Полупроводниковый диод структура схема включения вольтамперная характеристика

КАК РАБОТАЕТ ДИОД

Принцип действия диода заключается в способности пропускать ток в определенном направлении.

• анода «+»;
• катода «-«.

• полупроводниковые;
• вакуумные.

Для первого типа рабочей средой является полупроводниковый материал с различными добавками, например, кремний или германий.

В вакуумных ток возникает за счет эмиссии электронов с катода, все процессы происходят, извините за тавтологию, в вакууме. В настоящее время практически везде применяются полупроводниковые диоды.

Устройство и принцип работы будет рассмотрен на примере выпрямительного диода (есть и другие типы, но этот встречается чаще).

Обозначение полупроводникового диода (рис.1а).

Анод на схеме условно обозначается треугольником, катод – поперечной чертой, проходящей через вершину и параллельной основанию.

Само обозначение способно подсказать порядок подключения: треугольник вершиной смотрит в направлении прямого тока. Направление тока принято считать от «плюса» к «минусу».

ВИДЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ДИОДА

Прямым включением считается подключение «+» к аноду (рис. 1б). При этом основными являются такие характеристики как прямые ток Iпр и напряжение Uпр.

Кстати, Uпр – это падение напряжения на диоде, оно достаточно стабильно и для большинства кремниевых исполнений составляет 0,7-1,2 В. Подробнее про это поговорим при рассмотрении вольт амперной характеристики (ВАХ).

Ток же определяется сопротивлением нагрузки и характеризуется номинальным и максимально допустимым значениями.

Первый – это рабочий, при превышении второго диод выходит из строя. Это называется «пробой». При пробое полупроводниковый прибор утрачивает свойство односторонней проводимости и ток через него может течь в любом направлении.

• электрический;
• тепловой.

Электрический пробой обратим и при снижении тока до нормальных значений работоспособность восстанавливается.

При тепловом устройство идет «на выброс». Электрический пробой по истечении определенного времени может перейти в тепловой. Кстати, выход диода из строя в результате теплового пробоя происходит за счет перегрева кристалла и изменения его свойств.

При обратном включении на анод подается «минус», а на катод «плюс» (рис.1в).

Ток и напряжение, характеризующие этот режим работы называют обратными. В этом случае ток Iобр достаточно мал (доли миллиампер), а напряжение может изменяться в широких пределах, поскольку прикладывается оно с внешней стороны и все зависит от нас, сколько мы туда «закачаем».

Но при достижении максимального значения обратного напряжения, определяемого характеристиками диода опять же происходит пробой.

ВОЛЬТ АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИОДА

Вольт амперная характеристика показывает зависимость ток от напряжения на выводах полупроводникового диода.

Она индивидуальная и зависит не только от назначения (технологии) прибора (выпрямительные, туннельные, Шоттки и т.д.), но и от его типа в пределах функционального назначения. Например, разные типы выпрямительных диодов будут иметь, пусть отличающиеся ВАХ.

Поэтому представленная на рис.2 характеристика предназначена исключительно для иллюстрации принципа действия диода.

Правый верхний квадрант иллюстрирует работу в прямом подключении, левый нижний – в обратном.

Обратите внимание на несколько характерных точек.

Напряжение открытия Uотк.

Это уже упоминавшиеся 07-1,2 Вольта. Пока напряжение не достигнет этой величины ток, даже в прямом включении будет мал.

После открывания значительный рост тока заметного влияния на увеличения напряжения на диоде не оказывает.

Ток пробоя Iпр.

В этой точке происходит электрический пробой и диод перестает работать в штатном режиме.

В принципе про это написано выше, так что я просто конспективно остановлюсь на этих характеристиках применительно к графику.

Напряжение пробоя Uпроб.

Обратное напряжение, вызывающее выход полупроводникового диода из строя. Обратите внимание, до достижения этого значения обратный ток увеличивается незначительно, а потом нарастает лавинообразно.

Итак, здесь рассмотрены только основные характеристики, определяющие принцип работы.

Существует еще множество других: температурные, частотные и пр., но это уже относится к области углубленного изучения вопросов применения полупроводниковых диодов для различных схемотехнических решений.

Для построения и реализации простых задач приведенной информации начинающему будет достаточно. В качестве примера давайте покажу реальную схему.

ПРОСТАЯ СХЕМА НА ПОЛУПРОВОДНИКОВОМ ДИОДЕ

Представьте, что имеется какое то устройство с питанием от батареек, например, радиоприемник. Для их экономии при наличии поблизости электрической сети хотелось бы подключать внешний блок питания.

при отсутствии штатной возможности реализовать автоматический переход на внешний блок при его подключении и наоборот – переключение на питание от батарей при отключении адаптера.

Схема проста до смешного (рис.3).

Первоначально имеем приемник (ПР) и элемент питания (GB) – рис. 3а.

В разрыв цепи питания (А-Б) ставим диод (любой выпрямительный на напряжение не меньше 20 В и ток, например, 100 мА).

В точке Б подключаем разъем для подачи «+» с блока питания (БП), минус подключаем на общий провод «0». Напряжение блока питания и батарей должны быть одинаковы. Получаем схему рис. 3б.

Как это работает.

При отсутствии внешнего напряжения диод находится в открытом состоянии и ток от встроенных элементов поступает на приемник. Обратите внимание, на диоде мы при этом потеряем 0,7-1,2 Вольта – кто внимательно читал статью вопросов иметь не должен.

