Особенности вольт-амперных характеристик выпрямительных диодов. Вольт-амперная характеристика диода Кремниевый диод и его ВАХ
Полупроводниковые приборы
Диоды.
Полупроводниковым диодом называется устройство, представляющее собой два соединенных полупроводника различной проводимости.
Обозначение на схемах:
V или VD - обозначение диода
VS – обозначение диодной сборки
V7 Анод Цифра после V, показывает номер диода в схеме
Анод – это полупроводник P-типа Катод – это полупроводник N-типа
При приложении внешнего напряжения к диоду в прямом направлении («+» на анод, а « - » на катод) уменьшается потенциальный барьер, увеличивается диффузия – диод открыт (закоротка).
При приложении напряжения в обратном направлении увеличивается потенциальный барьер, прекращается диффузия – диод закрыт (разрыв).
Вольтамперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода.
U эл.проб. = 10 ÷1000 В – напряжение электрического пробоя.
U нас. = 0,3 ÷ 1 В – напряжение насыщения.
I a и U a – анодный ток и напряжение.
Участок I: – рабочий участок (прямая ветвь ВАХ)
Участки II, III, IV, - обратная ветвь ВАХ (не рабочий участок)
Участок II: Если приложить к диоду обратное напряжение – диод закрыт, но все равно через него будет протекать малый обратный ток (ток дрейфа, тепловой ток), обусловленный движением не основных носителей.
Участок III: Участок электрического пробоя. Если приложить достаточно большое напряжение, неосновные носители будут разгоняться и при соударении с узлами кристаллической решетки происходит ударная ионизация, которая в свою очередь приводит к лавинному пробою (вследствие чего резко возрастает ток)
Электрический пробой является обратимым, после снятия напряжения P-N-переход восстанавливается.
Участок IV: Участок теплового пробоя. Возрастает ток, следовательно, увеличивается мощность, что приводит к нагреву диода и он сгорает.
Вслед за электрическим пробоем, очень быстро следует тепловой, поэтому диоды при электрическом пробое не работают. Тепловой пробой - необратим.
Вольтамперная характеристика идеального диода (вентиля)
Основные параметры полупроводниковых приборов:
1. Максимально допустимый средний за период прямой ток (I ПР. СР.)
Это такой ток, который диод способен пропустить в прямом направлении.
Величина допустимого среднего за период прямого тока равна 70% от тока теплового пробоя.
По прямому току диоды делятся на три группы:
1) Диоды малой мощности (I ПР.СР < 0,3 А)
2) Диоды средней мощности (0,3
3) Диоды большой мощности (I ПР.СР > 10 А)
Диоды малой мощности не требуют дополнительного теплоотвода (тепло отводится с помощью корпуса диода)
Для диодов средней и большой мощности, которые не эффективно отводят тепло своими корпусами, требуется дополнительны теплоотвод (радиатор – кубик металла, в котором с помощью литья или фрезерования делают шипы, в результате чего возрастает поверхность теплоотвода. Материал - медь, бронза, алюминий, силумин)
2. Постоянное прямое напряжение (U пр.)
Постоянное прямое напряжение – это падение напряжения между анодом и катодом при протекании максимально допустимого прямого постоянного тока. Проявляется особенно при малом напряжении питания.
Постоянное прямое напряжение зависит от материала диодов (германий - Ge, кремний - Si)
U пр. Ge ≈ 0.3÷0.5 В (Германиевые) U пр. Si ≈ 0.5÷1 В (Кремниевые)
Германиевые диоды обозначают – ГД (1Д)
Кремниевые диоды обозначают – КД (2Д)
3. Повторяющееся импульсное обратное максимальное напряжение (U обр. max)
Электрический пробой идет по амплитудному значению (импульсу) U обр. max ≈ 0.7U Эл. пробоя (10÷100 В)
Для мощных диодов U обр. max = 1200 В.
Этот параметр иногда называют классом диода (12 класс -U обр. max = 1200 В)
4. Максимальный обратный ток диода (I max ..обр.)
Соответствует максимальному обратному напряжению (составляет единицы mA).
Для кремниевых диодов максимальный обратный ток в два раза меньше, чем для германиевых.
5. Дифференциальное (динамическое) сопротивление.
На рис. 2.9 представлена вольт-амперная характеристика кремниевого выпрямительного диода при различной температуре окружающей среды.
Максимально допустимые прямые токи кремниевых плоскостных диодов различных типов составляют 0,1…1600 А. Падение напряжения на диодах при этих токах обычно не превышает 1,5 В. С увеличением температуры прямое падение напряжения уменьшается, что связано с уменьшением высоты потенциального барьера
p–n -перехода и с перераспределением носителей заряда по энергетическим уровням.
