Обратное включение диода. Прямое и обратное включение диода, охарактеризовать прямое и обратное напряжение, прямые и обратные токи диода

Диодом называют полупроводниковый прибор с одним p-n переходом, который имеет два выхода (катод и анод), он предназначен для стабилизации, выпрямления, модуляции, детектирования, преобразования и ограничения электрических сигналов обратного тока .

В своем функциональном назначении диоды разделяют на импульсные, выпрямительные, универсальные, стабилитроны, СВЧ-диоды, туннельные, варикапы, переключающие диоды и т.п.

В теории нам известно, что диод пропускает ток лишь в одну торону. Однако, не многим известно и понятно каким именно образом он это делает. Схематически диод можно себе представить в виде кристалла состоящего из 2-х областей (полупроводников). Одна из этих областей кристалла обладает проводимостью n-типа, а другая — проводимостью p-типа.

На рисунке находятся дырки, преобладающие в области n-типа, которые изображено синими кругами, а электроны, преобладающие в области p-типа — красными. Две эти области являются электродами диода катодом и анодом:

Катод - это отрицательный электрод диода, основными носителями заряда которого являются электроны.

Анод - это положительный электрод диода, основными носителями заряда которого являются дырки.

На внешних поверхностях областей нанесены контактные металлические слои, к которым припаяны проволочные выводы электродов диода. Прибор такого рода может находиться исключительно в одном из двух состояний:

1. Закрытое - это когда он плохо проводит ток;

2. Открытое - это когда он хорошо проводит ток.

Диод окажется в закрытом состоянии, если применить полярность источника постоянного напряжения.

В таком случае электроны из области n-типа начнут перемещение к положительному полюсу источника питания, отдаляясь от p-n перехода, и дырки, в области p-типа, тоже будут отдаляться от p-n перехода, перемещаясь к отрицательному полюсу . В конце концов граница областей расширится, отчего образуется зона объедененная электронами и дырками, которая будет оказывать огромное сопротивление току.

Однако, в каждой из областей диода присутствуют неосновные носители заряда, и небольшой обмен электронами и дырками между областями все же будет происходить. Поэтому через диод будет протекать во много раз меньший ток, чем прямой, и этот ток называют обратным током диода . На практике, как правило, обратным током p-n перехода пренебрегают, и отсюда получается, что p-n переход обладает лишь односторонней проводимостью.

U обр. m ах = 1,045U ср.

В ряде практических приложений для выпрямления переменного тока и плавного регулирования мощности передаваемой в нагрузку используют тиристорные преобразователи. При этом, малые токи управления позволяют управлять большими токами нагрузки.

Пример простейшего управляемого по мощности тиристорного выпрямителя показан на рис. 7.10.

Рис. 7.10. Тиристорная схема выпрямителя

На рис. 7.11 приведены временные диаграммы, поясняющие принцип регулирования среднего значения выпрямленного напряжения.

Рис. 7.11. Временные диаграммы работы тиристорного выпрямителя

В этой схеме предполагается, что входное напряжение U вх для регулируемого тиристорного формируется, например, двухполупериодным выпрямителем. Если управляющие импульсы U у достаточной амплитуды подаются в начале каждого полупериода (участок о-а на диаграмме U вых), выходное напряжение будет повторять напряжение двухполупериодного выпрямителя. Если сместить управляющие импульсы к середине каждого полупериода, то импульсы на выходе будут иметь длительность, равную четверти полупериода (участок b-с). Дальнейшее смещение управляющим импульсов приведет к дальнейшему уменьшению средней амплитуды выходных импульсов (участок d – e).

Таким образом, подавая на тиристор управляющие импульсы, сдвигающиеся по фазе относительно входного напряжения, можно превратить синусоидальное напряжение (ток) в последовательность импульсов любой длительности, амплитуды и полярности, то есть можно изменять действующее значение напряжения (тока) в широких пределах.

7.3 Сглаживающие фильтры

Рассмотренные схемы выпрямления позволяют получать однополярное пульсирующее напряжение, которое не всегда применимо для питания сложных электронных приборов, поскольку, из-за больших пульсаций, приводят к неустойчивости их работы.

Для значительного уменьшения пульсации применяют сглаживающие фильтры. Важнейшим параметром сглаживающего фильтра является коэффициент сглаживания S, определяемый по формуле S= 1 / 2 , где  1 и  2 – коэффициенты пульсаций на входе и выходе фильтра соответственно. Коэффициент пульсации показывает во сколько раз фильтр уменьшает пульсации. В практических схемах коэффициент пульсаций на выходе фильтра может достигать значений 0,00003.

Основными элементами фильтров являются реактивные элементы – емкости и индуктивности (дроссели). Рассмотрим вначале принцип работы простейшего сглаживающего фильтра, схема которого приведена на рис. 7.12.

Рис. 7.12. Схема простейшего сглаживающего фильтра с однополупериодным выпрямителем

В этой схеме сглаживание напряжения на нагрузке после однополупериодного диодного выпрямителя VD осуществляется с помощью конденсатора С, подключенного параллельно нагрузке R н.

Временные диаграммы, поясняющие работу такого фильтра, приведены на рис. 7.13. На участке t1 – t2 входным напряжением диод открывается, а конденсатор заряжается. Когда входное напряжение начнет уменьшаться, диод закрывается напряжением, накопленным на конденсаторе U с (участок t1 – t2). На этом интервале источник входного напряжения отключается от конденсатора и нагрузки, и конденсатор разряжается через сопротивления нагрузки R н.