Как правило, такая потеря на работоспособности приемника не сказывается.

При подключении внешнего блока напряжение в точке Б становится равным 9 В, так же как и в точке А. Диод закрывается, так как не обеспечивается необходимое напряжение открывания (см. ВАХ). Батареи отключаются, питание поступает с адаптера.

Отключите его – диод откроется и подключит батарею, принцип прост.

Кстати, таким образом можно реализовать автоматический переход на резервное питание любого слаботочного устройства. При пропадании сетевого напряжения блок отключится и питание пойдет от резервного источника GB.

Недостаток только один – данная схема не обеспечивает автоматическую подзарядку, если в качестве резерва используется аккумулятор.

* * *
© 2014-2024 г.г. Все права защищены.
Материалы сайта имеют ознакомительный характер, могут выражать мнение автора и не подлежат использованию в качестве руководящих и нормативных документов.

Полупроводниковый диод структура схема включения вольтамперная характеристика

Полупроводниковый диод самый простой полупроводниковый прибор, состоящий из одного PN перехода. Основная его функция — это проводить электрический ток в одном направлении, и не пропускать его в обратном. Состоит диод из двух слоев полупроводника типов N и P (Рисунок 1.2.1)

Рисунок 1.2.1 Строение диода

На стыке соединения P и N образуется PN-переход. Электрод, подключенный к P, называется анод. Электрод, подключенный к N, называется катод. Диод проводит ток в направлении от анода к катоду, и не проводит обратно.

Диод в состоянии покоя.

Диод находится в состоянии покоя, когда ни к аноду, ни к катоду не подключено напряжения (Рисунок 1.2.2).

Рисунок 1.2.2 Диод в состоянии покоя

В части N имеются в наличии свободные электроны – отрицательно заряженные частицы. В части P находятся положительно заряженные ионы – дырки. В результате, в том месте, где есть частицы с зарядами разных знаков, возникает электрическое поле, притягивающее их друг к другу.

Под действием этого поля свободные электроны из части N дрейфуют через PN переход в часть P и заполняют некоторые дырки. В итоге получается очень слабый электрический ток, измеряемый в наноамперах. В результате, плотность вещества в P части повышается и возникает диффузия (стремление вещества к равномерной концентрации), толкающая частицы обратно на сторону N.

Обратное включение диода.

Теперь рассмотрим, как у полупроводникового диода получается выполнять свою основную функцию – проводить ток только в одном направлении. Подключим источник питания — плюс к катоду, минус к аноду (рисунок 1.2.3)

Рисунок 1.2.3 Обратное включение диода

В соответствии с силой притяжения, возникшей между зарядами разной полярности, электроны из N начнут движение к плюсу и отдалятся от PN перехода. Аналогично, дырки из P будут притягиваться к минусу, и также отдалятся от PN перехода. В результате, плотность вещества у электродов повышается. В действие приходит диффузия и начинает толкать частицы обратно, стремясь к равномерной плотности вещества.

Как мы видим, в этом состоянии диод не проводит ток. При повышении напряжения, в PN переходе будет все меньше и меньше заряженных частиц.

Прямое включение диода.

Меняем полярность источника питания – плюс к аноду, минус к катоду.

Рисунок 1.2.4 Прямое включения диода

В таком положении, между зарядами одинаковой полярности возникает сила отталкивания. Отрицательно заряженные электроны отдаляются от минуса и двигаются сторону pn перехода. В свою очередь, положительно заряженные дырки отталкиваются от плюса и направляются навстречу электронам. PN переход обогащается заряженными частицами с разной полярностью, между которыми возникает электрическое поле – внутреннее электрическое поле PN перехода. Под его действием электроны начинают дрейфовать на сторону P. Часть из них рекомбинируют с дырками (заполняют место в атомах, где не хватает электрона). Остальные электроны устремляются к плюсу батарейки. Через диод пошел ток I_D.

1.2.1 Выпрямительные диоды

Выпрямительный диод — это полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования переменного тока в постоянный.

В основе работы выпрямительных диодов лежит свойство односторонней проводимости рn-перехода, которое заключается в том, что последний хорошо проводит ток (имеет малое сопротивление) при прямом включении и практически не проводит ток (имеет очень высокое сопротивление) при обратном включении.

Основными параметрами выпрямительных полупроводниковых диодов являются:

• прямой ток диода I_пр, который нормируется при определенном прямом напряжении (обычно U_пр=1…2В);
• максимально допустимый прямой ток I_пр.мах диода;
• максимально допустимое обратное напряжение диода U_{обр.мах}, при котором диод еще может нормально работать длительное время;
• постоянный обратной ток I_обр, протекающий через диод при обратном напряжении, равном U_{обр.мах};
• средний выпрямленный ток I_вп.ср, который может длительно проходить через диод при допустимой температуре его нагрева;
• максимально допустимая мощность P_мах, рассеиваемая диодом, при которой обеспечивается заданная надежность диода.

Для сохранения работоспособности германиевого диода его температура не должна превышать +85°С, кремниевые диоды могут работать при температуре до +150°С.

Вольт-амперная характеристика германиевого и кремниевого диода представлена на рисунке 1.2.1.1

Рисунок 1.2.1.1 Вольт-амперная характеристика германиевого и кремниевого диода: а−германиевый диод; б−кремниевый диод

Падение напряжения при пропускании прямого тока у германиевых диодов составляет U_пр=0,3…0,6В, у кремниевых диодов U_пр=0,8…1,2В.

