Выпрямительные диоды

Полупроводниковым диодом называется полупроводниковый прибор с одним электронным переходом и двумя выводами.

Полупроводниковые диоды

Выпрямительные диоды являются плоскостными. Площадь перехода определяется расчетным значением (~I _a) выпрямленного I_a.

На рис.1 приведены ВАХ Ge и Si выпрямительных диодов малой мощности при комнатной и максимально допустимой температуре окружающей среды. Наиболее существенно отличаются обратные ветви приведенных характеристик. Это различие проявляется в характеристике зависимости как обратного I от U_обр. , так и, особенно сильно, от температуры. Обратные ветви указанных характеристик отличаются также от характеристик идеального p-n-перехода.

Причины отличий.

Рассматривая p-n-переход при обратном включении, мы считали I_обр. равным тепловому (дрейфовому) току I_т, который не зависит от U_обр.. Поэтому характеристика I_обр. идеального p-n-перехода шла параллельно горизонтальной оси. В реальном p-n-переходе при обратном напряжении кроме теплового тока протекают еще токи термогенерации (I_г) и утечки (I_у).

В отличие от I_т, образующегося за счет наличия носителей заряда в p- и n-областях, I_г является следствием возникновения носителей заряда в самом p-n-переходе. Внутри p-n-перехода, как в каждом полупроводнике, при комнатной температуре имеет место ионизация атомов, в результате которой образуется небольшое количество носителей заряда - свободных электронов и дырок (ē и p_к). Электрическим полем перехода дырки перебрасываются в p-область, а ē в n-область, повышая, таким образом, I_обр. диода. Поскольку указанные носители заряда возникают за счет тепловой (генерации) энергии, этот ток называется током термогенерации. С повышением U_обр. ширина p-n-перехода повышается и I_г повышается. При повышении температуры I_г также повышается.

I_у протекает по поверхности кристалла под действием U_обр. и зависит от наличия на этой поверхности молекулярных или ионных пленок, шунтирующих переход, например, молекул окислов основного материала, молекул газа и т.п. С повышением U_обр. повышается I_у. От температуры I_у практически не зависит.

Таким образом I_обр. через VD имеет три составляющие:

I_обр. = I_т + I_г + I _у

Поскольку I_г и I _у зависят от U_обр., суммарный ток диода также зависит от приложенного к нему U_обр..

Соотношение между составляющими I_обр. у Ge и Si диодов различно. У Ge диодов при комнатной температуре I_т>>I_г+I_у. Следовательно: 1)изгиб у характеристики I_обр. в начале; 2)при повышении температуры I_обр. сильно повышается. У Si диодов при комнатных температурах очень мал, и поэтому

I_г+I_у >>I_т. Причем часто I_у >I_г, т.е. I_у является основной составляющей тока I_обр. у Si диодов.

При комнатной температуре электрический пробой у Ge дидов наступает примерно при U_обр. =150 В, а у Si - при U_обр. =300 В. С повышением температуры U_проб. у Ge диодов резко падает, а у Si – даже несколько повышается. Т.о., Si диоды могут работать при более высоких U_обр. и с меньшими I_обр., чем Ge. Поэтому в настоящее время выпрямительные диоды изготавливаются на базе Si.

Прямой ток диодов при повышении температуры также повышается, т.к. повышается число носителей заряда в p- и n- областях в результате ионизации.

Эквивалентная схема диода на НЧ показана на рис.2.

В этой схеме R₀ – небольшое суммарное сопротивление p- и n- областей, R_n – сопротивление p- n-перехода, зависящее от полярности и значения приложенного напряжения, C_n – емкость перехода.

При прямом включении

R_пр. = ∆U_пр. / ∆I_пр. [единицы – десятки Ом – маломощные диоды].

При обратном включении

R_обр. = ∆U_обр. / ∆I_обр. [единицы МОм – маломощные диоды].

Т.е. R_обр>>R_пр., дающее возможность использовать диод в качестве выпрямительного элемента.

Из-за большой площади перехода емкость у выпрямительных диодов относительно велика (десятки пФ). Поэтому их можно применять для выпрямления токов с частотами не более 1-2 кГц.

Однотипные диоды можно соединять между собой последовательно или параллельно.

Необходимость в последовательном соединении диодов возникает в тех случаях, когда выпрямляемое напряжение по своей амплитуде превышает максимально допустимое U_обр. диода. Из-за разброса параметров соединяемые диоды могут иметь неодинаковое R_обр.. Это приведет к тому, что U_обр. распределится между ними неравномерно. Отдельные диоды, имеющие наибольшее R_обр., будут работать при повышенном U_обр. и могут выйти из строя. Причем пробой одного из диодов приведет к выходу из строя остальных, соединенных с ним последовательно, т.к. выпрямляемое напряжение распределится между еще работающими диодами и на долю каждого из них придется U_обр., значительно превышающее допустимое. Поэтому при последовательном соединении диоды обычно параллельно каждому из них подключают уравнительные резисторы с сопротивлением порядка сотен кОм (рис. 3а).

К параллельному соединению диодов прибегают тогда, когда нужно получить ток больше предельного тока диодов данного типа. При параллельном соединении различие в прямых сопротивлениях диодов приводит к тому, что они оказываются неодинаково нагруженными и ток через диод с наименьшим прямым сопротивлением может превысить предельный. Поэтому для выравнивания токов последовательно с диодом включают резисторы с малым сопротивлением

(десятые доли Ом – единицы Ом) (рис. 3б).

Дата добавления: 2015-06-04