Выпрямительные и импульсные диоды

Полупроводниковый диод – полупроводниковый прибор с одним электрическим p-n – переходом и двумя выводами. Условное графическое изображение (УГО) диода показано на рис.3.1.

Выводы диода называются анодом А и катодом К. Иногда соответствующие выводы называют положительным "+" и отрицательным "-". Диод пропускает ток в одном направлении. Если приложено напряжение U_AK > 0, то диод открыт и работает в прямом направлении. При отрицательном напряжении U_AK < 0 диод заперт. На рис. 3.2 показаны схемы включения диода при прямом и обратном включении.

Прямой ток всегда больше обратного на несколько порядков. Часто при анализе схем им можно пренебречь.

Диод как нелинейный элемент описывается вольтамперной характеристикой (в.а.х.) I(U_AK). На рис.3.3 показана прямая ветвь в.а.х. кремниевого диода, полученная в системе моделирования MicroCAP. Прямой ток резко возрастает при достижении некоторого малого положительного напряжения U_AK. Однако он не должен превышать некоторого определенного максимального значения I_макс, так как иначе произойдет перегрев, и диод выйдет из строя. Из характеристики видно, что диод открывается не сразу, когда напряжение U_AK становится больше нуля, а при достижении некоторого напряжения U_D. Для германиевых диодов U_D находится в пределах от 0,2 до 0,4 В, для кремниевых – от 0,5 до 0,8 В. Приближенно ход характеристики может быть описан значениями прямого напряжения U_D при токах порядка 0,1I_макс.

При отрицательном напряжении U_AK через диод протекает обратный ток I_обр. Его величина намного меньше прямого тока и в некоторых случаях им можно пренебречь при анализе схем. Обратный ток при напряжениях ‌ U_АК ‌ >U_{обр. макс} возрастает до значений, соизмеримых с прямым током. Обычные диоды в этой области работать не могут. Максимальное обратное напряжение определяется конструкцией диода и находится в пределах 10 В – 10 кВ.

Характеристику диода можно аппроксимировать с помощью экспоненциальной функции

,

3.1

где I_то – теоретический обратный ток, U_т = 25,5 мВ – термический потенциал, m – поправочный коэффициент, зависящий от типа диода, и находится в пределах 1 - 2. Для кремниевых диодов I_то = 10 пА, для германиевых - I_TO = 100 нА; mU_т=30 мВ, I_макс=100 мА.

При анализе схем часто диод в открытом состоянии представляют замкнутым идеальным ключом (Рис.3.4,а) или идеальным источником напряжения величиной U_D (Рис.3.4,б). В закрытом состоянии диод часто рассматривают как разрыв цепи (не учитывают обратный ток). При более детальном анализе схем в закрытом состоянии диод можно рассматривать как идеальный источник тока величиной I_обр. Использование той или иной модели диода зависит от степени детализации анализа схемы.

Как видно из вольтамперной характеристики диода прямое напряжение на диоде зависит от тока, протекающего через него. Их формулы 3.1можно определить, как возрастает прямое напряжение на диоде при возрастании тока в 10 раз:

и далее , ΔU_AK = 60 ÷ 120 мВ.

Поскольку U_T и I₀ зависят от температуры, то прямое напряжение для фиксированного значения тока также зависит от температуры. Эта зависимость описывается с помощью температурного коэффициента напряжения диода

.

ТКН означает, что один и тот же ток диода достигается при напряжении U_АК меньшем на 2 мВ при увеличении температуры на 1 градус. Пропорциональное уменьшение прямого напряжения с температурой при постоянной величине тока означает, что с увеличением температуры ток возрастает по экспоненциальному закону, если постоянное напряжение постоянно.

Экспоненциальную температурную зависимость имеет и обратный ток. Он удваивается при увеличении температуры на 10º. При достижении температуры на 100º обратный ток возрастет в тысячу раз.

Рассмотрим работу диода в динамическом режиме. Схема, с помощью которой можно исследовать переключения диода из проводящего состояния в закрытое, представлена на рис.3.5. Источник импульсного напряжения вырабатывает разно полярные импульсы амплитудой 5 В. Резистор R1 ограничивает ток через диод. Процесс переключения диода из одного состояние в другое наблюдаем по изменению напряжения на диоде. Графики напряжения генератора импульсов V1 и напряжения на диоде V(2), полученные в MicroCAP, показаны на рис.3.6. При отрицательном значении напряжения генератора диод закрыт, ток через него практически равен 0, падение напряжения на диоде 5 В. При изменении сигнала с генератора на положительное диод смещается в прямом направлении, через диод начинает протекать прямой ток. Однако прямое падение напряжения на диоде устанавливается не сразу, а через некоторое время. При этом происходит накопление носителей заряда в диоде. Величина накопленного заряда тем больше, чем больше прямой ток диода. При поступлении отрицательного импульса диод начинает закрываться не сразу, некоторое время поддерживается прямой ток. Этот ток обусловлен рассасыванием накопленных в диоде зарядов.

При использовании диодов в импульсных схемах необходимо учитывать переходные процессы при включении и выключении диодов. Для уменьшения времени переключения можно использовать диоды Шотки. Эти диоды имеют переход металл-полупроводник, который тоже обладает выпрямительным эффектом. Накопление заряда в переходе этого типа весьма мало. Поэтому время переключения может быть уменьшено до значений 100 пС. Другой особенностью этих диодов является малое прямое падение напряжение, составляющее около 0,3 В.

Выпрямительные диоды. Диоды, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный, к быстродействию, емкости p-n – перехода и стабильности параметров которых обычно не предъявляют специальных требований, называют выпрямительными. Для выпрямительных диодов характерно, что они имеют малые сопротивления в проводящем состоянии и позволяют пропускать большие токи. Емкость выпрямительных диодов из-за большой площадиp-n- перехода велика и достигает значения десятков пФ.

Импульсные диоды. Импульсные диоды имеют малую длительность переходных процессов и предназначены для работы в импульсных цепях. От выпрямительных диодов они отличаются малыми емкостями p-n-перехода (доли пикофарад) и рядом параметров, определяющих переходные характеристики диода. Уменьшение емкости достигается за счет уменьшения площади p-n- перехода, поэтому допустимые мощности рассеяния у них не велики (30 – 40 мВт). В быстродействующих импульсных цепях широко используются диоды Шотки. У этих диодов не затрачивается время на накопление и рассасывание зарядов, их быстродействие зависит только от скорости перезарядки барьерной емкости.