Неуправляемые вентили

Рис. 1.1. Структура полупроводникового диода (а);
графическое обозначение диода (б)

Диоды классифицируют по различным признакам. По основному полупроводниковому материалу различают диоды кремниевые, германиевые и из арсенида галлия. По физической природе процессов, обуславливающих основную функцию диодов, их классифицируют на туннельные, фотодиоды, светодиоды и другие. По назначению диоды делятся на выпрямительные, импульсные, стабилитроны, варикапы и т.д. По технологии изготовления p-n- перехода различают диоды сплавные и диффузионные, по типу p-n -перехода - точечные и плоскостные.

В качестве вентилей энергетической электроники используются плоскостные диоды. Эти диоды имеют плоский p-n -переход. Его линейные размеры, определяющие площадь, значительно больше ширины р-n -перехода. Площадь перехода может достигать нескольких десятков квадратных сантиметров. Переход выполняют в основном методами вплавления или диффузии (рис. 1.2).

Плоскостные диоды используются для работы на частотах до 10 кГц. Ограничение по частоте связано с большой барьерной емкостью р-n -перехода (до десятков пикофарад).

 Современные мощные плоскостные выпрямительные диоды, применяемые в качестве вентильных элементов устройств энергетической электроники, рассчитаны на токи до 10 кА и напряжения до 10 кВ.

Рис. 1.2. Конструкция плоскостного диода:

1-пластина полупроводника; 2-металлический элемент

Вентильные свойства диодов обеспечиваются односторонней проводимостью p-n -перехода. Свойство односторонней проводимости выражено тем ярче, чем меньше обратный ток диода. Для уменьшения обратного тока снижают концентрацию неосновных носителей за счет высокой степени очистки исходного полупроводника. Обычно применяют полупроводники, в которых на 10⁹-10¹⁰ атомов основного элемента приходится один атом примеси.

Характеристики реальных диодов несколько отличны от вольт-амперных характеристик p-n -перехода. Их вид зависит от рода основного полупроводникового материала, площади p-n -перехода, температуры. У кремниевых диодов начальный участок прямой ветви ВАХ значительно более пологий, чем у германиевых. Напряжение на открытом кремниевом диоде равно 0.6–0.8 В, а на германиевом – 0.2–0.3 В.

Особенно сильное влияние температура оказывает на обратную ветвь характеристики. В германиевых диодах увеличение температуры на десять градусов вызывает увеличение обратного тока в два раза, в кремниевых диодах - в два с половиной раза. С ростом обратного тока увеличивается нагрев р-n -перехода, что может привести к тепловому пробою. Верхний придел рабочих температур для германиевых диодов составляет 85-100 °С, для кремниевых - до 200 °С.

К выпрямительному диоду в общем случае может быть приложено как постоянное, так и переменное напряжение, поэтому для описания работы диода в первом случае используют статические характеристики и параметры, во втором случае - динамические.

Статические параметры: среднее за период значение выпрямленного тока; среднее за период значение обратного тока; средняя за период мощность, рассеиваемая диодом; максимально допустимое обратное напряжение диода; дифференциальное сопротивление диода, т.е. R _диф – отношение малого приращения напряжения к малому приращению тока (дифференциальное

сопротивление может изменяться от единиц до нескольких сотен Ом).

Динамические параметры: дифференциальное сопротивление r_д = dU/dl, общая емкость диода С, граничная частота f _гр (частота на которой выпрямленный ток уменьшается в √2 раз);  время установления прямого напряжения;время обратного восстановления (интервал времени, необходимый для полного прекращения тока после снятия прямого напряжения). Диоды с быстрым восстановлением имеют время обратного восстановления в диапазоне 100 – 250 нс, а диоды с ультрабыстрым восстановлением – 25-50 нс.

Силовые диоды большой мощности производятся на основе так называемой p-i–n -структуры. Между слоями с проводимостью p- и n -типов расположен дополнительный слаболегированный слой кремния с собственной проводимостью. Этот слой называют i– областью, от английского intrinsic – собственный. Использование такой структуры повышает максимально допустимое обратное напряжение. У p-i–n -диодов оно может достигать 1000 В. За счет включения дополнительного слаболегированного слоя прямое

напряжение p-i–n -диодов выше, чем у обычных диодов с p–n -переходом.

Оно составляет приблизительно 0.8 В.

 Диоды Шоттки

Диоды с барьером Шоттки (диоды Шоттки) названы по имени немецкого ученого В. Шоттки. В диодах этого типа выпрямительный переход создается слоем металла (обычно золота, платины, алюминия или палладия), нанесенного на поверхность слаболегированного полупроводника. Этот переход ведет себя как диод; проводит электрический ток в одном направлении (от металлического анода к полупроводниковому катоду) и действует как разомкнутая цепь в другом направлении. Инжекция неосновных носителей в базу в таких диодах отсутствует, так как токобразуется только электронами, движущимися из кремния в металл. По этойпричине у диодов Шоттки отсутствует накопление зарядов в базе и времяпереключения значительно меньше, чем время переключения биполярногодиода. У таких диодов практически отсутствует эффект прямого илиобратного восстановления.

Другая важная особенность барьера Шоттки – меньшее прямое напряжение, чем прямое напряжение кремниевого p–n -перехода при той же

величине тока. Прямое напряжение кремниевых диодов Шоттки составляет

0.2 – 0.45 В. Недостатком диодов Шоттки по сравнению с биполярными

диодами является их больший обратный ток, а также меньшее напряжение

пробоя. Обратный ток имеет экспоненциальную зависимость от температуры

и возрастает при повышении обратного напряжения.

Диоды Шоттки, имеющие высокое обратное напряжение, производятна основе арсенида галлия или карбида кремния. Пиковое обратное напряжение арсенид-галлиевых диодов достигает 300 В. Прямое падениенапряжения таких диодов составляет обычно 0.8 В. Максимальное обратное напряжение диодов Шоттки на основе карбида кремния превышает 1000 В.