Рис. 7.13. Временные диаграммы работы фильтра с однополупериодным выпрямителем

Если ёмкость достаточно велика, по разряд емкости через R н будет происходить с большой постоянной времени =R н С, и следовательно, уменьшение напряжение на конденсаторе будет небольшим, а эффект сглаживания – значительным. С другой стороны, чем больше емкость тем короче отрезок t1 – t2 в течении которого диод открыт и через него течет ток i  возрастающий (при заданном среднем токе нагрузки) при уменьшении разности t2 – t1. Такой режим работы может привести к выходу из строя выпрямительного диода, и, кроме того, является достаточно тяжелым и для трансформатора.

При использовании двухполупериодных выпрямителей величина пульсаций на выходе емкостного фильтра уменьшается, поскольку конденсатор за время между появлением импульсов на меньшую величину, что хорошо иллюстрируется рис. 7.14.

Рис. 7.14. Сглаживание пульсаций двухполупериодного выпрямителя

Для расчета величины пульсаций на выходе емкостного фильтра произведем аппроксимацию пульсаций выходного напряжения пилообразной кривой ток, как это показано на рис. 7.15.

Рис. 7.15. Аппроксимация напряжения пульсаций

Изменение заряда на конденсаторе определяется выражением

∆Q=∆UC=I н Т 1 ,

где Т 1 – период пульсаций, I н – среднее значение тока нагрузки. С учетом того, что I н = И ср / R н, получаем

.

Из рис. 7.15 следует, что

при этом двойная амплитуда пульсаций определяется выражением

.

Сглаживающими свойствами обладают и индуктивные фильтры, причем лучшими сглаживающими свойствами обладают фильтры, содержащие индуктивность и емкость, соединенные так, как показано на рис. 7.16.

Рис. 7.16. Сглаживающий фильтр с индуктивностью и емкостью

В этой схеме емкость конденсатора выбирается таким образом, чтобы его реактивное сопротивление было значительно меньшим сопротивления нагрузки. Достоинством такого фильтра является то, что он уменьшает величину входной пульсации ∆U до величины
, гдеω - частота пульсаций.

На практике широкое распространение получили различные типы F - образных и П – образных фильтров, варианты построения которых представлены на рис. 7.17.

При небольших токах нагрузки хорошо работает F - образный выпрямитель, представленный на рис. 7.16.

Рис. 7.17. Варианты построения фильтра

В наиболее ответственных схемах используют многозвенные схемы фильтрации (рис. 7.17 г).

Часто дроссель заменяют резисторами, что несколько снижает качество фильтрации, но значительно удешевляет фильтры (рис. 7.17 б, в).

Основной внешней характеристикой выпрямителей с фильтром является зависимость среднего значения выходного напряжения U ср (напряжения на нагрузке) от среднего значения выходного тока.

В рассмотренных схемах увеличение выходного тока приводит к уменьшению U ср из-за увеличения падения напряжения на обмотках трансформатора, диодах, подводящих проводах, элементах фильтра.

Наклон внешней характеристики при заданном среднем токе определяют через выходное сопротивление R вых, определяемое по формуле:

I cр – задано. Чем меньше величина R вых, тем меньше выходное напряжение зависит от выходного тока, тем лучше схема выпрямителя с фильтром. На рис. 7.18 приведены типовые зависимости U ср от I ср для различных вариантов фильтрации.

Рис. 7.18. Типовые зависимости U ср от I ср для различных схем фильтрации

Читайте также: II. Снимается напряжение с КР в момент включения тяговых двигателей. III. Снялось напряжение с КР при пуске тяговых двигателей. IV. Снимается напряжение с КР при следовании на автоматической характеристике ТД. IV. Уравнение прямой, проходящей через данную точку в заданном направлении. Пучок прямых. А - регулярное; б –бигармоническое; в – блочное; г – случайное напряжение В таблице 2.1 U0 - выпрямленное напряжение, I0 – выпрямленный ток, – мощность нагрузки, - коэффициент трансформации. В трехфазной трехпроводной линии имеется три фазных провода. Напряжение между любой парой проводов называется линейным напряжением (Uл). В уголовном праве в зависимости от особенностей психического содержания выделяют прямой и косвенный умысел. В. Для обнаружения антител в реакции непрямой гемагглютинации

ВАХ диода.

(ВАХ) - график зависимости тока через двухполюсник от напряжения на этом двухполюснике. Чаще всего рассматривают ВАХ нелинейных элементов (степень нелинейности определяется коэффициентом нелинейности поскольку для линейных элементов ВАХ представляет собой прямую линию и не представляет особого интереса.

Нелинейность ВАХ обусловлена тем, что сопротивление НЭ зависит от приложенного напряжения (диоды, стабилитроны) или от тока (терморезисторы). ВАХ нелинейных элементов описывается уравнениями, степени которых выше первой. Т.к сопротивление НЭ величина переменная, то мгновенное значение тока в них не пропорциональны мгновенным значениям напряжения. (стр.117 методичка)

Прямой и обратный ток. Прямое и обратное напряжение.

Когда сопротивление р - n перехода мало, через диод течет ток, называемый прямым током . Чем больше площадь р - n перехода и напряжение источника питания, тем больше этот прямой ток. Если полюсы элемента поменять местами, диод окажется в закрытом состоянии. Образуется зона, обедненная электронами и дырками, она оказывает току очень большое сопротивление. Однако в этой зоне небольшой обмен носителями тока между областями диода все же будет происходить. Поэтому через диод пойдет ток, но во много раз меньший, чем прямой. Этот ток называют обратным током диода . Если диод включить в цепь с переменным током, он будет открываться при положительных полупериодах на аноде, свободно пропуская ток одного направления - прямой ток Iпр., и закрываться при отрицательных полупериодах на аноде, почти не пропуская ток противоположного направления - обратный ток Iобр. Напряжение, при котором диод открывается и через него идет прямой ток, называют прямым (Uпp.) , а напряжение обратной полярности, при котором диод закрывается и через него идет обратный ток, называют обратным (Uобр.) При прямом напряжении сопротивление диода хорошего качества не превышает нескольких десятков ом, при обратном же напряжении его сопротивление достигнет десятков, сотен килоом и даже мегаом.