Обратная ветвь вольт-амперной характеристики кремниевых диодов не имеет участка насыщения обратного тока, т.к. обратный ток в кремниевых диодах вызван процессом генерации носителей заряда в p–n -переходе. Пробой кремниевых диодов имеет лавинный характер. Поэтому пробивное напряжение с увеличением температуры увеличивается. Для некоторых типов кремниевых диодов при комнатной температуре пробивное напряжение может составлять 1500…2000 В.
Диапазон рабочих температур для кремниевых выпрямительных диодов ограничивается значениями – 60…+125 C . Нижний предел рабочих температур обусловлен различием температурных коэффициентов линейного расширения различных элементов конструкции диода: при низких температурах возникают механические напряжения, которые могут привести к растрескиванию кристалла. С уменьшением температуры также необходимо учитывать увеличение прямого падения напряжения на диоде, происходящее из-за увеличения высоты потенциального барьера на p–n -переходе.
Верхний предел диапазона рабочих температур выпрямительных диодов определяется резким ухудшением выпрямления в связи с ростом обратного тока – сказывается тепловая генерация носителей заряда в результате ионизации атомов полупроводника. Исходя из этого верхний предел диапазона рабочих температур кремниевых выпрямительных диодов, как и большинства других полупроводниковых приборов, связан с шириной запрещенной зоны исходного полупроводникового материала.
На рис. 2.10 представлена вольт-амперная характеристика германиевого выпрямительного диода при различной температуре окружающей среды.
Прямое напряжение на германиевом диоде при максимально допустимом прямом токе практически в два раза меньше, чем на кремниевом диоде. Это связано с меньшей высотой потенциального барьера германиевого перехода, что является достоинством, но, к сожалению, единственным.
Для германиевых диодов характерно существование обратного тока насыщения, что связано с механизмом образования обратного тока – процессом экстракции неосновных носителей заряда.
Плотность обратного тока в германиевых диодах значительно больше, т.к. при прочих равных условиях концентрация неосновных носителей заряда в германии на несколько порядков больше, чем в кремнии. Это приводит к тому, что для германиевых диодов пробой имеет тепловой характер. Поэтому пробивное напряжение с увеличением температуры уменьшается, а значения этого напряжения меньше пробивных напряжений кремниевых диодов.
Верхний предел диапазона рабочих температур германиевых диодов составляет около 75 C .
Существенной особенностью германиевых диодов и их недостатком является то, что они плохо выдерживают даже очень кратковременные импульсные перегрузки при обратном смещении p–n -перехода. Определяется это механизмом пробоя – тепловым пробоем, происходящим при шнуровании тока с выделением большой удельной мощности в месте пробоя.
Перечисленные особенности кремниевых и германиевых выпрямительных диодов связаны с различием ширины запрещенной зоны исходных полупроводников. Из такого сопоставления видно, что выпрямительные диоды с большей шириной запрещенной зоны обладают существенными преимуществами в свойствах и параметрах. Одним из таких представителей является арсенид галлия.
В настоящее время, выпускаемые промышленностью арсенид-галлиевые выпрямительные диоды еще далеки от оптимально возможных. К примеру, диод типа АД112А имеет максимально допустимый прямой ток 300 мА при прямом напряжении 3 В. Большая величина прямого напряжения является недостатком всех выпрямительных диодов, p–n -переходы которых сформированы в материале с широкой запрещенной зоной. Максимально допустимое обратное напряжение для данного диода –50 В. Это объясняется, вероятнее всего, тем, что в области p–n -перехода имеется большая концентрация дефектов из-за несовершенства технологии.
Достоинствами арсенид-галлиевых выпрямительных диодов являются большой диапазон рабочих температур и лучшие частотные свойства. Верхний предел рабочих температур для диодов АД112А составляет 250 С. Арсенид-галлиевые диоды АД110А могут работать в выпрямителях малой мощности до частоты 1 МГц, что обеспечивается малым временем жизни носителей заряда в этом материале.
Выводы:
1. С повышением температуры обратный ток у германиевых выпрямительных диодов резко возрастает за счет роста теплового тока.
2. У кремниевых диодов тепловой ток очень мал, и поэтому они могут работать при более высоких температурах и с меньшим обратным током, чем германиевые диоды.
