Назначение, конструкция, основные параметры выпрямительных диодов

   Выпрямительные диоды – это полупроводниковые приборы, предназначенные для преобразования переменного электрического тока в постоянный ток.

  Выпрямительный диод состоит из кристалла полупроводника с p – n  переходом, заключённого в металлический или пластмассовый корпус и двух выводов от n и p областей. Основные свойства выпрямительного диода определяются свойствами  p – n перехода. Работа выпрямительного диода в электрической схеме достаточно полно определяется его вольт-амперная характеристика (ВАХ). ВАХ – это зависимость тока, проходя-щего через прибор, от приложенного внешнего напряжения (рис.5.1.).

       Условное графическое изображение выпрямительного диода показано на рис. 5.2.

  Анализ ВАХ позволяет сделать вывод, что германиевый выпрями-тельный диод используется при обработке сигналов малой амплитуды (доли В). Кремниевые диоды используются при амплитудах сигнала более 0,4В.

  Кремниевые диоды применяют чаще германиевых, особенно, когда не допустим обратный ток. Кроме того, они сохраняют работоспособ- ность при температуре до + 125°С ÷ 150°С, тогда как германиевые диоды могут работать при температуре до +70°С.

                  Основные параметры выпрямительного диода:

- постоянное прямое напряжение , измеренное при определённом постоянном прямом токе .

- постоянный обратный ток , измеренный при определённом посто-янном обратном напряжении .

- максимально допустимое постоянное обратное напряжение .

- максимально допустимый средний прямой ток , который, обычно, определяют, как средний за период прямой ток в схеме однополупериодного выпрямителя.

                     

   Рис. 5.1.   ВАХ кремневого и германиевого диодов.

                            

Рис. 5.2. Условное графическое изображение выпрямительного диода.

        2. ВАХ выпрямительного диода, электрический пробой.

   Характеристика для прямого тока вначале имеет значительную нелинейность, т.е. при увеличении прямого напряжения сопротивление запирающего слоя уменьшается. Поэтому кривая идёт со  всё большей крутизной (рис.5.3.). Но при напряжении в десятые доли вольта запирающий слой практически исчезает и остаётся только сопротивле-ние n и p областей, которое можно считать постоянным. Далее характеристика становится почти линейной. Небольшая нелинейность объясняется тем, что при увеличении тока n и p области нагреваются и от этого их сопротивление уменьшается.

  Обратный ток при увеличении обратного напряжения сначала быстро растёт. Это вызвано тем, что уже при небольшом обратном напряжении за счёт повышения потенциального барьера в переходе резко снижается ток диффузии, который направлен навстречу току проводимости. Полный ток:

                                    =  -                                                (5.1.)

резко возрастает.

  Однако при дальнейшем увеличении обратного напряжения ток растёт незначительно. Рост тока происходит вследствие нагрева перехода, за счёт утечки по поверхности, а также за счёт лавинного

                     

                 Рис. 5.3. ВАХ выпрямительного диода.

размножения носителей заряда, т.е. возрастает число носителей заряда в результате ударной ионизации. Явление ударной ионизации состоит в том, что при более высоком обратном напряжении электроны приоб-ретают большую скорость и, ударяя в атомы кристаллической решётки, выбивают из них новые электроны, которые, в свою очередь, разго-няются полем и также выбивают из атомов электроны. Такой процесс усиливается с возрастанием напряжения.

  При некотором значении обратного напряжения (рис. 5.3) возни-кает пробой p – n перехода, при котором обратный ток резко возрас-тает и сопротивление запирающего слоя резко падает. Следует различать электрический и тепловой пробой p – n перехода. Участок АБВ (рис. 5.3.) характеристики является обратимым, т.е. при этом пробое в переходе не происходит необратимых изменений (разрушения структуры вещества). Поэтому работа диода в режиме электрического пробоя допустима.

        Могут существовать два вида электрического пробоя:

- лавинный

- туннельный.

  Лавинный пробой объясняется лавинным размножением носителей за счёт ударной ионизации и за счёт вырывания электронов из атомов сильным электрическим полем. Этот пробой характерен для p – n переходов большой толщины, получившийся при сравнительно малой концентрации примесей в полупроводнике. Напряжение пробоя при лавинном пробое составляет десяти – сотни вольт.

  Туннельный пробой объясняется явлением туннельного  эффекта. Суть этого явления: при поле напряжённостью В/см, действующим на p – n переходе малой толщины, некоторые электроны проникают через переход без изменения своей энергии. Такие переходы, в кото-рых возможен туннельный эффект, получаются при высокой концентрации примесей. Пробивное напряжение при этом не превышает единиц вольт.

  Область теплового пробоя (участок ВГ). Тепловой пробой необратим, так как он сопровождается разрушением структуры вещества в месте p – n перехода. Причина теплового пробоя – наруше-ние устойчивости теплового режима p – n перехода. Это означает, что количество теплоты, выделяющейся в переходе от нагрева его обратным током, превышает количество теплоты отводимой от перехода. В результате температура перехода растёт, сопротивление уменьшается и ток возрастает, что приводит к перегреву перехода  и его тепловому разрушению.

   ЛЕКЦИЯ 12  ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ.

                       3. Ёмкость p – n перехода.

