Типы и основные параметры диодов
В зависимости от исходного полупроводникового материала различают кремниевые и германиевые диоды. Туннельные диоды изготовляют также на основе арсенида галлия и антимонида индия. Кремниевые диоды имеют более высокую предельную температуру (120°…150°C против 55°...160°C у германиевых), обладают меньшими обратными токами и бóльшими допустимыми обратными напряжениями. Однако, кремниевые диоды имеют большее пряое падение напряжения (порядка 0,8…1,2 В против 0,3…0,6 В у германиевых). Эти отличия параметров обусловлены большей шириной запрещенной зоны у кремния.
По назначению полупроводниковые диоды подразделяют на выпрямительные (и их разновидность – силовые), высокочастотные, импульсные, опорные (стабилитроны), варикапы, туннельные и другие.
Выпрямительные диоды.Выпрямителные диоды предназначены для выпрямления переменного тока низкой частоты (50…20 000 Гц).
К основным параметрам выпрямителных диодов, характеризующим их работу в выпрямительных схемах, относятся среднее значение выпрямленого тока Iпр. ср, . которое может длительно протекать через диод при допустмом его нагреве; среднее значение прямого падения напряжения Uпр. ср, однозначно определяемое по вольт-амперной характеристике при заданных значенииях Iпр. ср; среднее значение обратного тока Iобр при заданном значении обратного напряжения Uпр. ср; Δf – диапазон рабочих чостот, в пределах которого ток диода не уменьшается ниже заданного значения. Часто приводят предельную частоту диапазона fmax.
Важное значение имеют также параметры предельного электрического режима выпрямителного диода, а именно: предельно допустимая амплитуда обратного напряжения Uобр. max, которое диод длительно выдерживает без нарушения нормальной работы (Uобр. max на 20 % меньше напряжения пробоя Uобр. пр); максимальное значение тока Iпр. max; максимальный обратный ток Iобр. max при Uобр. max.
Выпрямителные диоды подразделяют на диоды малой мощности, прямой ток которых Iпр. ср < 0,3 А , средней (0,3 A< Iпр. ср < 10 А) и большой (Iпр. ср > 10 А) мощности. Максимальное обратное напряжение диодов малой мощности лежит в диапазоне от десятков вольт до 1200 В. На более высокие напряжения выпускаются выпрямительные столбы, использующие последовательное соединение диодов. Обратные токи не превышают 300 мкА для германиевых диодов и 10 мкА для кремниевых. С точки зрения частотных свойств диоды рассматриваемого типа подразделяют на низкочастотные (до 400 Гц) и высокочастотные (10…20 кГц). Конструкция выпрямительных диодов малой мощности приведена на рисунке 2.3, а на примере сплавного германиевого диода Д7Ж, а его вольт-амперная характеристика — на рисунке 2.3, б.
1 - внешний вывод (анод); 2 -трубка (штенгель); 3 - стеклянный изолятор; 4 - корпус; 5 - внутренний вывод анода; 6 - таблетка индия; 7 - кристалл германия; 8 - кристаллодержатель; 9 - внешний вывод (катод);
Рисунок 2.3 - Маломощный германиевый выпрямительный диод Д7А -Ж
В выпрямительных диодах средней мощности больший прямой ток достигается увеличением размеров кристалла, в частности рабочей площади р-п-перехода. Диоды средней мощности выпускаются преимущественно кремниевыми. В связи с этим обратный ток этих диодов при сравнительно большой площади р-п-перехода достаточно мал (несколько десятков микроампер). Теплота, выделяемая в кристалле от протекания прямого и обратного токов в таких диодах, уже не может быть рассеяна корпусом прибора.
Для улучшения условий теплоотвода в этих диодах применяют дополнительные охладители – радиаторы, изготовляемые из металла, обладающего хорошей теплопроводностью (обычно сплавы алюминия) и развитой поверхностью для улучшения теплоотдачи. В качестве радиатора иногда может быть использовано шасси прибора. Для крепления радиатора корпус диода имеет стержень с винтовой нарезкой. Диоды с плоским основанием корпуса крепят (прижимают) к радиатору с помощью фланцевого соединения. Пример конструкции выпрямительных диодов средней мощности показан на рисунке 2.4, а. На рисунке 2.4, б приведена вольт-амперная характеристика диода Д205.