Большие падения напряжения при прохождении прямого тока через кремниевые диоды по сравнению с прямым падение напряжения на германиевых диодах связаны с большей высотой потенциального барьера рn- переходов, сформированных в кремнии. С увеличением температуры прямое падение напряжения уменьшается, что связано с уменьшением высоты потенциального барьера. При подаче на полупроводниковый диод обратного напряжения в нем возникает незначительный обратный ток, обусловленный движением не основных носителей заряда через рn-переход. При повышении температуры рn-перехода число не основных носителей заряда увеличивается за счет перехода части электронов из валентной зоны в зону проводимости и образования пар носителей заряда электрон-дырка. Поэтому обратный ток диода возрастает. В случае приложения к диоду обратного напряжения в несколько сотен вольт внешнее электрическое поле в запирающем слое становится настолько сильным, что способно вырвать электроны из валентной зоны в зону проводимости (эффект Зенера). Обратный ток при этом резко увеличивается, что вызывает нагрев диода, дальнейшей рост тока и, наконец, тепловой пробой (разрушение) рn-перехода.

Большинство диодов может надежно работать при обратных напряжениях, не превышающих (0,7…0,8) U_проб. Допустимое обратное напряжение германиевых диодов достигает − 100…400В, а кремниевых диодов − 1000…1500В.

Выпрямительные диоды применяются для выпрямления переменного тока (преобразования переменного тока в постоянный); используются в схемах управления и коммутации для ограничения паразитных выбросов напряжений, в качестве элементов электрической развязки цепей и т.д.

1.2.2 Полупроводниковый стабилитрон

Полупроводниковый стабилитрон — это полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя слабо зависит от тока и который используется для стабилизации напряжения.

В полупроводниковых стабилитронах используется свойство незначительного изменения обратного напряжения на рn-переходе при электрическом (лавинном или туннельном) пробое. Это связано с тем, что небольшое увеличение напряжения на рn-переходе в режиме электрического пробоя вызывает более интенсивную генерацию носителей заряда и значительное увеличение обратного тока.

Низковольтные стабилитроны изготовляют на основе сильнолегированного (низкоомного) материала. В этом случае образуется узкий плоскостной переход, в котором при сравнительно низких обратных напряжениях (менее 6В) возникает туннельный электрический пробой. Высоковольтные стабилитроны изготавливают на основе слаболегированного (высокоомного) материала. Поэтому их принцип действия связан с лавинным электрическим пробоем.

Основные параметры стабилитронов:

• Напряжение стабилизации U_ст (U_ст=1…1000В);
• минимальный I_ст.міn и максимальный I_ст.мах токи стабилизации (I_ст.міn»1,0…10мА, I_ст.мах»0,05…2,0А);
• максимально допустимая рассеиваемая мощность Р_мах;
• дифференциальное сопротивление на участке стабилизации

Рисунок 1.2.2.1 Условно графическое обозначение стабилитрона а) не симметричный стабилитрон б) симметричный стабилитрон

Вольт-амперная характеристика стабилитрона на рисунке 1.2.2.2

Рисунок 1.2.2.2 Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Стабилитроны используют для стабилизации напряжений источников питания, а также для фиксации уровней напряжений в различных схемах.

Существуют также двухсторонние (симметричные) стабилитроны, имеющие симметричную ВАХ относительно начала координат. Стабилитроны допускают последовательное включение, при этом результирующее стабилизирующее напряжение равно сумме напряжений стабилитронов: Uст = Uст1 + Uст2 +…

1.2.3 Туннельный диод

Туннельный диод — это полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на вольт-амперной характеристике при прямом напряжении участка отрицательного дифференциального сопротивления.

Туннельный диод изготовляется из германия или арсенида галлия с очень большой концентрацией примесей, т.е. с очень малым удельным сопротивлением. Такие полупроводники с малым сопротивлением называют вырожденными. Это позволяет получить очень узкий рn-переход. В таких переходах возникают условия для относительно свободного туннельного прохождения электронов через потенциальный барьер (туннельный эффект). Туннельный эффект приводит к появлению на прямой ветви ВАХ диода участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Основные параметры туннельных диодов:

• Пиковый ток I_п – прямой ток в точке максимума ВАХ;
• ток впадины I_в − прямой ток в точке минимума ВАХ;
• отношение токов туннельного диода I_п/I_в;
• напряжение пика U_п – прямое напряжение, соответствующее пиковому току;
• напряжение впадины U_в − прямое напряжение, соответствующее току впадины;

Туннельные диоды используются для генерации и усиления электромагнитных колебаний, а также в быстродействующих переключающих и импульсных схемах.

Вольт-амперная характеристика туннельного диода и его УГО представлена на рисунке 1.2.3.1

Рисунок 1.2.3.1 Вольт-амперная характеристика туннельного диода и его УГО

1.2.4 Обращенный диод

Обращенный диод — диод на основе полупроводника с критической концентрацией примесей, в котором проводимость при обратном напряжении вследствие туннельного эффекта значительно больше, чем при прямом напряжении.