3. Кремниевые диоды могут работать при значительно больших обратных напряжениях, чем германиевые диоды. Максимально допустимое постоянное обратное напряжение у кремниевых диодов увеличивается с повышением температуры до максимального значения, в то время как у германиевых диодов резко падает.
4. Вследствие указанных преимуществ в настоящее время выпрямительные диоды в основном изготавливают на основе кремния.
Полупроводниковым диодом называют электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом, имеющим два вывода. В качестве выпрямляющего электрического перехода используется электронно-дырочный (р-n) переход (П), разделяющий р- и n-области кристалла полупроводника (рис. 10.2).
К р- и n-области кристалла привариваются или припаиваются металлические выводы, и вся система заключается в металлический, металлокерамический, стеклянный или пластмассовый корпус.
По конструктивному выполнению различают точечные и плоскостные диоды. Широкое применение диоды получили в источниках вторичного электропитания (выпрямителях).
Одна из полупроводниковых областей кристалла, имеющая более высокую концентрацию примесей (а следовательно, и основных носителей заряда), называется эмиттером, а вторая, с меньшей концентрацией - базой. Если эмиттером является p-область, для которой основными носителями заряда служат дырки p p , а базой n-область (основные носители заряда - электроны n n), то выполняется условие p p ≥n n .
p p - обозначение дырок в p-области; тогда обозначение дырок в n-области, для которой они являются неосновными носителями зарядов, будет соответственно p n .
Принцип работы. При отсутствии внешнего напряжения, приложенного к выводам диода, в результате встречной диффузии дырок (из р- в n-область) и электронов (из n- в р-область) в объеме полупроводникового кристалла, расположенного вблизи границы раздела двух областей с различной проводимостью, окажутся некомпенсированными заряды неподвижных ионов примесей (акцепторов для р-области и доноров для n-области), которые по обе стороны раздела полупроводникового кристалла создадут область объемного заряда (рис. 10.2). Для сохранения электрической нейтральности полупроводниковой структуры количество диффундируемых через р-n-переход основных носителей заряда из одной области должно равняться количеству диффундируемых основных носителей заряда из другой области. С учетом того, что концентрация электронов n n в базе значительно меньше концентрации дырок p p в эмиттере, область объемного заряда со стороны базы будет больше, чем со стороны эмиттера, как это показано на рис. 10.2. Образованный в результате встречной диффузии объемный заряд создает напряженность E зар электрического поля, препятствующего дальнейшей встречной диффузии основных носителей зарядов.
Рис. 10.2. Схема включения полупроводникового диода и пространственное распределение объемных зарядов р-n-перехода в отсутствие внешнего напряжения
Диффузия практически прекращается, когда энергия носителей заряд недостаточна, чтобы преодолеть созданный потенциальный барьер .
Если к выводам диода приложить прямое напряжение, как это показано на рис. 10.2, то создаваемая им напряженность Е электрического поля будет противоположна направлению напряженности E зар объемного заряда и в область базы (по мере возрастания напряжения U) будет вводиться (инжектировать) все большее количество дырок, являющихся не основными для n-области базы носителями заряда, которые и образуют прямой ток диода I. Встречной инжекцией n n в область эмиттера можно пренебречь, учитывая, что p p ≥n n .
Если к выводам диода приложить обратное напряжение (-U), то создаваемая им напряженность (-Е) электрического поля, совпадая по направлению с напряженностью E зар объемного заряда, повышает потенциальный барьер и препятствует переходу основных носителей заряда в соседнюю область. Однако суммарная напряжеяностъ электрических полей способствует извлечению (экстракции) неосновных носителей заряда: n p - из р- в n-область и p n - из n- в р-область, которые и образуют обратный ток p-n-перехода. Количество неосновных носителей заряда значительно изменяется при изменении температуры, возрастая с ее повышением. Поэтому обратный ток, образованный за счет неосновных носителей, называют тепловым током (I 0).
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода имеет вид, приведенный на рис. 10.3 (сплошная линия), и описывается выражением
(10.1)
где U Д - напряжение на р-n-переходе;
k - постоянная Больцмана; T - абсолютная температура; q - заряд электрона. Выражение (10.1) соответствует ВАХ идеального р-n-перехода и не отражает некоторых свойств реального диода.
При определенном значении напряжения U обр начинается лавинообразный процесс нарастания тока I обр, соответствующий электрическому пробою р-n-перехода (отрезок АВ на рис. 10.3). Если в этот момент ток не ограничить, электрический пробой переходит в тепловой (участок ВАХ после точки В). Такая последовательность лавинообразного процесса нарастания тока I обр характерна для кремниевых диодов. Для германиевых диодов с увеличением обратного напряжения тепловой пробой р-n-перехода наступает практически одновременно с началом лавинообразного процесса нарастания тока I обр. Электрический пробой обратим, т. е. после уменьшения напряжения U обр работа диода соответствует пологому участку обратной ветви ВАХ. Тепловой пробой необратим, так как разрушает р-n-переход.