Напряжение пробоя.

Диэлектрик, находясь в электрическом поле, теряет свои электроизоляционные свойства, если напряженность поля превысит некоторое критическое значение. Это явление носит название пробоя диэлектрика или нарушения его электрической прочности. Свойство диэлектрика противостоять пробою называется электрической прочностью (Епр). Напряжение, при котором происходит пробой изоляции, называют пробивным напряжением (Uпр).

Для выпрямления низкочастотных переменных токов, то есть для превращения переменного тока в постоянный или пульсирующий, служат , принцип действия которых основан на односторонней электронно-дырочной проводимости p-n-перехода. Диоды данного типа применяются в умножителях, выпрямителях, детекторах и т. д.

Производятся выпрямительные диоды с плоскостным либо с точечным переходом, причем площадь непосредственно перехода может составлять от десятых долей квадратного миллиметра до единиц квадратных сантиметров, в зависимости от номинального для данного диода выпрямленного за полупериод тока.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода имеет прямую и обратную ветви. Прямая ветвь ВАХ практически показывает связь тока через диод и прямого падения напряжения на нем, их взаимозависимость.

Обратная ветвь ВАХ отражает поведение диода при подаче на него напряжения обратной полярности, где ток через переход очень мал и практически не зависит от величины приложенного к диоду напряжения, пока не будет достигнут предел, при котором случится электрический пробой перехода и диод выйдет из строя.

Максимальное обратное напряжение диода - Vr

Первой и главной характеристикой выпрямительного диода является максимально допустимое обратное напряжение. Это то напряжение, приложив которое к диоду в обратном направлении, можно будет еще уверенно утверждать, что диод его выдержит, и что данный факт не скажется отрицательно на дальнейшей работоспособности диода. Но если данное напряжение превысить, то нет гарантии, что диод не будет пробит.

Данный параметр для разных диодов отличается, лежит он в диапазоне от десятков вольт до нескольких тысяч вольт. Например для популярного выпрямительного диода 1n4007 максимальное постоянное обратное напряжение равно 1000В, а для 1n4001 – составляет всего 50В.

Средний ток диода - If

Диод выпрямляет ток, поэтому следующей важнейшей характеристикой выпрямительного диода будет средний ток диода - средняя за период величина выпрямленного постоянного тока, текущего через p-n-переход. Для выпрямительных диодов данный параметр может составлять от сотен миллиампер до сотен ампер.

Например для выпрямительного диода 2Д204А максимальный прямой ток составляет всего 0,4А, а для 80EBU04 - целых 80А. Если средний ток окажется длительное время большим по величине, чем приведенное в документации значение, то нет гарантии что диод выживет.

Максимальный импульсный ток диода - Ifsm (единичный импульс) и Ifrm (повторяющиеся импульсы)

Максимальный импульсный ток диода - это пиковое значение тока, которое данный выпрямительный диод способен выдержать только определенное время, которое указывается в документации вместе с этим параметром. Например, диод 10А10 способен выдержать единичный импульс тока в 600А длительностью 8,3мс.

Что касается повторяющихся импульсов, то их ток должен быть таким, чтобы средний ток уложился бы в допустимый диапазон. Например, повторяющиеся прямоугольные импульсы с частотой 20кГц диод 80EBU04 выдержит даже если их максимальный ток составит 160А, однако средний ток должен оставаться не более 80А.

Средний обратный ток диода - Ir (ток утечки)

Средний обратный ток диода показывает средний за период ток через переход в обратном направлении. Обычно это значение меньше микроампера, максимум - единицы миллиампер. Для 1n4007, к примеру, средний обратный ток не превышает 5мкА при температуре перехода +25°С, и не превышает 50мкА при температуре перехода +100°С.

Среднее прямое напряжение диода - Vf (падение напряжения на переходе)

Среднее прямое напряжение диода при указанном значении среднего тока. Это то напряжение, которое оказывается приложено непосредственно к p-n-переходу диода при прохождении через него постоянного тока указанной в документации величины. Обычно не более долей, максимум - единиц вольт.

Например в документации для диода EM516 приводится прямое напряжение в 1,2В для тока в 10А, и 1,0В при токе 2А. Как видим, сопротивление диода нелинейно.

Дифференциальное сопротивление диода

Дифференциальное сопротивление диода выражает отношение приращения напряжения на p-n-переходе диода к вызвавшему это приращение небольшому приращению тока через переход. Обычно от долей Ома до десятков Ом. Его можно вычислить по графикам зависимости падения напряжения от прямого тока.

Например, для диода 80EBU04 приращение тока на 1А (от 1 до 2А) дает приращение падения напряжения на переходе в 0,08В. Следовательно дифференциальное сопротивление диода в этой области токов равно 0,08/1 = 0,08Ом.

Средняя рассеиваемая мощность диода Pd

Средняя рассеиваемая мощность диода - это средняя за период мощность, рассеиваемая корпусом диода, при протекании через него тока в прямом и обратном направлениях. Данная величина зависит от конструкции корпуса диода, и может варьироваться от сотен милливатт до десятков ватт.

Например, для диода КД203А средняя рассеиваемая корпусом мощность составляет 20 Вт, данный диод можно даже установить при необходимости на радиатор для отвода тепла.