Принцип действия обращенного диода основан на использовании туннельного эффекта. Но в обращенных диодах концентрацию примесей делают меньше, чем в обычных туннельных. Поэтому контактная разность потенциалов у обращенных диодов меньше, а толщина рn-перехода больше. Это приводит к тому, что под действием прямого напряжения прямой туннельный ток не создается. Прямой ток в обращенных диодах создается инжекцией не основных носителей зарядов через рn-переход, т.е. прямой ток является диффузионным. При обратном напряжении через переход протекает значительный туннельный ток, создаваемый перемещение электронов сквозь потенциальный барьер из р-области в n-область. Рабочим участком ВАХ обращенного диода является обратная ветвь. Таким образом, обращенные диоды обладают выпрямляющим эффектом, но пропускное (проводящее) направление у них соответствует обратному включению, а запирающее (непроводящее) – прямому включению.

Вольт-амперная характеристика обращенного диода и его УГО представлена на рисунке 1.2.4.1

Рисунок 1.2.4.1 Вольт-амперная характеристика обращенного диода и УГО

Обращенные диоды применяют в импульсных устройствах, а также в качестве преобразователей сигналов (смесителей и детекторов) в радиотехнических устройствах.

1.2.5 Варикапы

Варикап — это полупроводниковый диод, в котором используется зависимость емкости от величины обратного напряжения и который предназначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой емкостью. Полупроводниковым материалом для изготовления варикапов является кремний.

Основные параметры варикапов:

• номинальная емкость С_в– емкость при заданном обратном напряжении (С_в=10…500 пФ);
• коэффициент перекрытия по емкости (отношение емкостей варикапа при двух заданных значениях обратных напряжений.)

Варикапы широко применяются в различных схемах для автоматической подстройки частоты, в параметрических усилителях.

На рисунке 1.2.5.1 представлена вольт-амперная характеристика варикапа и его УГО

Рисунок 1.2.5.1 Вольт-амперная характеристика варикапа и УГО

1.2.6 Светоизлучающие диоды

Светодиодами называются маломощные полупроводниковые источники света, основой которых является излучающий рп—переход. Свечение рn-перехода вызвано рекомбинацией носителей заряда. При подаче прямого напряжения электроны из n-области проникают в p-область, где рекомбинируют с дырками и излучают освободившуюся энергию в виде света.

Светодиоды изготавливаются из карбида кремния, арсенида или фосфида галлия. Свечение может быть весьма интенсивным и лежит в инфракрасной, красной, зеленой и синей частях спектра. Светодиод начинает испускать свет, как только подается прямое напряжение, причем с ростом тока интенсивность свечения увеличивается.

Основными параметрами светодиодов являются:

• Р_излуч – полная мощность излучения (до 100 мВт).
• U_np – постоянное прямое напряжение (порядка единиц вольт) при — const.
• I_пр. – постоянный прямой ток (до 110 мА).
• Цвет свечения.

Прямая ветвь ВАХ светодиода и его условное обозначение показаны на рисунке 1.2.6.1

Рисунок 1.2.6.1 ВАХ светодиода и его УГО

Светодиоды применяют в устройствах визуального отображения информации.

1.2.7 Фотодиоды

Фотодиод — это полупроводниковые приборы, принцип действия которых основан на внутреннем фотоэффекте, состоящем в генерации под действием света электронно-дырочных пар в рп—переходе, в результате чего увеличивается концентрация основных и неосновных носителей заряда в его объеме. Обратный ток фотодиода определяется концентрацией неосновных носителей и, следовательно, интенсивностью облучения. Вольт-амперные характеристики фотодиода (рисунок 1.2.7.1 (см. стр.28)) показывает, что каждому значению светового потока Ф соответствует определенное значение обратного тока. Такой режим работы прибора называют фотодиодным.

Фотодиод обозначается на схеме на рисунке 1.2.7.2

Рисунок 1.2.7.2 УГО фотодиода

Рисунок 1.2.7.1 Вольт-амперная характеристика фотодиода

Фотодиоды применяются в качестве датчиков освещенности.

Задание для самостоятельной работы

по теме 1.2 «Полупроводниковые диоды»

№1. Заполнить таблицу и поместить ее в чате.

Оценить работы своих одногруппников с помощью смайликов.

Основное характерное свойство диода

2. Полупроводниковые диоды Вольт-амперная характеристика (вах) диода

Полупроводниковым диодом называется прибор с одним p-n-переходом и двумя выводами, в котором используются свойства ЭДП.

ВАХ любого прибора представляет собой зависимость между током, протекающим через прибор и приложенным напряжением.

Если сопротивление прибора постоянно, то связь между током и напряжением выражается по закону Ома:

. (3.1)

График зависимости i=f(u) называется вольт-амперной характеристикой. Для прибора, подчиняющегося закону Ома, ВАХ линейна. Приборы, имеющие такую зависимость – линейны.

Но существуют нелинейные приборы.

ЭДП представляет собой диод. Его нелинейные свойства видны из его ВАХ (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Вольт-амперная характеристика диода

Прямая и обратная ветви строятся в различных масштабах. Вследствие этого в кривой обратной ветви ВАХ в начале координат имеется излом. Характеристика для прямого тока вначале имеет значительную нелинейность, так как при увеличении u_пр сопротивление запирающего слоя уменьшается, поэтому кривая идет с все большей крутизной. Но при u_пр в несколько десятых долей вольта (при достижении U₀) запирающий слой практически исчезает и остается только сопротивление p-n-областей, которое приблизительно можно считать постоянным. Поэтому далее характеристика становится почти линейной. Небольшая нелинейность объясняется тем, что при увеличении тока p- и n-области нагреваются и от этого их сопротивление уменьшается.