Прямой ток диода также зависит от температуры окружающей среды, возрастая с ее повышением, хотя и в значительно меньшей степени, чем обратный ток. Характер изменения прямой ветви ВАХ при изменении температуры показан на рис. 10.3. Для оценки температурной зависимости прямой ветви ВАХ диода служит температурный коэффициент напряжения (ТКН), °K -1 .
Этот коэффициент показывает относительное изменение прямого напряжения за счет изменения температуры на 1 ̊К при некотором значении прямого тока.
Рис. 10.3. Вольт-амперные характеристики полупроводникового диода
Сопротивления и емкости диода. Полупроводниковый диод характеризуется статическим и дифференциальным (динамическим) сопротивлениями, легко определяемыми по ВАХ. Дифференциальное сопротивление численно равно отношению бесконечно малого приращения напряжения к соответствующему приращению тока в заданном режиме работы диода и может быть определено графически как тангенс угла наклона касательной в рассматриваемой рабочей точке Е к оси абсцисс (см. рис. 10.3):
(10.2)
где ∆U и ∆I- конечные приращения напряжения и тока вблизи рабочей точки Е; mI и mU - масштабы осей тока и напряжения.
Часто представляют интерес не приращения напряжения и тока в окрестности некоторой заданной точки, а сами напряжение и ток в данном элементе. При этом совершенно безразлично, какова характеристика диода вблизи выбранной рабочей точки. В этом случае удобно пользоваться статическим сопротивлением, которое равно отношению напряжения на элементе U E к протекающему через него току I E (рис. 10.3). Как видно из рисунка, это сопротивление равно тангенсу угла наклона прямой, проведенной из начала координат через заданную рабочую точку ВАХ, к оси абсцисс:
В зависимости от того, на каком участке ВАХ расположена заданная рабочая точка, значение R ст, может быть меньше или больше значения R диф или равно ему. Однако R ст всегда положительно, в то время как R диф может быть и отрицательным. У элементов, имеющих линейные ВАХ, статическое и дифференциальное сопротивления равны.
При работе на высоких частотах и в импульсных режимах начинает играть роль емкость диода С Д, измеряемая между выводами диода при заданных значениях напряжения и частоты. Эта емкость включает диффузионную емкость С диф, зарядную (барьерную) емкость С зар и емкость С к корпуса диода:
Диффузионная емкость возникает при прямом напряжении диода в приконтактном слое р-n-перехода за счет изменения количества диффундируемых дырок и электронов при изменении прямого напряжения. Зарядная емкость возникает при обратном напряжении и обусловлена изменением объемного заряда.
Значение емкости С Д определяется режимом работы диода. При прямом напряжении
при обратном напряжении
Классификация диодов представлена в табл. 10.1.
Таблица 10.1 Классификация диодов
Рассмотрим некоторые из них, наиболее широко применяемые в практике.
Выпрямительный диод , условное графическое обозначение которого приведено на рис. 10.4, 1, использует вентильные свойства р-n-перехода и применяется в выпрямителях переменного тока. В качестве исходного материала при изготовлении выпрямительных диодов используют германий и кремний.
Выпрямительный диод представляет собой электронный ключ, управляемый приложенным к нему напряжением. При прямом напряжении ключ замкнут, при обратном - разомкнут. Однако в обоих случаях этот ключ не является идеальным. При подаче прямого напряжения U пр ключ обладает небольшим дифференциальным сопротивлением. Поэтому за счет падения напряжения U пр на открытом диоде выпрямленное напряжение, снимаемое с нагрузочного устройства, несколько ниже входного напряжения (U пр не превышает у германневых диодов 0,5 В, а у кремниевых 1,5 В; часто за величину U пр для кремниевых диодов принимается напряжение 0,7 В).
Основными параметрами выпрямительных диодов являются:
Iпр ср max - максимальное (за период входного напряжения) значение среднего прямого тока диода;
U обр.доп - допустимое наибольшее значение постоянного обратного напряжения диода;
f max - максимально допустимая частота входного напряжения;
U пр - значение прямого падения напряжения на диоде при заданном прямом токе.
Выпрямительные диоды классифируют также по мощности и частоте.
По мощности: маломощные I пр ср max <0,3 A; средней мощности 0,3 A10 A.