    P – n переход при обратном напряжении аналогичен конденсатору со значительным током утечки в диэлектрике. Запирающий слой имеет высокое сопротивление и играет роль диэлектрика, а по обе его стороны расположены два разноимённых объёмных заряда +  и - , которые созданы ионизированными атомами донорной и акцепторной примеси. Поэтому p – n переход обладает ёмкостью, подобной конденсатору. Эту ёмкость называют барьерной ёмкостью. При постоянном напряжении она определяется по формуле:

                                        =                                               (5.2)

  При переменном напряжении она определяется по формуле:

                                        =                                         (5.3)

  Барьерная ёмкость, как и ёмкость обычных конденсаторов, увеличи-вается при увеличении площади p – n перехода, диэлектрической про-ницаемости полупроводника и уменьшении толщины запирающего слоя. В зависимости от площади перехода значение барьерной ёмкости составляет единицы - сотни πФ.   Особенность барьерной ёмкости состоит в  том, что она не линейна, т.е. изменяется при изменении напряжения на переходе. Если обратное напряжение растёт, то толщина запирающего слоя возрастает, и ёмкость   уменьшается. Характер этой зависимости показан на рис. 5.4. Как видно из рисунка, под влиянием обратного напряжения барьерная ёмкость изменяется в несколько раз.

       Барьерная ёмкость вредно влияет на выпрямление переменного тока, т.к. шунтирует диод и через неё на более высоких  частотах проходит переменный ток. Однако, барьерная ёмкость бывает полезной. Специальные диоды (варикапы) используют как конденсаторы переменной ёмкости для настройки колебательных контуров и других целей. В отличии от обычных конденсаторов переменной ёмкости, в которых ёмкость изменяют механическим путём, в варикапах это изменение достигается регулировкой обратного напряжения. Такую настройку называют электронной настройкой.  

 

             

Рис. 5.4. Зависимость барьерной ёмкости от обратного напряжения.

  При прямом напряжении диод, кроме барьерной ёмкости, обладает так называемой диффузионной ёмкостью которая также нелинейна.   характеризует накопление подвижных носителей заряда в n и p областях при прямом напряжении на переходе. Она существует только при прямом напряжении, когда носители заряда в большом количестве диффундируют через пониженный потенциал барьер и, не успев рекомбинировать, накапливаются в n и p областях. Так, например, если в некотором диоде p область является эмиттером, а n область – базой, то при подаче прямого напряжения из области p в n область через переход устремляется большое число дырок и в n области появляется положительный заряд. Одновременно под действием источника прямого напряжения из провода внешней цепи в n область входят электроны, и в этой области возникает отрицательный заряд. Дырки и электроны в n области не могут мгновенно рекомбинировать. Каждому значению прямого напряжения соответствует определённое значение двух равных разноимённых зарядов + и -   накоплен-ных   в n области за счёт диффузии носителей через переход:

                                         =                                     (5.4)

при переменном напряжении:

                                     =                                           (5.5)

  Диффузионная ёмкость значительно больше барьерной ёмкости, но использовать её не удаётся, так как она зашунтирована малым прямым сопротивлением самого диода.

 

                    4. Температурные свойства диодов.

     На электропроводимость полупроводников значительное влияние оказывает температура. При повышении температуры усиливается генерация пар носителей заряда, т.е. увеличивается концентрация носителей и проводимость возрастает. Поэтому свойства полупровод-никовых диодов сильно зависят от температуры.

  При повышении температуры прямой и обратный ток возрастают. Очень резко возрастает обратный ток, что объясняется усилением генерации пар носителей.

 У германиевых диодов обратный ток возрастает примерно в два раза при повышении температуры на каждые 10°С.

                                =                                  (5.6)

     Если температура возрастёт с 20°С до 70°С, то обратный ток возрастёт в раз, т.е. в 32 раза. Кроме того, с увеличением темпера-туры у германиевых диодов уменьшается напряжение пробоя.

  У кремниевых диодов при нагреве на каждые 10°С обратный ток возрастает примерно в 2,5 раза, а напряжение пробоя при повышении температуры сначала несколько повышается, а затем уменьшается.

Прямой ток при нагреве диода возрастает не так сильно, как обратный, так как прямой ток возникает за счёт примесной проводимости, а концентрация примесей не зависит от температуры (рис. 5.5.).

       С повышением температуры несколько возрастает барьерная ёмкость. Температурный коэффициент ёмкости (ТКЕ), показывающий изменение ёмкости при изменении температуры на 1°С, равен минус ÷ .

 

         

      Рис. 5.5. Зависимость ВАХ диода от температуры.

 

              5. Применение полупроводниковых диодов.

    В выпрямительном устройстве энергия переменного тока преобразуется в энергию постоянного тока. Любой выпрямитель является потребителем энергии переменного тока и генератором постоянного тока.

  Поскольку полупроводниковые диоды хорошо проводят ток в прямом направлении и плохо в обратном, то большинство полупровод-

никовых диодов применяется для выпрямления переменного тока.

  Схемы выпрямителей с полупроводниковым диодом показаны на рис. 5.6., а принцип работы простейшего выпрямителя объясняется с помощью эпюр, показанных на рис. 5.7.

 

         

Рис. 5.6. Схемы выпрямителя с полупроводниковым диодом.

       

   Рис. 5.7. Принцип работы простейшего выпрямителя.