Выпрямительные диоды. Полупроводниковые диоды. Общие характеристики диодов
Выпрямительные диоды используют для выпрямления переменных токов частотой 50 Гц - 100 кГц. В них используется главное свойство p-n перехода - односторонняя проводимость. Полупроводниковые выпрямительные диоды имеют большие площади p-n перехода, поскольку они рассчитаны на выпрямление больших по величине токов. Основные параметры выпрямительных диодов даются применительно к их работе в однополупериодном выпрямителе с активной нагрузкой (без конденсатора, сглаживающего пульсации).
Кремниевые выпрямительные диоды широко используются для преобразования переменного тока в пульсирующий постоянный и обычно подразделяются на:
- выпрямительные диоды малой мощности, рассчитанные на выпрямленный ток до 0,3 А;
- выпрямительные диоды средней мощности, рассчитанные на выпрямленный ток от 0,3 до 10 А;
- мощные выпрямительные диоды, рассчитанные на выпрямленный ток свыше 10 А.
Примечания:
1. Выпрямительные мосты - электронные устройства, предназначенные для преобразования переменного тока в пульсирующий постоянный. Такое преобразование называется двухполупериодным. Выпускаются выпрямительные мосты, имеющие в одном корпусе по четыре или восемь диодов, соединенные по мостовой схеме выпрямителя и имеющие I пр. max до 1 А и U o6p. max до 600 В. Выпрямительные мосты - основные компоненты блоков питания практически всех электронных устройств.
2. Выпрямительные столбы - полупроводниковые приборы, представляющие набор последовательно соединённых между собой выпрямительных полупроводниковых диодов и собранных в единую конструкцию с двумя выводами. Несколько выпрямительных столбов, заключённых в единый корпус, составляют выпрямительный блок, который можно включать в электрические цепи по различным схемам. Выпрямительные столбы и блоки применяют в различных радиоэлектронных, электротехнических приборах и устройствах для выпрямления переменного тока промышленной и звуковой частот на высоких напряжениях до 1500 В.
3. Высокочастотные диоды объединяют группу полупроводниковых диодов, предназначенных для обработки высокочастотных сигналов. В частности, детекторные высокочастотные диоды предназначены для выделения низкочастотного сигнала из модулированного, а смесительные высокочастотные диоды - для перемножения 2-х высокочастотных сигналов.
4. Импульсные диоды - разновидность полупроводниковых диодов, предназначенных для работы в быстродействующих импульсных схемах для выпрямления токов, модуляции и детектирования сигналов с частотами до нескольких сотен мегагерц. Импульсные диоды используют в качестве ключевых элементов в устройствах с микросекундной и наносекундной длительностью импульсов. При коротких импульсах необходимо учитывать инерционность процессов включения и выключения диода. Импульсные диоды отличаются малой барьерной емкостью и малым временем восстановления обратного сопротивления. По способу изготовления р-n перехода импульсные диоды подразделяются на:
- точечные импульсные диоды;
- сплавные импульсные диоды;
- сварные импульсные диоды;
- диффузионные импульсные диоды;
- меза и пленарные импульсные диоды.
Диод – двухэлектродный полупроводниковый прибор с одним p–n-переходом, обладающий односторонней проводимостью тока. Существует много различных типов диодов – выпрямительные, импульсные, туннельные, обращенные, сверхвысокочастотные диоды, а также стабилитроны, варикапы, фотодиоды, светодиоды и др.
Работа выпрямительного диода объясняется свойствами электрического p–n-перехода.
Вблизи границы двух полупроводников образуется слой, лишенный подвижных носителей заряда (из-за рекомбинации) и обладающий высоким электрическим сопротивлением, – так называемый запирающий слой. Этот слой определяет контактную разность потенциалов (потенциальный барьер).
Если к p–n-переходу приложить внешнее напряжение, создающее электрическое поле в направлении, противоположном полю электрического слоя, то толщина этого слоя уменьшится и при напряжении 0,4 - 0,6 В запирающий слой исчезнет, а ток существенно возрастет (этот ток называют прямым).