По частоте: низкочастотные f max <1000 Гц; высокочастотные f max >1000 Гц.
В качестве выпрямительных применяются также диоды, выполненные на выпрямляющем переходе металл-полупроводник (диоды Шотки). Их отличает меньшее, чем у диодов с р-n-переходом, напряжение U пр и более высокие частотные характеристики.
Импульсный диод - полупроводниковый диод, имеющий малую длительность переходных процессов и использующий, так же как и выпрямительный диод, при своей работе прямую и обратную ветви ВАХ.
Длительность переходных продресов в диоде (рис. 10.4) обусловлена тем, чтo изменeние направления и значения тока через него при изменении подводимого к нему напряжения не может происходить мгновенно в связи с перезарядом емкости выпрямляющего перехода и инерционными процессами рассасывания инжектированных в базу неосновных носителей заряда. Последнее явление определяет быстродействие диодов и характеризуется специальным параметром - временем восстановления t вос его обратного сопротивления. Время восстановления равно интервалу времени между моментом переключения напряжения на диоде с прямого на обратное и моментом, когда обратный ток, который в момент переключения напряжения paвен прямому току, достигнет своего минимального значения.
Рис. 10.4. Переходные процессы в полупроводниковом диоде
Поэтому кроме параметров I пр ср max , U обр, U пр характеризующих выпрямительные свойства, для импульсных диодов вводится параметр t вос, характеризующий быстродействие.
Для повышения быстродействия (уменьшения t вос) импульсные диоды изготовляют в виде точечных структур, что обеспечивает минимальную площадь, р-n-перехода, а следовательно, и минимальное значение зарядной емкости C зар. Одновременно толщину базы делают минимально возможной для достижения минимального времени восстановления диодов.
В качестве импульсных находят применение и диоды Шотки.
Сверхвысокочастотный диод (СВЧ-диод) - полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования и обработки высокочастотного сигнала (до десятков и сотен ГГц). Сверхвысокочастотные диоды широко применяются при генерации и усилении электромагнитных колебаний СВЧ-диапазона, умножении частоты, модуляции, регулировании и ограничении сигналов и т. д. Типичными представителями данной группы диодов являются смесительные (получение сигнала суммы или разности двух частот), детекторные (выделение постоянной составляющей СВЧ-сигнала) и переключательные (управление уровнем мощности сверхвысокочастотного сигнала) диоды. Условное графическое обозначение импульсных и СВЧ-диодов аналогично обозначению выпрямительных диодов (рис. 10.0, 1).
Стабилитрон и стабистор применяются в нелинейных цепях постоянного тока для стабилизации напряжения. Отличие стабилитрона от стабистора заключается в используемой ветви ВАХ для стабилизации напряжения. Как видно из рис. 10.3, ВАХ диода имеет участки АВ и CD, на которых значительному изменению тока соответствует незначительное изменение напряжения при сравнительно линейной их зависимости. Для стабилизации высокого напряжения (>3 В) используют обратную ветвь (участок АВ) ВАХ. Применяемые для этой цели диоды называют стабилитронами. Для стабилизации небольших значений напряжений (< 1 В -например, в интегральных схемах) используют прямую ветвь (участок CD) ВАХ, а применяемые в этом случае диоды называют стабисторами. Условное обозначение стабилитрона и стабистора показано на рис. 10.0, 2.
Стабилитроны и стабисторы изготовляют, как правило, из кремния. При использовании высоколегированного кремния (высокая концентрация примесей, а следовательно, и свободных носителей заряда) напряжение стабилизации понижается, а с уменьшением степени легирования кремния - повышается. Соответственно различают низко- и высоковольтные стабилитроны с напряжением стабилизации от 3 до 400 В.
К основным параметрам стабилитрона относятся:
U ст - напряжение стабилизации при заданном токе;
R диф - дифференциальное сопротивление при заданном токе;
I ст min - минимально допустимый ток стабилизации;
I ст max - максимально допустимый ток стабилизации;
P max - максимально допустимая рассеиваемая мощность;
где ∆U ст - отклонение напряжения U ст от номинального значения при изменении температуры в интервале ∆T.
В схемах двуполярной стабилизации напряжения применяется симметричный стабилитрон, условное графическое обозначение которого показано на рис. 10.0, 3.
Варикап - полупроводниковый диод, действие которого основано на использовании зависимости зарядной емкости C зар от значения приложенного напряжения. Это позволяет применять варикап в качестве элемента с электрически управляемой емкостью.