Обратный ток при увеличении обратного напряжения резко возрастает. Это вызвано резким уменьшением тока диффузии i_диф вследствие повышения потенциального барьера.

Так как i_обр = i_др – i_диф, то его значение увеличивается.

Далее рост тока происходит незначительно за счет нагрева перехода током, за счет утечки по поверхности, а также за счет лавинного размножения зарядов, то есть увеличения числа носителей заряда вследствие ударной ионизации.

Это явление состоит в том, что при более высоком обратном напряжении электроны приобретают большую скорость и, ударяя в атомы кристаллической решетки, выбивают из них новые электроны и т.д. Такой процесс усиливается при увеличении обратного напряжения.

ВАХ диода может быть использована для определения его основных параметров. По прямой ветви можно определить U_пр при номинальном токе, по обратной ветви – U_{макс доп} и обратный ток I_обр при этом напряжении.

Параметры полупроводниковых диодов

Параметры силовых полупроводниковых приборов (СПП) подразделяются на две группы:

– предельно допустимые значения;

Предельно допустимое значение – это значение, которое определяет либо предельную способность, либо предельное условие, при превышении которых прибор может быть поврежден.

Характеризующий параметр – значение электрической, механической или тепловой величины, которое характеризует свойство прибора.

Все параметры приборов обозначаются буквами латинского алфа­вита: основные буквы прописные (для импульсных, средних, посто­янных и действующих значений) и строчные (для мгновенных значе­ний, изменяющихся во времени), индексы в основном прописными буквами (исключение составляют обозначения предельных значений max – максимальное, min – минимальное, crit – критическое и некоторых других).

Перечень основных параметров диодов и их обозначения приведе­ны ниже.

U_RRM – предельное повторяющееся импульсное обратное напря­жение;

U_RSM – предельное неповторяющееся импульсное обратное напря­жение;

U_FM – импульсное прямое напряжение (характеризующее значе­ние);

U_(T0) – пороговое напряжение (характеризующее значение).

I_F(AV)max – предельный максимально допустимый средний прямой ток;

I_FSM – предельный ударный неповторяющийся прямой ток;

I_RRM – повторяющийся импульсный обратный ток (характеризую­щее значение).

г_т – дифференциальное сопротивление (характеризующее значе­ние).

По коммутационным явлениям

Q_rr – заряд восстановления (характеризующее значение);

t_rr – время обратного восстановления (характеризующее значение).

По тепловым явлениям

Т_jm – предельная максимально допустимая температура р-n-перехода;

R_thjc – тепловое сопротивление «переход-корпус» (характеризую­щее значение).

По механической нагрузке к основным параметрам диодов отно­сятся предельные крутящий момент и осевое усилие сжатия (для таб­леточных), по надежности – вероятность безотказной работы в тече­ние 25 000 ч.

Рассмотрим некоторые из них подробнее.

3.2.1. Предельный ток I_F(AV)max (I_{пр.ср.макс}) – это ток, который может быть длительно пропущен через полупроводниковый диод. Его значение определяется значением максимально допустимой температурой Т_jm структуры диода (для кремниевых вентилей Т_jm  140 С) и условиями охлаждения.

При включении диода в прямом направлении потери мощности (мощность рассеяния) P определяется

где U_F(U_пр) – падение напряжения в структуре вентиля;

Мощность рассеяния выделяется в виде тепла, которое необходимо отводить от диода.

Чем больше значение I_пр.ср., тем сильнее греется диод. Если ∆P мала, то выделяющееся тепло равномерно рассеивается по всей массе диода и температура p-n-перехода возрастает незначительно. Если ∆P велика, то возникает недопустимый нагрев структуры и диод выходит из строя. Для каждого полупроводникового диода существует I_пр.ср. продолжительного режима.

Значение тока I_F(AV)max (I_{пр.ср.макс}) представляет собой максимально допустимое среднее за период значение прямого тока в однофазной однополупериодной схеме выпрямления при частоте f = 50 Гц и работе на активную нагрузку R, который может продолжительно протекать через диод VD, не вызывая его недопустимого нагрева и необратимого изменения характеристик.

Рис. 3.2. Схема включения диода (а) и диаграммы электромагнитных процессов при работе однополупериодного выпрямителя

на активную нагрузку (б)

Промышленность выпускает диоды на токи от нескольких миллиампер до нескольких тысяч ампер. На силовые кремниевые полупроводниковые диоды установлена следующая шкала предельных токов: 10; 12,5; 16; 20; 25; 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160; 200; 250; 320; 400; 500; 630; 800; 1000; 1250; 1600; 2000; 2500 А.

Предельный ток записывается в маркировке диода. Например: диод ДЛ133-500, В 200, В 320, ВЛ 200, ВК2-200 и т.д.

Ток, который можно безопасно пропустить через диод всегда меньше предельного. Чтобы его повысить, нужно увеличить интенсивность охлаждения. Для этого диоды снабжают охладителями, способствующими отводу тепла в окружающую среду, обдувают их потоком воздуха. Ранее применялось охлаждение водой или маслом (вентильные конструкции типа ВКМБ). Например, на тяговых подстанциях электрических железных дорог постоянного тока применялись и применяются вентильные конструкции с различным видом охлаждения. Так, у вентильных конструкций УВКЭ-1(1М) и ПВЭ-3(3М) – принудительное воздушное охлаждение, у конструкций ПВКЕ-2 и ПВЭ-5 – естественное воздушное охлаждение, у конструкций В-ТПЕД и силовых блоков БСЕ (БДС) – естественное воздушное охлаждение с применением тепловых трубок (испарительно-конденсатная система).