1 - внешний вывод (анод); 2- трубка (штенгель); 3 - стеклянный изолятор; 4 - корпус; 5 - внутренний вывод анода; 6 - алюминий; 7 - кристалл кремния, 8 - теплоотводящее основание, 9 - кристаллодержатель; 10 - внешний вывод (катод);
Рисунок 2.4 - Кремниевые выпрямительные диоды средней мощности Д202 - Д205
Мощные (силовые) диоды.Мощные диоды, называемые силовыми вентилями, предназначены для работы при прямом токе от 10 А и выше, максимальное обратное напряжение кремниевых диодов достигает нескольких тысяч вольт. Силовые диоды обозначают буквой В, они имеют градацию по частоте и охватывают частотный диапазон применения до десятков килогерц.
Мощные диоды изготовляют преимущественно из кремния. Кремниевая пластина с р-п-переходом, создаваемым диффузионным методом, у таких диодов представляет собой диск диаметром 10…100 мм и толщиной 0,3…0,6 мм. Пример конструкции мощного диода показан на рисунке 2.5.
Рассмотрим некоторые специфические особенности мощных диодов.
Работа при больших токах и высоких обратных напряжениях связана с выделением значительной мощности в р-п-переходе. В связи с этим для диодов большой мощности должны предусматриваться эффективные методы отвода теплоты.
Другая особенность мощных диодов - необходимость их защиты от кратковременных перенапряжений, возникающих при резких сбросах нагрузки, коммутационных и аварийных режимах, а также при атмосферных воздействиях. При этом к диоду прикладывается в обратном направлении помимо напряжения, обусловленного схемой, дополнительный импульс напряжения. При отсутствии защитных мер диод может выйти из строя.
1 - внешний вывод (анод); 2 - стакан; 3 - стеклянный изолятор; 4 - внутренний гибкий вывод анода; 5 - корпус; 6 - чашечка, 7 - кристалл с р-п-переходом; 8 - кристаллодержатель (катод), 9 - шпилька для крепления к радиатору
Рисунок 2.5 - Конструкция мощного кремниевого диода ВЛ - 200
Выход диода из строя связан вначале с электрическим пробоем р-п-перехода, который затем переходит в тепловой пробой, происходящий часто не внутри р-п-перехода, а в месте выхода его на поверхность кристалла. Причина заключается в том, что в реальном диоде в месте выхода р-п-перехода на поверхность имеются участки, в которых существенно сужена область объемного заряда. Это обусловливается рядом факторов (нарушение структуры кристалла, различные загрязнения поверхности и т. д.). Естественно, что напряженность поля в этих участках выше, а напряжение электрического пробоя ниже, чем внутри р-п-перехода. Поэтому при перенапряжениях возникает электрический пробой р-п-перехода в этих участках, и весь обратный ток проходит через них. Плотность тока достигает достаточно больших значений даже при сравнительно небольших обратных токах. Температура в участке пробоя резко по-
вышается, что, в конечном счете, приводит к тепловому пробою и расплавлению кремния вблизи участка пробоя.
Таким образом, защита силового диода от перенапряжений заключается в переводе возможного электрического пробоя р-п-перехода с поверхностных участков в объемные. Поверхностный пробой устраняют за счет создания косого среза (фаски) по поверхности пластины монокристалла и применения так называемого метода защитного кольца (рисунок 2.6, а).
return false">ссылка скрытаМетод основан на внесении меньшей концентрации акцепторной примеси в периферийную кольцевую часть монокристалла по сравнению с внутренней. В связи с этим концентрация основных носителей заряда в периферийной части р-области будет меньшей, а толщина слоя объемного заряда (ширина р-п-перехода) - большей, чем в центральной части.
Благодаря указанным мерам, напряженность поля на наружной поверхности р-п-перехода будет существенно меньшей, чем в его внутренней области. При наличии перенапряжений возможный электрический пробой р-п-перехода может произойти
Рисунок 2.6 – Структура и ВАХ лавинного диода
только в объемной части, причем пробой носит лавинный характер. Поэтому силовые диоды с такой р-n-структурой называют лавинными. Обратная ветвь вольт-амперной характеристики лавинного диода показана на рисунке 2.6, б (кривая 1). Там же приведена обратная ветвь вольт-амперной характеристики обычного диода (кривая 2).