Характеристики и параметры выпрямительных и универсальных диодов

Выпрямительные диоды служат для выпрямления переменного тока низкой частоты. В основе выпрямительных свойств этих диодов лежит принцип односторонней проводимости электронно-дырочных р-и-переходов.

Универсальные диоды используют в различной радиоэлектрон-ной аппаратуре в качестве выпрямителей переменного тока высоких и низких частот , умножителей и преобразователей частоты, детекто-ров больших и малых сигналов и т. д. Диапазон рабочих токов и напряжений выпрямительных и уни-версальных диодов очень широк, поэтому они выпускаются как с точечным так и плоскостным р-n-переходом в структуре полупроводника с площадями от десятых долей квад-ратного миллиметра до несколь-ких квадратных сантиметров. Обычно в универсальных диодах используются переходы с малыми площадями и емкостями, но с от-носительно высокими значениями прямых токов и обратных напря-жений. Этим требованиям удовлет-воряют точечные, микросплавные плоскостные и мезапланарные дио-ды. Характеристики и параметры универсальных диодов те же, что и у выпрямительных диодов.

Вольтамперная характеристи-ка (ВАХ) выпрямительных диодов выражает зависимость тока, про-ходящего через диод, от значения и полярности приложенного к нему постоянного напряжения Прямая ветвь характеристики показывает зависи-мость тока через диод при прямой пропускной полярности приложен-ного напряжения. Сила прямого тока экспоненциаль-но зависит от приложенного к диоду прямого напряжения и может достигать больших значений при малом (порядка 0,3 - 1 В) падении напряжения на диоде.

Обратная ветвь характеристики соответствует не-проводящему направлению тока через диод при обратной полярно-сти приложенного к диоду напряжения. Обратный ток (участок. ОД) незначительно зависит от приложенного обратного напряжения. При относительно большом обратном напряжении (точка В на характе-ристике) наступает электрический пробой р-n-перехода, при кото-ром быстро увеличивается обратный ток , что может привести к теп-ловому пробою и повреждению диода. При повышении температуры возрастут тепловой ток и ток генерации носителей зарядов в пере-ходе, что приведет к увеличению прямого и обратного токов и сме-щению характеристик диода.

Свойства и взаимозаменяемость диодов оценивают по их пара-метрам. К основным параметрам относят токи и напряжения, свя-занные с ВАХ Диоды применяют в цепях как переменного, так и постоянного тока. Поэтому для оценки свойств диодов наряду с параметрами на пользуются дифференциальными параметрами, ха-рактеризующими их работу на переменном токе.

Выпрямленный (прямой) ток Iпр представляет собой ток (сред-нее значение за период), проходящий через диод, при котором обес-печивается его надежная и длительная работа . Сила этого тока ог-раничивается разогревом или максимальной мощностью Рмакс. Пре-вышение прямого тока ведет к тепловому пробою и повреждению диода.

• Прямое падение напряжения UПр.Ср - среднее значение за пери-од на диоде при прохождении через него допустимого прямого тока.
• Допустимое обратное напряжение U0бр -среднее значение за период, при котором обеспечивается надежная и длительная работа диода. Превышение обратного напряжения приводит к пробою и вы-ходу диодов из строя. При повышении температуры значения об-ратного напряжения и прямого тока снижаются.
• Обратный ток Iобр - среднее значение за период обратного то-ка при допустимом Uобр. Чем меньше обратный ток, тем лучше

Вы-прямительные свойства диода. Повышение температуры на каждые 10 °С приводит к увеличению обратного тока у германиевых « крем-ниевых диодов, в 1,5 - 2 раза и более.

Максимальная постоянная , или средняя за период мощность Pмакс, рассеиваемая диодом, при которой диод может длительно ра-ботать, не изменяя своих параметров. Эта мощность складывается из суммы произведений токов и напряжений при прямом и обрат-ном смещениях перехода, т. е. за положительный и отрицательный полупериоды переменного тока. Для приборов большой мощности, работающих с хорошим теплоотводом, Pмакс=(Tп.макс - Тк)/Rпк. Для приборов малой мощности , работающих без теплоотвода,

Pмакс = (Tп.макс - Т с) /Rп.с.

Максимальная температура перехода Гп.макс зависит от мате-риала (ширины запрещенной зоны) полупроводника и степени его легирования, т. е. от удельного сопротивления области р-n-перехода - базы. Диапазон Гп.макс для германия лежит в пределах 80 - 110°С, а для кремния 150 - 220 °С.

Тепловое сопротивление Rп.к между переходом и корпусом оп-ределяется температурным перепадом между переходом Тпи кор-пусом Tк и средней выделяемой в переходе мощностью Ра и состав-ляет 1 - 3°С/Вт: Ra.K=(Ta - TK)/Pa. Тепловое сопротивление Rn c между переходом и окружающей средой зависит от температурного перепада между переходом Тп и окружающей средой Тс. Поскольку практически RПK

Предельный режим использования диодов характеризуют мак-симально допустимое обратное напряжение UОбр макс, максимальный выпрямительный ток IПр макс и максимальная темпера-тура перехода ТПмакс С повышением частоты переменного напряжения, подводимого к диоду, ухудшаются его выпрямительные свойства. Поэтому для определения свойств выпрямительных диодов обычно оговаривается диапазон рабочих частот Дf или максимальная частота выпрямле-ния fмакс На частотах, больших fмакс, не успевают скомпенсироваться накопленные за время прямого полупериода неосновные носите-ли заряда в базе, поэтому при обратном полупериоде выпрямляемо-го напряжения переход некоторое время остается прямосмещенным (т е теряет свои выпрямительные свойства). Это свойство прояв-ляется тем значительнее, чем больше импульс прямого тока или вы-ше частота подводимого переменного напряжения Кроме того, на высоких частотах начинает проявляться шунтирующее действие барьерной и диффузионной емкостей p-n-перехода, снижающих его выпрямительные свойства