При подключении внешнего напряжения другой полярности запирающий слой увеличится и сопротивление p–n-перехода возрастет, а ток, обусловленный движением неосновных носителей заряда, будет незначительным даже при сравнительно больших напряжениях.
Прямой ток диода создается основными, а обратный – неосновными носителями заряда. Положительный (прямой) ток диод пропускает в направлении от анода к катоду.
На рис. 1 показаны условное графическое обозначение (УГО) и характеристики выпрямительных диодов (их идеальная и реальная вольт-амперная характеристики). Видимый излом вольт-амперной характеристики диода (ВАХ) в начале координат связан с различными масштабами токов и напряжений в первом и третьем квадранте графика. Два вывода диода: анод А и катод К в УГО не обозначаются и на рисунке показаны для пояснения.
На вольт-амперная характеристика реального диода обозначена область электрического пробоя, когда при небольшом увеличении обратного напряжения ток резко возрастает.
Электрический пробой является обратимым явлением. При возвращении в рабочую область диод не теряет своих свойств. Если обратный ток превысит определенное значение, то электрический пробой перейдет в необратимый тепловой с выходом прибора из строя.
Рис. 1. Полупроводниковый выпрямительный диод: а – условное графическое изображение, б – идеальная вольт-амперная характеристика, в – реальная вольт-амперная характеристика
Промышленностью в основном выпускаются германиевые (Ge) и кремниевые (Si) диоды.
Кремниевые диоды
обладают малыми обратными токами, более высокой рабочей температурой (150 - 200 °С против 80 - 100 °С), выдерживают большие обратные напряжения и плотности тока (60 - 80 А/см2 против 20 - 40 А/см2). Кроме того, кремний – широко распространенный элемент (в отличие от германиевых диодов, который относится к редкоземельным элементам).
Рис. 4. УГО и структура диода Шоттки: 1 – низкоомный исходный кристалл кремния, 2 – эпитаксиальный слой высокоомного кремния, 3 – область объемного заряда, 4 – металлический контакт
На поверхность эпитаксиального слоя наносят металлический электрод, обеспечивающий выпрямление, но не инжектирующий неосновные носители в базовую область (чаще всего золото). Благодаря этому в этих диодах нет таких медленных процессов, как накопление и рассасывание неосновных носителей в базе. Поэтому инерционность диодов Шоттки не высока. Она определяется величиной барьерной емкости выпрямляющего контакта (1 - 20 пФ).
Кроме этого, у диодов Шоттки оказывается значительно меньшее, чем у выпрямительных диодов последовательное сопротивление, так как металлический слой имеет малое сопротивление по сравнению с любым даже сильно легированным полупроводником. Это позволяет использовать диоды Шоттки для выпрямления значительных токов (десятки ампер). Обычно их применяют в импульсных вторичных источниках питания для выпрямления высокочастотных напряжений (частотой до нескольких МГц).
Потапов Л. А.
Диод – это электропреобразовательный полупроводниковый прибор (ПП) с одним электрическим переходом и двумя выводами (рис. 3.1).
Рис. 3.1. Устройство полупроводникового диода
База Б и эмиттер Э с помощью базового БЭ и эмиттерного ЭЭ электродов, обеспечивающих омические контакты с n- и p-областями, соединяются с металлическими выводами В, посредством которых диод включается во внешнюю цепь.
Принцип работы большинства диодов основан на использовании физических явлений в электрическом переходе, таких, как асимметрия вольт-амперной характеристики, пробой электронно-дырочного перехода, зависимость барьерной емкости от напряжения и т.д.
Различают диоды:
в зависимости от назначения :
- выпрямительные;
- стабилитроны;
- варикапы;
- туннельные;
- импульсные и др.;
по применяемым исходным материалам :
- германиевые;
- кремниевые;
- из арсенида галлия;
по технологии изготовления :
- сплавные;
- диффузионные;
- планарные;
по частотному диапазону :
- низкочастотные;
- высокочастотные;
- СВЧ-диоды (сверхвысокочастотные диоды);
по типу р-n-перехода :
- плоскостные;
- точечные.