Перенос возможного электрического пробоя в объемную часть перехода обеспечивает не только повышение и стабильность напряжения лавинного пробоя Uл, но и значительное повышение мощности, рассеиваемой прибором при обратном напряжении, благодаря его способности пропускать достаточно большой обратный ток без перегрева локальных участков. Последнее достигается тем, что лавинный пробой р-п-перехода носит объемный характер, распределяясь по большому числу микроканалов. Лишь при значительном обратном токе, когда пробой охватывает всю объемную часть перехода, в принципе возможен перегрев прибора и выход его из строя вследствие теплового пробоя. Поэтому действие импульсов перенапряжения должно быть кратковременным даже в случае применения лавинных диодов.
Импульсные диоды.Импульсные диоды являются разновидностью высокочастотных выпрямительных диодов и предназначены для использования в качестве ключевых элементов в быстродействующих импульсных схемах. Требования, предъявляемые к этим диодам, связаны с обеспечением быстрой реакции прибора на импульсы подводимого напряжения - малым временем перехода диода из закрытого состояния в открытое и обратно. Такие диоды характеризуются дополнительными параметрами: собственной емкостью, временем установления прямого сопротивления и временем восстановления обратного сопротивления.
Собственная емкость на высокой частоте снижает обратное сопротивление. Для её уменьшения приходится уменьшать размеры кристалла, что приводит к уменьшению среднего прямого тока через диод. Для импульсных диодов в паспорте указывается кроме среднего максимальный ток в импульсе, который может быть значительно больше среднего тока, так как за время паузы между импульсами кристалл имеет возможность охлаждаться.
Для переключения диода из закрытого состояния в открытое требуется некоторое время для накопления необходимых концентраций неравновесных носителей заряда в близлежащих к р-п-переходу слоях (см. рисунок 1.9, в). Вследствие этого падение напряжения на диоде при отпирании сначала имеет относительно большую величину, а затем, снижаясь, достигает установившегося значения. Время, в течение которого падение напряжения на диоде спадает от максимального до 1,2 установившегося значения, называют временем установления прямого сопротивления tуст.
Переключение диода из открытого состояния в закрытое при быстром изменении полярности подводимого напряжения характеризуется резким увеличением обратного тока (на один - два порядка больше установившегося значения) и его уменьшением до установившегося значения в течение некоторого времени. Такое изменение обратного тока свидетельствует о постепенном восстановлении высокого сопротивления диода в обратном направлении при переводе его в непроводящее состояние.
Возникновение броска обратного тока вызвано тем, что избыточные неосновные носители заряда, созданные по обе стороны р-п-перехода на этапе протекания прямого тока (см. рисунок 1.9, в), втягиваются полем обратно в р-п-переход под действием приложенного к нему обратного напряжения. Обратный ток спадает до номинального значения лишь после того, как концентрации неосновных носителей заряда по обе стороны р-п-перехода достигнут установившихся значений вследствие ухода носителей заряда через переход и рекомбинации с носителями заряда противоположного знака. Время, в течение которого обратный ток достигает 1,2 установившегося значения, называют временем восстановления обратного сопротивления tвосст.
Значения параметров tуст и tвосст в импульсных диодах могут составлять от долей наносекунды до сотен наносекунд (1 нс = 10 -9 с).
Стабилитроны. Стабилитроны представляют собой кремниевые плоскостные диоды, напряжение на которых в области электрического пробоя слабо зависит от тока. Они предназначены для стабилизации уровня постоянного напряжения. Обратное напряжение на р-п-переходе стабилитронов при электрическом (лавинном или туннельном) пробое (рисунок 2.7) претерпевает незначительное изменение.
Участок 1-2 на рисунке 2.7 является рабочим участком вольт-амперной характеристики полупроводникового стабилитрона.
Основными параметрами прибора являются напряжение стабилизации Uст– напряжение на стабилитроне при указанном номинальном токе стабилизации Iст. ном,; максимальный Iст тах и минимальный Iст min токи на участке стабилизации, динамическое сопротивление в рабочей точке на участке стабилизации rД = ΔUст/ΔIст, характеризующее степень изменения стабилизации при изменении тока через стабилитрон; стику диода <== предыдущая