При расчете режима выпрямителей используются статическое со-противление постоянному току и дифференциальное сопротивление диодов переменному току

• Дифференциальное сопротивление переменному току rдиф=dU/dI или rДиф=ДU/ДI определяет изменение тока через диод при изменении напряжения вблизи выбранной рабочей точки на харак-теристике диода. При прямом включении напряжения rдиф Пр=0,026/ /IПр и токе IПр>10 мА оно составляет несколько омов При под-ключении обратного напряжения rДИф обр велико (от десятков ки-лоомов до нескольких мегаомов).
• Статическое сопротивление диода постоянному току гпрд = UПр/Iпр, rобр д = Uобр/Iобр В Области прямых токов rПр д>rдиф пр, а в области обратных r0бр д

Емкости диодов оказывают существенное влияние на их работу на высоких частотах и в импульсных режимах. В паспортных дан-ных диодов обычно приводится общая емкость диода Сд, которая помимо барьерной и диффузионной включает емкость корпуса при-бора Эту емкость измеряют между внешними токоотводами диода при заданных обратном напряжении смещения и частоте тока

Полупроводниковый диод - это полупроводниковый прибор с одним p-n переходом и с двумя электродами. Принцип действия полупроводникового диода основан на явлении p-n перехода, поэтому для дальнейшего изучения любых полупроводниковых приборов нужно знать как работает.

Выпрямительный диод (также называют вентилем) - это разновидность полупроводникового диода который служит для преобразования переменного тока в постоянный.

У диода есть два вывода (электрода) анод и катод. Анод присоединён к p слою, катод к n слою. Когда на анод подаётся плюс, а на анод минус (прямое включение диода) диод пропускает ток. Если на анод подать минус, а на катод плюс (обратное включение диода) тока через диода не будет это видно из вольт амперной характеристики диода. Поэтому когда на вход выпрямительного диода поступает переменное напряжение через него проходит только одна полуволна.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода.

Вольт-амперная характеристика диода показана на рис. I. 2. В первом квадранте показана прямая ветвь характеристики, описывающая состояние высокой проводимости диода при приложенном к нему прямом напряжении, которая линеаризуется кусочно-линей­ной функцией

u = U 0 +R Д i

где: u - напряжение на вентиле при прохождении тока i; U 0 - пороговое напряжение; R д - динамическое сопротивление.

В третьем квадранте находится обратная ветвь вольт-амперной характеристики, описывающая состояние низкой проводимости при проложенном к диоду обратном напряжении. В состоянии низкой проводимости ток через полупроводниковую структуру практически не протекает. Однако это справедливо только до определённого значения обратного напряжения. При обратном напряжении, когда напряженность электрического поля в p-n переходе достигает порядка 10 s В/см, это поле может сообщить подвижным носителям заряда - электронам и дыркам, постоянно возникающим во всем объеме полупроводниковой структуры в результате термической генерации,- кинетическую энергию, достаточную для ионизации нейтральных атомов кремния. Образовавшиеся дырки и электроны проводимости, в свою очередь, ускоряются электрическим полем p-n перехода и также ионизируют нейтральные атомы кремния. При этом происходит лавинообразное нарастание обратного тока, .т. е. лавинный пробои.

Напряжение, при котором происходит резкое повышение обратного тока, называется напряжением пробоя U 3 .

ТЕМА 3. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Полупроводниковый диод – это электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами, в котором используются свойства р-n- перехода.

Полупроводниковые диоды классифицируются:

1) по назначению: выпрямительные, высокочастотные и сверхвысокочастотные (ВЧ- и СВЧ- диоды), импульсные, полупроводниковые стабилитроны (опорные диоды), туннельные, обращенные, варикапы и др.;

2) по конструктивно – технологическим особенностям: плоскостные и точечные;

3) по типу исходного материала: германиевые, кремниевые, арсенидо - галлиевые и др.

Рисунок 3.1 – Устройство точечных диодов

В точечном диоде используется пластинка германия или кремния с электропроводностью n- типа (рис.3.1), толщиной 0,1…0,6мм и площадью 0,5…1,5 мм2; с пластинкой соприкасается заостренная проволочка (игла) с нанесенной на нее примесью. При этом из иглы в основной полупроводник диффундируют примеси, которые создают область с другим типом электропроводности. Таким образом, около иглы образуется миниатюрный р-n- переход полусферической формы.

Для изготовления германиевых точечных диодов к пластинке германия приваривают проволочку из вольфрама, покрытого индием. Индий является для германия акцептором. Полученная область германия р- типа является эмиттерной.

Для изготовления кремниевых точечных диодов используется кремний n- типа и проволочка, покрытая алюминием, который служит акцептором для кремния.

В плоскостных диодах р-n- переход образуется двумя полупроводниками с различными типами электропроводности, причем площадь перехода у различных типов диодов лежит в пределах от сотых долей квадратного миллиметра до нескольких десятков квадратных сантиметров (силовые диоды).

Плоскостные диоды изготовляются методами сплавления (вплавления) или диффузии (рис. 3.2).