Основной характеристикой варикапа служит вольт-фарадная характеристика (рис. 10.5) - зависимость емкости варикапа C В, состоящей из зарядной емкости и емкости корпуса прибора, от значения приложенного обратного напряжения. В выпускаемых промышленностью варикапах значение емкости C В может изменяться от единиц до сотен пикофарад.
Рис. 10.5. Вольт-фарадная характеристика варикапа
Основными параметрами варикапа являются:
C В - емкость, измеренная между выводами варикапа при заданном обратном напряжении;
K С - коэффициент перекрытия по емкости, используемый для оценки зависимости C В =f(U обр)и равный отношению емкостей варикапа при двух заданных значениях обратного напряжения (K C =2...20).
Зависимость параметров варикапа от температуры характеризуется температурным коэффициентом емкости
где ∆C В /C В - относительное изменение емкости варикапа при изменении температуры ∆T окружающей среды.
Условное графическое обозначение варикапа приведено на 10.0, 4.
Излучающий диод - полупроводниковый диод, излучающий из области р-n-перехода кванты энергии. Излучение испускается через прозрачную стеклянную пластину, размещенную в корпусе диода.
По характеристике излучения излучающие диоды делятся на две группы: диоды с излучением в видимой области спектра, получившие название светодиоды; диоды с излучением в инфракрасной области спектра, получившие, в свою очередь, название ИК-диоды. Принцип действия обеих групп диодов одинаков и базируется на самопроизвольной рекомбинации носителей заряда при прямом токе через выпрямляющий электрический переход. Из курса физики известно, что рекомбинация носителей заряда сопровождается освобождением кванта энергии. Спектр частот последней определяется типом исходного полупроводникового материала.
Основными материалами для изготовления светодиодов служат фосфид галлия, арсенид-фосфид галлия, карбид кремния. Большую часть энергии, выделяемой в этих материалах при рекомбинации носителей заряда, составляет тепловая энергия. На долю энергии видимого излучения в лучшем случае приходится 10...20%. Поэтому кпд светодиодов невелик.
Исходными материалами для изготовления ИК-диодов являются арсенид и фосфид галлия. Полная мощность излучения этой группы диодов лежит в пределах от единиц до сотен милливатт при напряжении на диоде 1,2...3 В и прямом токе от десятков до сотен миллиампер.
Условное графическое обозначение излучающих диодов показано на рис. 10.0, 5.
Светодиоды применяют в качестве световых индикаторов, а ИК-диоды - в качестве источников излучения в оптоэлектронных устройствах.
Одним из электронных устройств, широко использующихся в различных схемах, является выпрямительный диод, с помощью которого переменный ток преобразуется в постоянный. Его конструкция создана в виде двухэлектродного прибора с односторонней электрической проводимостью. Выпрямление переменного тока происходит на переходах металл-полупроводник и полупроводник-металл. Точно такой же эффект достигается в электронно-дырочных переходах некоторых кристаллов - германия, кремния, селена. Эти кристаллы во многих случаях используются в качестве основных элементов приборов.
Выпрямительные диоды применение нашли в различных электронных, радиотехнических и электрических устройствах. С их помощью осуществляется замыкание и размыкание цепей, детектирование и коммутация импульсов и электрических сигналов, а также другие аналогичные преобразования.
Принцип работы выпрямительного диода
Каждый диод оборудуется двумя выводами, то есть электродами - анодом и катодом. Анод соединяется с р-слоем, а катод - с n-слоем. В случае прямого включения диода на анод поступает плюс, а на катод - минус. В результате, через диод начинает проходить электрический ток.
Если же подачу тока выполнить наоборот - к аноду подать минус, а к катоду - плюс получится так называемое обратное включение диода. В этом случае течения тока уже не будет, на что указывает вольтамперная характеристика выпрямительного диода. Поэтому при поступлении на вход , через диод будет проходить только одна полуволна.
Представленный рисунок наглядно отражает вольтамперную характеристику диода. Ее прямая ветвь расположена в первом квадранте графика. Она описывает диод в состоянии высокой проводимости, когда к нему приложено прямое напряжение. Данная ветвь выражается в виде кусочно-линейной функции u = U 0 + R Д x i, в которой u представляет собой напряжением на вентиле во время прохождения тока i. Соответственно, U 0 и R Д являются пороговым напряжением и динамическим сопротивлением.
Третий квадрант содержит обратную ветвь вольтамперной характеристики, указывающей на низкую проводимость при обратном напряжении, приложенном к диоду. В этом состоянии течение тока через полупроводниковую структуру практически отсутствует.
