2014-02-05
2052
Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный. При преобразовании промышленного переменного тока рабочая частота составляет 50 Гц, а верхняя граница частот – так называемая предельная частота выпрямительных диодов, как правило, не превышает 20 кГц.
Для характеристики выпрямительных диодов используют следующие параметры:
- максимально допустимое постоянное обратное напряжение U обр.max – напряжение, которое может быть приложено к диоду длительное время без нарушения его работоспособности (обычно U обр.max = 0,5 – 0,8 U проб, где U проб – напряжение пробоя);
- максимально допустимый постоянный прямой ток I пр.max;
- постоянное прямое напряжение U пр при заданном прямом токе I пр = I пр.max;
- максимальный обратный ток I обр.max – обратный ток диода при приложении к нему напряжения U обр.max;
- частота без снижения режимов – верхнее значение частоты, при которой обеспечиваются заданные токи и напряжения.
По максимально допустимому выпрямленному току диоды разбиты на три группы: диоды малой мощности (<0,3 А), диоды средней мощности (0,3 А ¸ 10 А) и мощные (силовые) диоды (>10 А).
|
|
|
Иногда в паспорте диода указывают средний выпрямленный ток I пр.ср, средний обратный ток I обр.ср, а также импульсный прямой ток I пр.и или его максимально допустимое значение.
В состав параметров диодов входят диапазон температуры окружающей среды (для кремниевых диодов обычно от –60 до +125 ºС) и максимальная температура корпуса.
Необходимую площадь p-n -перехода рассчитывают исходя из величины допустимого прямого тока диода, учитывая максимальную величину плотности прямого тока J (табл.1).
Табл. 1.
Основные параметры выпрямительных диодов изготовленных из различных материалов
| Ge | Si | GaAs | |
| J, А/см2 | |||
| U пр, В | ~0.3 | ~0.7 | 1÷3 |
| U обр.max, В | до сотен В | до единиц кВ | до сотен В |
| I обр.max, мА | ~0.2 | ~0.01 | ~0.01 |
| t °,С | до +75 | –60÷ | до +250 |
Подавляющее большинство кремниевых выпрямительных диодов имеет плоскостную р +– n – n + структуру (рис.2, а). Они изготавливаются на основе низколегированного (высокоомного) кристалла кремния с электропроводностью n -типа. Пробой плоскостных диодов обычно происходит по поверхности, на которой много дефектов и примесей. В высоковольтных выпрямительных диодах для увеличения U обр.max производят неравномерное легирование эмиттера и снимают фаску (рис.2, б). При этом толщина p-n -перехода вблизи поверхности увеличивается, а концентрация примесей и дефектов на поверхности уменьшается, что увеличивает напряжение пробоя. Для работы при повышенных температурах используют выпрямительные диоды на основе GaAs. При работе с напряжениями питания ~1.5 В используют Ge выпрямительные диоды с малым прямым падением напряжения.
|
|
|
Существуют высокочастотные выпрямительные диоды, работающие на частотах порядка единиц мегагерц.
2. ИМПУЛЬСНЫЕ ДИОДЫ
Импульсный полупроводниковый диод имеет малую длительность переходных процессов и предназначен для применения в импульсных режимах работы. Основные назначения импульсных диодов – работа в качестве коммутирующего элемента или для детектирования высокочастотных сигналов. Условия работы импульсных диодов обычно соответствуют высокому уровню инжекции, т.е. относительно большим прямым токам. Поэтому свойства и параметры импульсных диодов определяются переходными процессами. При переключении диода с прямого напряжения на обратное в начальный момент времени через диод идет большой обратный ток, ограниченный в основном сопротивлением базы рис.3,а. С течением времени накопленные в базе неосновные носители заряда рекомбинируют или уходят из базы через p-n -переход, после чего обратный ток уменьшается до своего стационарного значения.
Одним из основных параметров импульсного диода является время восстановления обратного сопротивления t вос (рис.3). По этому параметру импульсные диоды разделены на шесть групп: более 500 нс, 150÷500, 30÷150, 5÷30, 1÷5 и менее 1 нс.
При пропускании через диод импульса тока (рис.3, б) в прямом направлении наблюдается выброс напряжения. Это вызвано повышенным падением напряжения, пока не окончится процесс накопления неосновных носителей в базе и не уменьшится сопротивление базы. Это происходит за время установления прямого напряжения диода t уст.
Значения t вос и t уст зависят от структуры диода, времени жизни неосновных носителей в базе, величины накопленного в базе заряда и величины обратного напряжения.
 | |||
 |
Одной из первых была разработана конструкция точечного импульсного диода рис.4. В нем p-n -переход образуется путем вплавления иголки индия в кристалл Si n -типа. Полученный p-n -переход имеет полусферическую форму с радиусом а.
Время переходного процесса определяется временем перезаряда емкости p-n -перехода С пер= С бар+ С диф через сопротивление базы r б
Τ = Спер ∙r б.
Барьерная емкость точечного p-n -перехода Сбар ~ а 2 мала в связи с малой площадью перехода. Особенностью точечных диодов является большое сопротивление базы, которое определяется сопротивлением растекания. Для его расчета определим сопротивление полусферического слоя полупроводника толщиной R на расстоянии dR от центра сферы
.
Если считать удельное сопротивление полупроводника ρ постоянным, то полное сопротивление кристалла полупроводника толщиной b под точечным p-n -переходом
.
В точечных диодах а =5÷20 мкм, а b ~200 мкм, поэтому
.
Современные импульсные диоды производятся по планарной технологии с использованием кремниевых или арсенид-галлиевых кристаллов. Для ускорения переходных процессов в базе диода создают встроенное электрическое поле за счет неравномерного легирования и вводят примеси меди или золота, уменьшающие время жизни неосновных носителей. Для уменьшения барьерной емкости уменьшают размеры импульсного диода.