Плоскостным называют р-n-переход, линейные размеры которого, определяющие его площадь, значительно больше толщины. К точечным относят переходы, размеры которых, определяющие их площадь, меньше толщины области объемного заряда.
Плоскостные диоды малой и средней мощности выполняются обычно со сплавным p-n-переходом. Сплавной р-n-переход в германиевых диодах (рис. 3.2) получается путем вплавления таблетки примесного акцепторного элемента (индия) в кристалл германия n-типа. При этом расплавленный индий частично диффундирует в германий, придавая близлежащей области кристалла германия дырочную проводимость. Область с дырочной проводимостью (р-типа) имеет очень низкое удельное сопротивление и является эмиттером по отношению к более высокоомному кристаллу полупроводника n-типа – базе диода. Устройство германиевого плоскостного диода показано на рис. 3.2. Кремниевые плоскостные диоды получаются путем вплавления алюминия в кристалл кремния. Кремниевые и германиевые диоды оформляются в металлическом сварном корпусе со стеклянными изоляторами и гибкими выводами.
В мощных плоскостных диодах p-n-переход чаще выполняется путем диффузии из газовой фазы атомов примеси в кристалл полупроводника. При диффузионном методе обеспечивается лучшая воспроизводимость параметров диодов. Мощные диоды часто выполняются с охлаждающими радиаторами.
Рис. 3.2. Устройство диода: а – плоскостного; б - точечного
В точечных диодах (рис. 3.2, б) выпрямляющий p-n-переход образуется между металлическим острием контактной пружины (диаметром 10…20 мкм) и кристаллом полупроводника обычно n-типа. Переход создается за счет пропускания коротких и мощных импульсов прямого тока через диод. При этом острие контактной пружины сплавляется с кристаллом, и вблизи места сплавления за счет диффузии расплавленного металла острия в кристалл получается область полупроводника p-типа. Точечные диоды вследствие малой площади p-n-перехода выпускаются на малые токи.
Рис. 3.3. Вольт-амперные характеристики: 1 –n-p-перехода, 2 –диода
Теоретические вольт-амперные характеристики n-p-перехода и полупроводникового диода (рис.3.3) несколько отличаются. В области прямых токов это объясняется тем, что часть внешнего напряжения, приложенного к выводам диода, падает на объемном омическом сопротивлении базы (r б), которое определяется ее геометрическими размерами и удельным сопротивлением исходного материала. Его величина может лежать в пределах от единиц до нескольких десятков ом. Падение напряжения на сопротивлении r б становится существенным при токах, превышающих единицы миллиампер. Кроме того, часть напряжения падает на сопротивлении выводов. В результате, напряжение непосредственно на n-р-переходе будет меньше напряжения, приложенного к внешним выводам диода. Реальная характеристика идет ниже теоретической и становится почти линейной. Реальная ВАХ в области прямых напряжений описывается выражением:
Отсюда напряжение, приложенное к диоду, равно:
U эб = I r б + U pn .
Необходимо заметить, что сопротивление базы (r б) зависит от величины прямого тока диода, поэтому вольт-амперная характеристика и в области больших токов является нелинейной функцией.
При увеличении обратного напряжения ток диода не остается постоянным и равным току I 0 . Одной из причин увеличения тока является термическая генерация носителей заряда в переходе, не учтенная при выводе выражения для теоретической ВАХ. Составляющая обратного тока через переход, зависящая от количества генерируемых в переходе носителей, называется током термогенерации (I тг) . С ростом обратного напряжения переход расширяется, количество генерируемых в нем носителей растет и ток I тг также увеличивается.
Другой причиной увеличения обратного тока является конечная величина проводимости поверхности кристалла, из которого изготовлен диод. Этот ток называется током утечки (I у). В современных диодах он всегда меньше термотока. Таким образом, обратный ток в диоде, обозначаемый I обр, определяется как сумма токов:
I обр = I 0 + I тг + I у.