Рисунок 3.2 – Устройство плоскостных диодов, изготовленных сплавным (а) и диффузионным методом (б)

В пластинку германия n- типа вплавляют при температуре около 500°С каплю индия (рис. 3.2, а) которая, сплавляясь с германием, образует слой германия р- типа. Область с электропроводностью р- типа имеет более высокую концентрацию примеси, нежели основная пластинка, и поэтому является эмиттером. К основной пластинке германия и к индию припаивают выводные проволочки, обычно из никеля. Если за исходный материал взят германий р- типа, то в него вплавляют сурьму и тогда получается эмиттерная область n- типа.

Диффузионный метод изготовления р-n- перехода основан на том, что атомы примеси диффундируют в основной полупроводник (рис. 3.2, б). Для создания р- слоя используют диффузию акцепторного элемента (бора или алюминия для кремния, индия для германия) через поверхность исходного материала.

3.1 Выпрямительные диоды

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

Выпрямительные диоды выполняются на основе р-n- перехода и имеют две области, одна из них является более низкоомной (содержит большую концентрацию примеси), и называется эмиттером. Другая область, база – более высокоомная (содержит меньшую концентрация примеси).

В основе работы выпрямительных диодов лежит свойство односторонней проводимости р-n- 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.

Как известно, прямой ток диода создается основными, а обратный – не основными носителями заряда. Концентрация основных носителей заряда на несколько порядков превышает концентрацию не основных носителей, чем и обусловливаются вентильные свойства диода.

Основными параметрами выпрямительных полупроводниковых диодов являются:

· прямой ток диода Iпр, который нормируется при определенном прямом напряжении (обычно Uпр = 1…2В);

· максимально допустимый прямой ток Iпр мах диода;

· максимально допустимое обратное напряжение диода Uобр мах, при котором диод еще может нормально работать длительное время;

· постоянный обратной ток Iобр, протекающий через диод при обратном напряжении, равном Uобр мах;

· средний выпрямленный ток Iвп.ср, который может длительно проходить через диод при допустимой температуре его нагрева;

· максимально допустимая мощность Pмах, рассеиваемая диодом, при которой обеспечивается заданная надежность диода.

По максимально допустимому значению среднего выпрямленного тока диоды делятся на маломощные (Iвп.ср £ 0,3А), средней мощности (0,3А 10А).

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

Рисунок 3.3 – Изменение вольт - амперной характеристики полупроводникового диода от температуры: а − для германиевого диода; б − для кремниевого диода

Падение напряжения при пропускании прямого тока у германиевых диодов составляет DUпр = 0,3…0,6В, у кремниевых диодов − DUпр = 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 р-n- 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 р-n- переход.

При повышении температуры р-n- 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) р-n- перехода. Большинство диодов может надежно работать при обратных напряжениях, не превышающих (0,7…0,8)Uпроб.

Допустимое обратное напряжение германиевых диодов достигает − 100…400В, а кремниевых диодов − 1000…1500В.

В ряде мощных преобразовательных установок требования к среднему значению прямого тока, обратного напряжения превышают номинальное значение параметров существующих диодов. В этих случаях задача решается параллельным или последовательным соединением диодов.

Параллельное соединение диодов применяют в том случае, когда нужно получить прямой ток, больший предельного тока одного диода. Но если диоды одного типа просто соединить параллельно, то вследствие несовпадения прямых ветвей ВАХ они окажутся различно нагруженными и, в некоторых прямой ток будет больше предельного.

Рисунок 3.4 – Параллельное соединение выпрямительных диодов

Для выравнивания токов используют диоды с малым различием прямых ветвей ВАХ (производят их подбор) или последовательно с диодами включают уравнительные резисторы с сопротивлением в единицы Ом. Иногда включают дополнительные резисторы (рис. 3.4, в) с сопротивлением, в несколько раз большим, чем прямое сопротивление диодов, для того чтобы ток в каждом диоде определялся главным образом сопротивлением Rд, т.е. Rд>>rпр вд. Величина Rд составляет сотни Ом.

Последовательное соединение диодов применяют для увеличения суммарного допустимого обратного напряжения. При воздействии обратного напряжения через диоды, включенные последовательно, протекает одинаковый обратный ток Iобр. однако ввиду различия обратных ветвей ВАХ общее напряжение будет распределяться по диодам неравномерно. К диоду, у которого обратная ветвь ВАХ идет выше, будет приложено большее напряжение. Оно может оказаться выше предельного, что повлечет пробой диодов.

Рисунок 3.5 – Последовательное соединение выпрямительных диодов

Для того, чтобы обратное напряжение распределялось равномерно между диодами независимо от их обратных сопротивлений, применяют шунтирование диодов резисторами. Сопротивления Rш резисторов должны быть одинаковы и значительно меньше наименьшего из обратных сопротивлений диодов Rш 3.2 Стабилитроны

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 р-n- переходе при электрическом (лавинном или туннельном) пробое. Это связано с тем, что небольшое увеличение напряжения на р-n- 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 плоскостный 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 Uст (Uст = 1…1000В);

· минимальный Iст міn и максимальный Iст мах токи стабилизации (Iст міn» 1,0…10мА, Iст мах » 0,05…2,0А);

· максимально допустимая рассеиваемая мощность Рмах;

· дифференциальное сопротивление на участке стабилизации rд = DUст/DIст, (rд» 0,5…200Ом);

· температурный коэффициент напряжения на участке стабилизации:

TKU стабилитрона показывает на сколько процентов изменится стабилизирующее напряжение при изменении температуры полупроводника на 1°С

(TKU= −0,5…+0,2 %/°С).

Рисунок 3.6 – Вольт-амперная характеристика стабилитрона и его условное графическое обозначение

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

Стабилизацию низковольтного напряжения в пределах 0,3…1В можно получить при использовании прямой ветви ВАХ кремниевых диодов. Диод, в котором для стабилизации напряжения используется прямая ветвь ВАХ, называют стабистором. 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 +…

Параллельное соединение стабилитронов недопустимо, т.к. из-за разброса характеристик и параметров из всех параллельно соединенных стабилитронов ток будет возникать только в одном, имеющем наименьшее стабилизирующее напряжение Uст, что вызовет перегрев стабилитрона.