3.2.2. Перегрузочная способность. Нагрев структуры диода при прохождении тока определяется потерями мощности, временем прохождения тока и начальной температурой структуры, предшествующей перегрузке.

При кратковременных перегрузках выделяющаяся в структуре энергия ∆P быстро распространяется по структуре, и температура не успевает значительно возрасти. При длительных перегрузках энергия быстро рассеяться не может и температура сильно повышается. Поэтому, чем больше значение тока перегрузки, тем меньшее время он должен протекать. Например, для диодов В1200 и В 320 можно допустить перегрузку на 25 % в течение 30 с, двойную – в течение 1 с. Перегрузочную способность диодов часто определяют по амперсекундной характеристике (АСХ), то есть зависимости степени перегрузки вентиля I_макс / I_ном от времени протекания t максимального тока, в течение которого температура структуры Т_j достигает максимально допустимого значения (рис. 3.3).

Перегрузочная способность диодов в аварийном режиме характеризуется одиночным допустимым значением импульса ударного тока синусоидальной формы I_FSM (I_пр.уд) продолжительностью 10 мс при заданной начальной температуре структуры, соответствующей предельному току. Обычно I_FSM (I_пр.уд) = (15-20) I_F(AV)max. Для диода В 320 I_FSM = 6000 А при Т_jm = 140 С.

Рис. 3.3. Амперсекундная характеристика

Значение I_FSM (I_пр.уд) используется для проверки допустимости применения данного вентиля путем сравнения значения тока I_FSM с расчетными значениями максимальных аварийных токов, возникновение которых возможно в процессе эксплуатации.

Поскольку количество тепла, выделяемого при прохождении импульса аварийного тока, согласно закону Джоуля-Ленца, пропорционально квадрату этого тока и времени его прохождения, то в технических данных силовых диодов обычно приводится значение Джоулева интеграла, численно равного площади S равнобедренного треугольника (рис. 3.4):

. (3.3)

Рис. 3.4. Значение джоулевого интеграла

Эта величина характеризует максимальное количество тепла, которое может быть воспринято вентилем без повреждения структуры в условиях нормального охлаждения. Например, для вентиля В 200 S = 80000 А 2 с, для вентиля В 320 S = 255000 А 2 с при Т_j = 25 С.

3.2.3. Номинальное напряжение. Напряжение, подаваемое на диод, не должно превышать некоторого максимального значения U_BR (U_{обр макс}), при котором происходит пробой p-n-перехода. Напряжение U_BR прикладывают к диодам только при испытаниях.

В реальных сетях питающее напряжение несинусоидально. Несинусоидальное напряжение характеризуется повторяющимися и не повторяющимися напряжениями.

К ним относятся (см. рис. 3.5 и 3.6):

U_RWM(U_р) – импульсное рабочее (рекомендуемое) обратное напряжение. Это наибольшее мгновенное значение обратного напряжения, исключая все повторяющиеся напряжения:

U_RRM(U_п) – повторяющееся импульсное обратное напряжение. Это наибольшее мгновенное значение обратного напряжения, включая все повторяющиеся, но исключая все неповторяющиеся напряжения:

Иногда напряжение U_RRM(U_п) называют напряжением класса, так как число сотен вольт повторяющегося обратного напряжения определяет класс диода

.

Значение U_RRM определяется коммутационными процессами в самом преобразователе;

U_RSM(U_н,п) – неповторяющееся импульсное обратное напряжение. Это наибольшее мгновенное значение любого неповторяющегося обратного напряжения, прикладываемого к диоду:

Значение U_RSM определяется разовыми перенапряжениями, которые могут возникнуть при грозовом разряде или в момент отключения индуктивных цепей автоматическим выключателем.

Рис. 3.5. Обратная ветвь вольт-амперной характеристики

Рис. 3.6. Возможные виды перенапряжений

Диод выбирают так, чтобы амплитуда питающего синусоидального напряжения не превышала значения U_RWM ( U_пит ≤ U_RWM).

3.2.4. Повторяющийся импульсный обратный ток (I_RRM). Амплитудным значением тока I_RRM называют ток, протекающий через диод в обратном (запирающем) направлении при приложении к нему повторяющегося импульсного обратного напряжения U_RRM (рис. 3.7).

В соответствии с ГОСТ 24461-90 (СТ СЭВ 1656-79) и Инструкцией по техническому обслуживанию и ремонту тяговых подстанций (ЦЭ-936) одним из параметров-критериев годности диодов является импульсный обратный ток I_RRM, т. е. значение обратного тока в момент времени, который соответствует амплитуде максимально допустимого повторяющегося импульсного обратного напряжения U_RRM. При этом форма напряжения должна быть однополупериодная синусоидальная с длительностью импульса не более 10 мс (рис. 3.7). Диод считается выдержавшим испытание, если значение повторяющегося импульсного обратного тока не превышает нормы.