Каждый тип диодов характеризуется параметрами – величинами, определяющими основные свойства приборов, а также имеет отличные от других вольт-амперные характеристики. Различают параметры, которыми характеризуется любой полупроводниковый диод, и специальные, присущие только отдельным диодам.
Полупроводниковые диоды имеют следующие основные параметры :
- постоянный обратный ток диода (I обр) – значение постоянного тока, протекающего через диод в обратном направлении при заданном обратном напряжении;
- постоянное обратное напряжение диода (U обр) – значение постоянного напряжения, приложенного к диоду в обратном направлении;
- постоянный прямой ток диода (I пр) – значение постоянного тока, протекающего через диод в прямом направлении;
- постоянное прямое напряжение диода (U пр) – значение постоянного напряжения на диоде при заданном постоянном прямом токе;
Предельный режим работы диодов характеризуют максимально допустимые параметры – параметры, которые обеспечивают заданную надежность и значения которых не должны превышаться при любых условиях эксплуатации:
- максимально допустимая рассеиваемая мощность (Р mах);
- максимально допустимый постоянный прямой ток (I пр. mах), значение которого ограничивается разогревом р-n-перехода;
- максимально допустимое постоянное обратное напряжение (U обр. mах);
- дифференциальное сопротивление (r диф);
- минимальная (Т мин) и максимальная (Т mах) температуры окружающей среды для работы диода.
Допустимая рассеиваемая мощность (Р mах) определяется тепловым сопротивлением диода (R т), допустимой температурой перехода (Т п mах) и температурой окружающей среды (Т о) в соответствии с соотношением:
Максимально допустимый прямой ток можно определить по заданной, максимально допустимой мощности:
Обратное максимально допустимое напряжение (U обр. mах) для различных типов диодов может принимать значения от нескольких единиц до десятков тысяч вольт. Оно ограничивается пробивным напряжением:
U обр max ? 0,8 U проб.
Дифференциальное сопротивление (r диф) равно отношению приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока через диод:
Сопротивление r диф зависит от режима работы диода.
Минимальная температура окружающей среды (Т мин), при которой могут эксплуатироваться полупроводниковые диоды, обычно равна -60°С. При более низких температурах ухудшаются электрические и механические свойства полупроводниковых кристаллов и элементов конструкций диодов.
Для германиевых диодов максимальная температура Т макс = +70 °С. Для кремневых она может достигать +150 °С. При более высоких температурах происходит вырождение полупроводника: концентрации основных и неосновных носителей становятся одинаковыми, переход перестает обладать свойствами односторонней проводимости
Обозначение диодов состоит из шести символов:
- первый символ (буква или цифра) обозначает материал диода (цифрой обозначаются диоды, способные выдерживать более высокую температуру):
Г или 1 – германий;
К или 2 – кремний;
А или 3 – соединения галлия;
- второй символ (буква) указывает подкласс приборов:
- третий символ (цифра) обозначает классификационный номер, по которому различают диоды внутри данного типа (например: 1 – малой мощности, 2 – средней мощности, 3 – большой мощности, 4 – универсальные и т.д).
- четвертый и пятый символы (цифры) обозначают порядковый номер разработки (от 1 до 99).
- шестой символ (буква), указывает различие по параметрам, которые не являются классификационными.
Для полупроводниковых диодов с малыми размерами корпуса используется цветная маркировка в виде меток, наносимых на корпус прибора.
Cтраница 1
Кремниевые диоды Д202, Д205 предназначены для выпрямления переменного тока с частотой до 50 кгц и могут работать при температуре - 60 125 С. Они оформлены в металлическом герметичном корпусе с винтом для крепления на тешюотводящем шасси. При окружающей температуре 125 С и наличии шасси / max составляет 400 ма, без шасси 200 ма.
Кремниевые диоды выдерживают большие обратные напряжения, чем германиевые.
Кремниевые диоды могут быть применены не только для выпрямления, но и для стабилизации напряжения постоянного тока. В этом случав они называются кремниевыми стабилитронами. IX-10, точка А), После излома характеристика идет почти параллельно оси тока, подобно характеристике габового стабилитрона.
