-Ленца, который формулируется так: количество теплоты, выделяемое при прохождении электрического тока через проводник, равно произведению квадрата тока, сопротивления данного проводника и времени прохождения тока через проводник.

Приняв ток в амперах, сопротивление в омах, а время в секундах, получим количество теплоты в джоулях. А учитывая что произведение тока на сопротивление — есть напряжение, а произведение напряжения на ток — мощность, в результате оказывается, что количество выделенной теплоты в данном случае равно количеству электрической энергии, переданной данному проводнику во время прохождения по нему тока. То есть электрическая энергия преобразуется в тепловую.

Получение тепловой энергии из электрической широко применяется с давних времен в различной технике. Электронагревательные приборы, такие как обогреватели, водонагреватели, электрические плиты, паяльники, электропечи и т. д., а также электросварка, лампы накаливания и многое другое используют именно этот принцип для получения тепла.

Но в большом количестве электрических устройств нагрев, вызываемый током, вреден: электродвигатели, трансформаторы, провода, электромагниты и т. д. — в данных устройствах, не предназначенных для получения тепла, нагрев снижает их КПД, мешает эффективной работе, и даже может привести к аварийным ситуациям.

Для любого проводника, в зависимости от параметров окружающей среды, характерно определенное допустимое значение величины тока, при котором проводник заметно не нагревается.

Так, например, для нахождения допустимой токовой нагрузки на провода, используют параметр «плотность тока», характеризующий ток, приходящийся на 1 кв.мм площади поперечного сечения данного проводника.

Допустимая плотность тока для каждого проводящего материала в определенных условиях своя, она зависит от многих факторов: от вида изоляции, интенсивности охлаждения, температуры окружающей среды, площади поперечного сечения и т. д.

К примеру для электрических машин, где обмотки изготавливают, как правило, из меди, величина предельно допустимой плотности тока не должна превышать 3-6 ампер на кв.мм. Для лампы накаливания, а точнее для ее вольфрамовой нити, — не более 15 ампер на кв.мм.

Для проводов осветительных и силовых сетей предельно допустимая плотность тока принимается исходя из вида их изоляции и площади поперечного сечения.

Если материалом проводника служит медь, а изоляция резиновая, то при площади сечения, например, в 4 кв.мм допускается плотность тока не более 10,2 ампер на кв.мм, а если сечение 50 кв.мм, то допустимая плотность тока будет всего 4,3 ампера на кв.мм. Если же проводники указанной площади не имеют изоляции, то допустимые плотности тока будут соответственно 12,5 и 5,6 ампер на кв.мм.

С чем же связано понижение допустимой плотности тока для проводников большего сечения? Дело в том, что проводники с существенной площадью поперечного сечения, в отличие от проводников малого сечения, имеют больший объем проводящего материала расположенного внутри, и получается что внутренние слои проводника сами окружены нагревающимися слоями, которые мешают отводу тепла изнутри.

Чем больше площадь поверхности проводника по отношению к его объему, — тем большую плотность тока способен выдержать проводник не перегреваясь. Неизолированные проводники допускают нагрев до более высокой температуры, так как от них тепло отводится прямо в окружающую среду, изоляция этому не препятствует, и охлаждение происходит быстрее, поэтому для них допускается более высокая плотность тока чем для проводников в изоляции.

Если превысить допустимый для проводника ток, он начнет перегреваться, и в какой-то момент его температура окажется чрезмерной. Изоляция обмотки электродвигателя, генератора или просто проводки, может в таких условиях обуглиться или загореться, что приведет к короткому замыканию и пожару. Если же говорить о неизолированном проводе, то он при высокой температуре может просто расплавиться и разорвать цепь, в которой служит проводником.

Превышение допустимого тока принято предотвращать. Поэтому в электрических установках обычно принимают специальные меры с целью автоматического отключения от источника питания той части цепи или того электроприемника, в котором случилась перегрузка по току или короткое замыкание. Для этого служат автоматические выключатели, плавкие предохранители и другие устройства, несущие аналогичную функцию — разорвать цепь при перегрузке.

Из закона Джоуля-Ленца следует, что перегрев проводника может произойти не только из-за превышения тока через его поперечное сечение, но и из-за более высокого сопротивления проводника. По этой причине для полноценной и надежной работы любой электрической установки крайне важно сопротивление, особенно в местах соединения друг с другом отдельных проводников.

Если проводники соединены не плотно, если их контакт друг с другом не качественный, то сопротивление в месте соединения (так называемое переходное сопротивление в месте контакта) окажется выше чем для цельного участка проводника той же длины.