Данное положение будет правильным лишь до определенного значения обратного напряжения. В этом случае напряженность электрического поля в области p-n-перехода может достичь уровня 105 В/см. Такое поле сообщает электронам и дыркам - подвижным носителям заряда, кинетическую энергию, способную вызвать ионизацию нейтральных атомов кремния.
Стандартная структура выпрямительного диода предполагает наличие дырок и электронов проводимости, постоянно возникающих под действием термической генерации по всему объему структуры проводника. В дальнейшем происходит их ускорение под действием электрического поля p-n-перехода. То есть электроны и дырки также участвуют в ионизации нейтральных атомов кремния. В этом случае обратный ток нарастает лавинообразно, возникают так называемые лавинные пробои. Напряжение, при котором резко повышается обратный ток, обозначается на рисунке в виде напряжения пробоя U3.
Основные параметры выпрямительных диодов
Определяя параметры выпрямительных элементов, следует учитывать следующие факторы:
- , максимально допустимая при выпрямлении тока, когда устройство еще не может выйти из строя.
- Максимальное значение среднего выпрямленного тока.
- Максимальный показатель обратного напряжения.
Выпрямительные устройства выпускаются различной формы и могут монтироваться разными способами.
В соответствии с физическими характеристиками, они разделяются на следующие группы:
- Выпрямительные диоды большой мощности, пропускная способность которых составляет до 400 А. Они относятся к категории высоковольтных и выпускаются в двух видах корпусов. Штыревой корпус изготавливается из стекла, а таблеточный - из керамики.
- Выпрямительные диоды средней мощности с пропускной способностью от 300 мА до 10 А.
- Маломощные выпрямительные диоды с максимально допустимым значением тока до 300 мА.
Выбирая то или иное устройство, необходимо учитывать вольтамперные характеристики обратного и пикового максимальных токов, максимально допустимое прямое и обратное напряжение, среднюю силу выпрямленного тока, а также материал изделия и тип его монтажа. Все основные свойства выпрямительного диода и его параметры наносятся на корпус в виде условных обозначений. Маркировка элементов указывается в специальных справочниках и каталогах, ускоряя и облегчая их выбор.
Схемы с использованием выпрямительных диодов отличаются количеством фаз:
- Однофазные нашли широкое применение в бытовых электроприборах, автомобилях и аппаратуре для электродуговой сварки.
- Многофазные используются в промышленном оборудовании, специальном и общественном транспорте.
В зависимости от используемого материала, выпрямительные диоды и схемы с диодами могут быть германиевыми или кремниевыми. Чаще всего применяется последний вариант, благодаря физическим свойствам кремния. Данные диоды обладают значительно меньшей величиной обратных токов при одном и том же напряжении, поэтому допустимое обратное напряжение имеет очень высокую величину, в пределах 1000-1500 вольт.
Для сравнения, у германиевых диодов эта величина составляет 100-400 В. Кремниевые диоды сохраняют работоспособность в температурном диапазоне от - 60 до + 150 градусов, а германиевые - только в пределах от - 60 до + 850С. Электронно-дырочные пары при температуре, превышающей это значение, образуются с большой скоростью, что приводит к резкому увеличению обратного тока и снижению эффективности работы выпрямителя.
Схема включения выпрямительного диода
Простейший выпрямитель работает по следующей схеме. На вход подается переменное напряжение сети с положительными и отрицательными полупериодами, окрашенными соответственно в красный и синий цвета. На выходе подключается обычная нагрузка RH, а выпрямляющим элементом будет диод VD.
Когда на анод поступают положительные полупериоды напряжения, происходит открытие диода. В этот период через диод и нагрузку, запитанную от выпрямителя, будет протекать прямой ток диода Iпр. На графике, расположенном справа, эта волна обозначена красным цветом.
При поступлении на анод отрицательных полупериодов напряжения, наступает закрытие диода, и во всей цепи начинается течение незначительного обратного тока. В данном случае отрицательная полуволна переменного тока отсекается диодом. Эту отсеченную полуволну обозначает синяя прерывистая линия. На схеме условное обозначение выпрямительного диода такое же, как обычно, только поверх значка проставляются символы VD.
В результате, через нагрузку, подключенную через диод к сети, будет протекать уже не переменный, а пульсирующий ток одного направления. Фактически, это и есть выпрямленный переменный ток. Однако такое напряжение подходит лишь для нагрузок малой мощности, запитанных от сети переменного тока. Это могут быть лампы накаливания, которым не требуются особые условия питания. В этом случае напряжение будет проходить через лампу лишь во время импульсов - положительных волн. Наблюдается слабое мерцание лампы с частотой 50 Гц.