3.3 Туннельные и обращенные диоды

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 р-n- 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. Туннельный эффект состоит в том, что при достаточно малой высоте потенциального барьера возможно проникновение электронов через барьер без изменения их энергии.

Основные параметры туннельных диодов:

· пиковый ток Iп – прямой ток в точке максимума ВАХ;

· ток впадины Iв − прямой ток в точке минимума ВАХ;

· отношение токов туннельного диода Iп/Iв;

· напряжение пика Uп – прямое напряжение, соответствующее пиковому току;

· напряжение впадины Uв − прямое напряжение, соответствующее току впадины;

· напряжение раствора Uрр.

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

Рисунок 3.7 – Вольт-амперная характеристика туннельного диода

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 р-n- 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 р-n- 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.

Рисунок 3.8 – Вольт-амперная характеристика обращенного диода

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

3.4 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 Св – емкость при заданном обратном напряжении (Св = 10…500 пФ);

· коэффициент перекрытия по емкости; (Кс = 5…20) – отношение емкостей варикапа при двух заданных значениях обратных напряжений.

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

Рисунок 3.9 – Вольт-фарадная характеристика варикапа

3.5 Расчет электрических цепей с полупроводниковыми диодами.

В практических схемах в цепь диода включается какая-либо нагрузка, например резистор (рис. 3.10, а). Прямой ток проходит тогда, когда анод имеет положительный потенциал относительно катода.

Режим диода с нагрузкой называют рабочим режимом. Если бы диод обладал линейным сопротивлением, то расчет тока в подобной схеме не представлял бы затруднений, так как общее сопротивление цепи равно сумме сопротивления диода постоянному току Rо и сопротивления нагрузочного резистора Rн. Но диод обладает нелинейным сопротивлением, и значение Rо у него изменяется при изменении тока. Поэтому расчет тока делают графически. Задача состоит в следующем: известны значения Е, Rн и характеристика диода, требуется определить ток в цепи I и напряжение на диоде Uд.

Рисунок 3.10

Характеристику диода следует рассматривать как график некоторого уравнения, связывающего величины I и U. А для сопротивления Rн подобным уравнением является закон Ома:

(3.1)

Итак, имеются два уравнения с двумя неизвестными I и U, причем одно из уравнений дано графически. Для решения такой системы уравнений надо построить график второго уравнения и найти координаты точки пересечения двух графиков.

Уравнение для сопротивления Rн – это уравнение первой степени относительно I и U. Его графиком является прямая линия называемая линией нагрузки. Она строится по двум точкам на осях координат. При I= 0 из уравнения (3.1) получаем: Е − U= 0 или U= Е, что соответствует точке А на рис. 3.10, б. А если U= 0, то I= E/Rн. откладываем этот ток на оси ординат (точка Б). через точки А и Б проводим прямую, которая является линией нагрузки. Координаты точки D дают решение поставленной задачи.

Следует отметить, что графический расчет рабочего режима диода можно не делать, если Rн >>Rо. В этом случае допустимо пренебречь сопротивлением диода и определять ток приближенно: I»E/Rн.

Рассмотренный метод расчета постоянного напряжения можно применить для амплитудных или мгновенных значений, если источник дает переменное напряжение.

Поскольку полупроводниковые диоды хорошо проводят ток в прямом направлении и плохо в обратном, то большинство полупроводниковых диодов применяется для выпрямления переменного тока.

Простейшая схема для выпрямления переменного тока показана на рис. 3.11. В ней последовательно соединен источник переменного ЭДС – е, диод VD и нагрузочный резистор Rн. Эта схема называется однополупериодной.

Работа простейшего выпрямителя происходит следующим образом. В течение одного полупериода напряжение для диода является прямым и проходит ток, создающий на резисторе Rн падение напряжения UR. В течение следующего полупериода напряжение является обратным, тока практически нет и UR= 0. Таким образом, через диод, нагрузочный резистор проходит пульсирующий ток в виде импульсов, длящихся полпериода. Этот ток называют выпрямленным током. Он создает на резисторе Rн выпрямленное напряжение. Графики на рис. 3.11, б иллюстрируют процессы в выпрямителе.

Рисунок 3.11

Амплитуда положительных полуволн на диоде очень мала. Это объясняется тем, что когда проходит прямой ток, то большая часть напряжения источника падает на нагрузочном резисторе Rн, сопротивление которого значительно превышает сопротивление диода. В этом случае

Для обычных полупроводниковых диодов прямое напряжение не более 1…2В. Например, пусть источник имеет действующее напряжение Е=200В и . Если Uпр max= 2В, то URmax= 278В.

При отрицательной полуволне подводимого напряжения тока практически нет и падение напряжения на резисторе Rн равно нулю. Все напряжение источника приложено к диоду и является для него обратным напряжением. Таким образом, максимальное значение обратного напряжения равно амплитуде ЭДС источника.

Простейшая схема применения стабилитрона приведена на рис. 3.12, а. Нагрузка (потребитель) включена параллельно стабилитрону. Поэтому, в режиме стабилизации, когда напряжение на стабилитроне почти постоянно, такое же напряжение будет и на нагрузке. Обычно Rогр рассчитывают для средней точки Т характеристики стабилитрона.

Рассмотрим случай, когда Е = const, а Rн изменяется в пределах от Rн min до Rн max..