Рис. 3.7. Кривые обратного напряжения и повторяющегося импульсного

Условия измерения импульсного обратного тока: максимально допустимая температура перехода T_jm или T_j = (25  10) °C; максимально допустимое повторяющееся импульсное обратное напряжение U_{RRM .}

Германиевые диоды при прочих равных условиях имеют большие значения тока I_RRM. Меньшие значения тока I_RRM в кремниевых диодах объясняются тем, что из-за большей энергии, требуемой для образования пары “электрон – дырка”, число основных носителей в кремнии (при одинаковой температуре) меньше, чем в германии. Следовательно, меньше будет и концентрация неосновных носителей, определяющая обратный ток. Поэтому кремниевые диоды имеют лучшие вентильные свойства, чем германиевые.

3.2.5. Прямое падение напряжения (прямое импульсное напряжение) U_FM1(U_пр). За номинальное значение U_FM1(U_пр) принимают падение напряжения на диоде при прохождении импульса тока, равного 3,14 () значения предельного тока I_F(AV)max при температуре T_j = 25 C (рис. 3.8). Для силовых кремниевых диодов это значение в среднем составляет U_FM (U_пр) = (1,07-1,8) В (в зависимости от типа диода).

Рис. 3.8. Определение прямого падения напряжения по прямой ветви

3.2.6. Статическое и динамическое сопротивления. Полупроводниковый диод представляет собой нелинейное сопротивление, которое зависит от напряжения и тока.

Статическое сопротивление характеризует сопротивление диода постоянному току (рис. 3.9).

Рис. 3.9. Определение статического сопротивления по прямой ветви вольт-амперной характеристики диода

Статическое сопротивление определяется по прямой ветви вольт-амперной характеристики диода (рис. 3.9) по выражениям:

(3.4)

, (3.5)

где k – коэффициент, учитывающий единицы величин, входящих в формулу.

Динамическое сопротивление характеризует свойства диода по отношению к малым приращениям или переменным составляющим, наложенным на относительно большие постоянные токи или напряжения (рис. 3.10).

Рис. 3.10. Определение динамического сопротивления по прямой ветви вольт-амперной характеристики диода

Динамическое сопротивление определяется по прямой ветви вольт-амперной характеристики диода (рис. 3.10) по выражениям:

, (3.6)

(3.7)

3.2.7. Температурный режим. Свойства p-n-перехода существенно зависят от температуры. Проводимость его в прямом направлении высока даже при низких температурах (– 60  С), так как для отрыва валентных электронов требуется небольшая энергия.

При повышенной температуре сильнее проявляется собственная проводимость полупроводника и тем меньше сказывается примесная проводимость. В результате концентрация электронов и дырок по обе стороны от места контакта двух полупроводников p- и n-типа выравнивается, электрическое поле в этом месте исчезает и p-n-переход при высоких температурах теряет свои вентильные свойства.

Для германиевых диодов T_jm  (70-90) C, для кремниевых диодов T_jm1 (125-140) C, так как для отрыва валентного электрона от атома требуется большая энергия. Наглядно это показывают ВАХ, полученные при различных значениях температуры p-n-перехода (рис. 3.11).

Рис. 3.11. Влияние температуры на вольт-амперную

Увеличение обратного тока при возрастании температуры объясняется усилением генерации пар носителей. Для германиевых диодов обратный ток возрастает примерно в два раза при повышении температуры на каждые 101С.

Это можно выразить следующей формулой:

К примеру, если температура повысилась с 20 до 70 С, то значение обратного тока увеличилось в 2 5 , то есть в 32 раза. Кроме того, с увеличением температуры у германиевых диодов снижается напряжение электрического пробоя.

У кремниевых диодов, при нагреве на 101С, обратный ток возрастает примерно в 2,5 раза, а напряжение пробоя при повышении температуры сначала несколько возрастает, а затем уменьшается.

Прямой ток при нагреве диода растет не так сильно, как обратный. Это объясняется тем, что прямой ток возникает главным образом за счет примесной проводимости, а концентрация примесей не зависит от температуры.

3.2.8. Емкость ЭДП и частотные характеристики. ЭДП можно рассматривать как эквивалентный конденсатор, состоящий из обкладок, разделенных областью, обедненной носителями зарядов и обладающей повышенным сопротивлением. Емкость этого конденсатора определяется как отношение приращения заряда на переходе к приращению падения напряжения на нем, то есть:

(3.9)

Емкость перехода зависит от значения и полярности внешнего приложенного напряжения. При обратном напряжении на переходе эта емкость называется барьерной.

(3.10)

где _к – контактная разность потенциалов;

U – обратное напряжение на переходе;

С_бар(0) – значение барьерной емкости при U = 0, которое зависит от площади p-n-перехода и свойств полупроводникового кристалла.

Теоретически барьерная емкость существует и при прямом напряжении на p-n-переходе, однако она шунтируется низким дифференциальным (динамическим) сопротивлением r_т. Зависимость барьерной емкости от приложенного напряжения приведена на рис. 3.12.

При прямом смещении p-n-перехода значительно большее влияние оказывает диффузионная емкость, которая зависит от значения прямого тока и времени жизни неосновных носителей _р. Эта емкость не связана с током смещения, но дает такой же сдвиг фазы между напряжением и током, что и обычная емкость. Значение диффузионной емкости определяется по выражению:

. (3.11)

Полная емкость ЭДП при прямом смещении определяется суммой барьерной и диффузионной емкостей:

при обратном смещении ЭДП диффузионная емкость отсутствует и С_обр1=₁С_бар.