Кремниевые диоды по сравнению с германиевыми допускают работу при значительно более высоких температурах и дмеют большие обратные сопроти-вления, однако у германиевых диодов меньше прямое сопротивление, кроме того, они дешевле кремниевых.
Кремниевые диоды имеют во много раз меньшие обратные токи при одинаковом напряжении, чем германиевые. Это обусловлено тем, что при температурах выше 85 С резко увеличивается собственная проводимость германия, приводящая к недопустимому возрастанию обратного тока.
Кремниевые диоды применяют чаще германиевых, особенно когда недопустим обратный ток. Кроме того, они сохраняют работоспособность при температуре до 125 - 150 С, тогда как германиевые могут работать только при температуре до 70 С.
Кремниевые диоды даже при нагружении в направлении пропускания тока через них имеют сравнительно высокое омическое сопротивление, если противодействующее напряжение не превышает примерно 0 7 В.
Полупроводниковым диодом или полупроводниковым вентилем называется прибор, предназначенный для преобразования одних электрических величин в другие электрические величины, имеющий электроннодырочный -переход. Диод имеет два внешних вывода.
В германиевых и кремниевых диодах используются явления, происходящие в -переходах между областью кристалла германия с -проводимостью и областью с -проводимостью. Они изготовляются точечными, микроплоскостными и плоскостными.
Рис. 17-6. Германиевый точечный вентиль.
Рис. 17-7. Вольт-амперная характеристика германиевого точечного вентиля.
Точечный германиевый диод (рис. 17-6) состоит из стеклянного (или металлостеклянного) баллона диаметром около 3 и длинои 9 мм, в который впаяны два проводниковых вывода, на конце одного из них укреплен кристалл германия 1 с -проводимостью, на конце другого - тонкая заостренная проволочка - игла 2 из индия.
Рис. 17-8. Германиевый плоскостной вентиль типа Д-7.
Запирающий слой (-переход) образуется в процессе формовки диода при пропускании; импульсов тока, под действием которых атомы индия диффундируют в кристалл германия, образуя в нем полусферическую область (рис. 17-6) с дырочной проводимостью. Наибольший прямой ток этого вентиля 16 мА, максимальное допустимое обратное напряжение 50 В. Вольт-амперная характеристика вентиля показана на рис. 17-7.
Микроплоскостные диоды отличаются от точечных несколько большей поверхностью -перехода.
Плоскостной вентиль (рис. 17-8, а) состоит из пластины германия 1 с примесью мышьяка или сурьмы, имеющей электронную проводимость, и индиевой таблетки 2. При изготовлении диода они нагреваются до температуры около 500° С, при которой таблетка индия плавится, ее атомы диффундируют в германий, образуя область 2а (рис. 17-8, а) с дырочной проводимостью. На границе двух областей и создается -переход.
На рис. 17-8, б показано устройство одного из плоскостных германиевых диодов.
Рис. 17-9. Вольт-амперная характеристика плоскостного вентиля.
Рис. 17-10. Кремниевый диод типа ВК-100.
В металлическом корпусе 5 укреплен проводник 4 с рас положенным на конце кристаллом германия 1. Электрод 2 из индия соединен с одним из выводов 7 проводником 3, проходящим через изолятор 6. Выпрямленный наибольший ток вентиля 300 мА, максимальное допустимое обратное напряжение 50 В. На рис. 17-9 дана вольт-амперная характеристика плоскостного вентиля.
Германиевые диоды допускают плотность тока до 100 А/см2 при прямом напряжении до 0,8 В. Рабочая температура С.
Выпрямительные кремниевые диоды изготовляются вплавлением алюминия в кремний -типа. У этих диодов плотность тока доходит до 200 А/см2 при прямом напряжении до 1-1,2 В. Рабочий ток до 1 000 А, допустимое обратное напряжение обычно 700-800 В, иногда более 1 000 В.
В кремниевых вентилях обратный ток на несколько порядков. меньше, чем у германиевых. Рабочая температура -60 - +150° С. На рис. 17-10 показан кремниевый диод типа ВК-100 с воздушным охлаждением на номинальный ток 100 А.