Значение Rогр можно найти по следующей формуле:

(3.3)

где Iср = 0,5(Iст min+Iст max) – средний ток стабилитрона;

Iн = Uст/Rн – ток нагрузки (при Rн = const);

Iн.ср = 0,5(Iн min+Iн max), (при Rн = var),

причем и .

Рисунок 3.12

Работу схемы в данном режиме можно объяснить так. Поскольку Rогр постоянно и падение напряжения на нем, равное (Е − Uст), также постоянно, то и ток в Rогр, равный (Iст + Iн.ср), должен быть постоянным. Но последнее возможно только в том случае, если ток стабилитрона I и ток нагрузки Iн изменяются в одинаковой степени, но в противоположные стороны . Например, если Iн увеличивается, то ток I на столько же уменьшается, а их сумма остается неизменной.

Принцип действия стабилитрона рассмотрим на примере цепи, состоящей из последовательно соединенного источника переменной ЭДС – е, стабилитрона VD и резистора R (рис. 3.13, а).

В положительный полупериод на стабилитрон подается обратное напряжение, и до величины напряжения пробоя стабилитрона все напряжение прикладывается к стабилитрону, так как ток в цепи равен нулю. После электрического пробоя стабилитрона напряжение на стабилитроне VDостается без изменений и все оставшееся напряжение источника ЭДС будет приложено к резистору R. В отрицательный полупериод стабилитрон включен в проводящем направлении, падение напряжения на нем порядка 1В, а оставшееся напряжение источника ЭДС приложено к резистору R.

Полупроводниковый диод – это полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами, в котором используется то или иное свойство электрического перехода. В качестве электрического перехода может использоваться электронно-дырочный переход, контакт металл-полупроводник или гетеропереход.

Область полупроводникового кристалла диода, имеющая более высокую концентрацию примесей (следовательно, и основных носителей заряда), называется эмиттером, а другая, с меньшей концентрацией, – базой. Сторону диода, к которой при прямом включении подключается отрицательный полюс источника питания, часто называют катодом, а другую – анодом.

По назначению диоды делятся на:

1. выпрямительные (силовые), предназначенные для преобразования переменного напряжения источников питания промышленной частоты в постоянное;

2. стабилитроны (опорные диоды), предназначенные для стабилизации напряжений, имеющие на обратной ветви ВАХ участок со слабой зависимостью напряжения от протекающего тока:

3. варикапы, предназначенные для использования в качестве емкости, управляемой электрическим напряжением;

4. импульсные, предназначенные для работы в быстродействующих импульсных схемах;

5. туннельные и обращенные, предназначенные для усиления, генерирования и переключения высокочастотных колебаний;

6. сверхвысокочастотные, предназначенные для преобразования, переключения, генерирования сверхвысокочастотных колебаний;

7. светодиоды, предназначенные для преобразования электрического сигнала в световую энергию;

8. фотодиоды, предназначенные для преобразования световой энергии в электрический сигнал.

Система и перечень параметров, включаемые в технические описания и характеризующие свойства полупроводниковых диодов, выбираются с учетом их физико-технологических особенностей и области применения. В большинстве случаев важны сведения об их статических, динамических и предельных параметрах.

Статические параметры характеризуют поведение приборов при постоянном токе, динамические – их частотно-временные свойства, предельные параметры определяют область устойчивой и надежной работы.

1.5. Вольтамперная характеристика диода

Вольтамперная характеристика (ВАХ) диода аналогична вольтамперной характеристике p-n -перехода и имеет две ветви – прямую и обратную.

ВАХ диода представлена на рисунке 5.

Если диод включен в прямом направлении ("+" – к области р , а "-" – к областиn ), то при достижении порогового напряженияU пор диод открывается и через него протекает прямой ток. При обратном включении ("-" к областир , а "+" – к областиn ) через диод протекает незначительный обратный ток, то есть фактически диод закрыт. Следовательно, можно считать, что диод пропускает ток только в одном направлении, что позволяет использовать его в качестве выпрямительного элемента.

Значения прямого и обратного токов отличаются на несколько порядков, а прямое падение напряжения не превышает единиц вольт по сравнению с обратным напряжением, которое может составлять сотни и более вольт. Выпрямительные свойства диодов тем лучше, чем меньше обратный ток при заданном обратном напряжении и чем меньше падение напряжения при заданном прямом токе.

Параметрами ВАХ являются: динамическое (дифференциальное) сопротивление диода переменному току и статическое сопротивление постоянному току.

Статическое сопротивление диода постоянному току в прямом и обратном направлении выражается соотношением:

, (2)

где U иI задают конкретные точки на ВАХ диода, в которых производится вычисление сопротивления.

Динамическое сопротивление переменному току определяет изменение тока через диод с изменением напряжения вблизи выбранной рабочей точки на характеристике диода:

. (3)

Поскольку типичная ВАХ диода имеет участки с повышенной линейностью (один на прямой ветви, один – на обратной), r д вычисляется как отношение малого приращения напряжения на диоде к малому приращению тока через него при заданном режиме:

. (4)

Чтобы вывести выражение для r д, удобнее принять в качестве аргумента токI , а напряжение считать его функцией и, логарифмируя уравнение (1), привести его к виду:

. (5)

. (6)

Отсюда следует, что с ростом прямого тока r д быстро уменьшается, так как при прямом включении диодаI >>I S .

На линейном участке ВАХ при прямом включении диода статическое сопротивление всегда больше динамического сопротивления: R ст >r д. При обратном включении диодаR ст r д.

Таким образом, электрическое сопротивление диода в прямом направлении намного меньше, чем в обратном. Следовательно, диод обладает односторонней проводимостью и используется для выпрямления переменного тока.