При подключении питания с таким же напряжением к приемнику или усилителю мощности, в громкоговорителе или колонках, будет слышен гул с низкой тональностью, частотой 50 Гц, известный как фон переменного тока. В этих случаях аппаратура начинает «фонить». Причиной такого состояния считается пульсирующий ток, проходящий через нагрузку и создающий в ней пульсирующее напряжение. Именно оно и создает фон.
Данный недостаток частично устраняется путем параллельного подключения к нагрузке фильтрующего электролитического конденсатора Сф с большой емкостью. В течение положительных полупериодов он заряжается токами, а во время отрицательных - разряжается с помощью нагрузки RH. Большая емкость конденсатора позволяет поддерживать на нагрузке непрерывный ток в течение всех полупериодов - положительных и отрицательных. На графике такой ток представляет собой сплошную волнистую линию красного цвета.
Тем не менее, данный сглаженный ток все равно не обеспечивает нормальную работу, поскольку половина входного напряжения теряется при выпрямлении, когда задействуется только один полупериод. Этот недостаток компенсируют мощные выпрямительные диоды, собранные вместе в так называемый диодный мост. Данная схема состоит из четырех элементов, что позволяет пропускать ток в течение всех полупериодов. За счет этого преобразование переменного тока в постоянный происходит значительно эффективнее.
Что такое идеальный диод?
Основная задача обычного выпрямительного диода – проводить электрический ток в одном направлении, и не пропускать его в обратном . Следовательно, идеальный диод должен быть очень хорошим проводником с нулевым сопротивлением при прямом подключении напряжения (плюс — к аноду, минус — к катоду), и абсолютным изолятором с бесконечным сопротивлением при обратном.
Вот так это выглядит на графике:
Такая модель диода используется в случаях, когда важна только логическая функция прибора. Например, в цифровой электронике.
ВАХ реального полупроводникового диода
Однако на практике, в силу своей полупроводниковой структуры, настоящий диод обладает рядом недостатков и ограничений по сравнению с идеальным диодом. Это можно увидеть на графике, приведенном ниже.
V ϒ (гамма) — напряжение порога проводимости
При прямом включении напряжение на диоде должно достигнуть определенного порогового значения — V ϒ . Это напряжение, при котором PN-переход в полупроводнике открывается достаточно, чтобы диод начал хорошо проводить ток. До того как напряжение между анодом и катодом достигнет этого значения, диод является очень плохим проводником. V ϒ у кремниевых приборов примерно 0.7V, у германиевых – около 0.3V.
I D_MAX — максимальный ток через диод при прямом включении
При прямом включении полупроводниковый диод способен выдержать ограниченную силу тока I D_MAX . Когда ток через прибор превышает этот предел, диод перегревается. В результате разрушается кристаллическая структура полупроводника, и прибор становится непригодным. Величина данной силы тока сильно колеблется в зависимости от разных типов диодов и их производителей.
I OP – обратный ток утечки
При обратном включении диод не является абсолютным изолятором и имеет конечное сопротивление, хоть и очень высокое. Это служит причиной образования тока утечки или обратного тока I OP . Ток утечки у германиевых приборов достигает до 200 µА, у кремниевых до нескольких десятков nА. Самые последние высококачественные кремниевые диоды с предельно низким обратным током имеют этот показатель около 0.5 nA.
PIV(Peak Inverse Voltage) — Напряжение пробоя
При обратном включении диод способен выдерживать ограниченное напряжение – напряжение пробоя PIV . Если внешняя разность потенциалов превышает это значение, диод резко понижает свое сопротивление и превращается в проводник. Такой эффект нежелательный, так как диод должен быть хорошим проводником только при прямом включении. Величина напряжения пробоя колеблется в зависимости от разных типов диодов и их производителей.
В большинстве случаев, для расчетов в электронных схемах, не используют точную модель диода со всеми его характеристиками. Нелинейность этой функции слишком усложняет задачу. Предпочитают использовать, так называемые, приближенные модели.
Приближенная модель диода «идеальный диод + V ϒ »
Самой простой и часто используемой является приближенная модель первого уровня. Она состоит из идеального диода и, добавленного к нему, напряжения порога проводимости V ϒ .
Приближенная модель диода «идеальный диод + V ϒ + r D »
Иногда используют чуть более сложную и точную приближенную модель второго уровня. В этом случае добавляют к модели первого уровня внутреннее сопротивление диода, преобразовав его функцию из экспоненты в линейную.