Рис. 3.12. Зависимость барьерной емкости от приложенного напряжения

Барьерная емкость вредно влияет на выпрямление переменного тока, так как шунтирует диод, и через нее на более высоких частотах протекает переменный ток. Это происходит вследствие уменьшения емкостного сопротивления на высоких частотах и возможности протекания обратного тока через емкость ЭДП. Это нарушает нормальную работу прибора, так как ЭДП теряет свои вентильные свойства. Поэтому для работы на высоких частотах используют так называемые точечные полупроводниковые приборы, у которых площадь ЭДП незначительна и собственная емкость мала. В паспортных данных обычно указывают наивысшую рабочую частоту диода. Силовые диоды, применяемые на электроподвижном составе и тяговых подстанциях, рассчитаны на работу в цепях с частотой до 500 Гц.

Свойства барьерной емкости используют при создании специальных типов диодов (варикапов и варакторов), которые применяют в качестве конденсаторов переменной емкости для настройки колебательных контуров (электронная настройка).

ВАХ полупроводникового диода

Вах-вах-вах… Обычно эти слова употребляют, рассказывая анекдоты про кавказцев))) Кавказцев прошу не обижаться – я уважаю Кавказ. Но, как говорится, из песни слов не выкинешь. Да и в нашем случае это слово имеет другой смысл. Да и не слово это даже, а аббревиатура.

ВАХ – это вольт амперная характеристика. Ну а нас в этом разделе интересует вольт амперная характеристика полупроводникового диода.

График ВАХ диода показан на рис. 6.

Рис. 6. ВАХ полупроводникового диода.

На графике изображены ВАХ для прямого и обратного включения диода. Ещё говорят, прямая и обратная ветвь вольт-амперной характеристики. Прямая ветвь (Iпр и Uпр) отображает характеристики диода при прямом включении (то есть когда на анод подаётся «плюс»). Обратная ветвь (Iобр и Uобр) отображает характеристики диода при обратном включении (то есть когда на анод подаётся «минус»).

На рис. 6 синяя толстая линия – это характеристика германиевого диода (Ge), а чёрная тонкая линия – характеристика кремниевого (Si) диода. На рисунке не указаны единицы измерения для осей тока и напряжения, так как они зависят от конкретной марки диода.

Что же мы видим на графике? Ну для начала определим, как и для любой плоской системы координат, четыре координатных угла (квадранта). Напомню, что первым считается квадрант, который находится справа вверху (то есть там, где у нас буквы Ge и Si). Далее квадранты отсчитываются против часовой стрелки.

Итак, II-й и IV-й квадранты у нас пустые. Это потому, что мы можем включить диод только двумя способами – в прямом или в обратном направлении. Невозможна ситуация, когда, например, через диод протекает обратный ток и одновременно он включен в прямом направлении, или, иными словами, невозможно на один вывод одновременно подать и «плюс» и «минус». Точнее, это возможно, но тогда это будет короткое замыкание))). Остаётся рассмотреть только два случая – прямое включение диода и обратное включение диода.

График прямого включения нарисован в первом квадранте. Отсюда видно, что чем больше напряжение, тем больше ток. Причём до какого-то момента напряжение растёт быстрее, чем ток. Но затем наступает перелом, и напряжение почти не меняется, а ток начинает расти. Для большинства диодов этот перелом наступает в диапазоне 0,5…1 В. Именно это напряжение, как говорят, «падает» на диоде. То есть если вы подключите лампочку по первой схеме на рис. 3, а напряжение батареи питания у вас будет 9 В, то на лампочку попадёт уже не 9 В, а 8,5 или даже 8 (зависит от типа диода). Эти 0,5…1 В и есть падение напряжения на диоде. Медленный рост тока до напряжения 0,5…1В означает, что на этом участке ток через диод практически не идёт даже в прямом направлении.

График обратного включения нарисован в третьем квадранте. Отсюда видно, что на значительном участке ток почти не изменяется, а затем увеличивается лавинообразно. Что это значит? Если вы включите лампочку по второй схеме на рис. 3, то светиться она не будет, потому что диод в обратном направлении ток не пропускает (точнее, пропускает, как видно на графике, но этот ток настолько мал, что лампа светиться не будет). Но диод не может сдерживать напряжение бесконечно. Если увеличить, напряжение, например, до нескольких сотен вольт, то это высокое напряжение «пробьёт» диод (см. перегиб на обратной ветви графика) и ток через диод будет течь. Вот только «пробой» — это процесс необратимый (для диодов). То есть такой «пробой» приведет к выгоранию диода и он либо вообще перестанет пропускать ток в любом направлении, либо наоборот – будет пропускать ток во всех направлениях.

В характеристиках конкретных диодов всегда указывается максимальное обратное напряжение – то есть напряжение, которое может выдержать диод без «пробоя» при включении в обратном направлении. Это нужно обязательно учитывать при разработке устройств, где применяются диоды.

Сравнивая характеристики кремниевого и германиевого диодов, можно сделать вывод, что в p-n-переходах кремниевого диода прямой и обратный токи меньше, чем в германиевом диоде (при одинаковых значениях напряжения на выводах). Это связано с тем, что у кремния больше ширина запрещённой зоны и для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости им необходимо сообщить большую дополнительную энергию.