В результате прохождения тока через такое некачественное, не достаточно плотное соединение, место данного соединения будет перегреваться, что чревато возгоранием, выгоранием проводников или даже пожаром.

Чтобы этого избежать, концы соединяемых проводников надежно зачищают, облуживают и оснащают кабельными наконечниками (впаивают или прессуют) или гильзами, которые обеспечивают запас на переходное сопротивление в месте контакта. Такие наконечники можно плотно закрепить на клеммах электрической машины при помощи болтов.

К электрическим аппаратам, предназначенным для включения и выключения тока, также применяют меры по уменьшению переходного сопротивления между контактами.

Смотрите также по этой теме:

Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрическая энергия в быту и на производстве » В помощь начинающим электрикам

Тепловой ток

где согласно (1.5.2) g_B = п_р0/ х_в — скорость термогенерации электронов в базе; V_g(?y — SL_B — эффективный объем области базы длиной L_B. Физический смысл выражений (П.4.23) и (II.4.24) ясен из рис. 11.4.3, па котором штриховая кривая а изображает распределение электронов в базе при V 1,5.

Для численных расчетов удобно в соотношениях (И.4.19), (И.4.23) и (И.4.25) выразить равновесную концентрацию неосновных носителей через результирующую концентрацию примеси:

При этом формулы для тепловых токов становятся инвариантными относительно типа проводимости базы и эмиттера

где I_SB и I_SE — тепловые токи неосновных носителей в базе и эмиттере (для p-базы и /2-эмиттера I_SB = I_Sn, I_SE — I_Sp ),

— числа Гуммеля в базе и эмиттере. Для предельных случаев w_{B Е} L_{b и w b,e >> Lb,e из (П.4.27) получаем:}

Как очевидно из формул (II.4.27), (П.4.28), числа Гуммеля в базе и эмиттере пропорциональны поверхностным (на единицу площади поверхности) концентрациям примеси в соответствующих слоях с толщиной, которая определяется меньшим из значений длины слоя и диффузионной длины.

В большинстве практических случаев выполнено неравенство N_Eef » N_B. При этом I_SE 3 ). Пренебрегая их температурной зависимостью, из (II.4.29) и (И.4.30) получаем

где Т₀ = 300 К — номинальная температура окружающей среды. Для температурного диапазона работы полупроводниковых приборов (- 60 °С — +125 °С) можно с хорошей точностью полагать: 1/71 — 1/7″

АТ/Г₀ 2 , где АТ = Т-Т₀. При этом из (П.4.31)

где

— температура удвоения теплового тока (при повышении температуры на величину Т, тепловой ток удваивается). Как очевидно из соотношений (1Ы.29), (П.4.30) и (П.4.33), при увеличении ширины запрещенной зоны полупроводника Е_а, величина теплового тока снижается, однако его температурная зависимость возрастает (снижается температура удвоения теплового тока Т.,). Для наиболее часто применяемых полупроводников температура удвоения теплового тока составляет

Тепловой ток

Из ВАХ идеального диода при обратном включении при следует, что , т. е. не зависит от напряжения. – обратный ток диода. У реальных диодов обратный ток состоит из трех токов: теплового, термогенерации и тока утечки.

Этот ток обусловлен генерацией неосновных носителей в слоях и , примыкающих к переходу. После генерации носители подхватываются электрическим полем и уносятся в другой слой: дырки из -базы вытягиваются отрицательным полюсом источника в эмиттер, а электроны эмиттера положительным полюсом базы притягиваются в базу. Так как в соответствии с законом действия масс в базе генерируется больше дырок, чем электронов в эмиттере, то экстракция носит односторонний характер. Чем больше удельное сопротивление базы, тем больше тепловой ток. Носители, возникающие вдали от перехода, рекомбинируют с основными и вклада в тепловой ток не дают. Толщина области возникновения носителей составляющих равна диффузионной длине неосновных носителей.

Тепловой ток зависит от напряжения лишь в области малых . С ростом напряжения и . Поэтому тепловой ток также называют обратным током насыщения.

Зависимость обратного тока от температуры аппроксимируется выражением . Здесь , – ток , например, при комнатной температуре , а – температура удвоения. Если , то тепловой ток удваивается. Для германиевых диодов = 10 °С, а для кремниевых – 5 °С. Сравнение обратных токов по величине дает: .То есть, тепловой ток кремниевых диодов пренебрежимо мал по сравнению с германиевыми диодами.

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

Похожие публикации:

1. 100 мвт это сколько
2. Iek или abb что лучше
3. Напряжение аккумулятора шуруповерта в чем отличие
4. Вольтметр показывает 45 вольт что показывает амперметр