3. Полупроводниковые диоды

3.1. Вольт-амперная характеристика (вах) диода

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним ЭДП и двумя выводами, в котором используются свойства p-n-перехода.

ВАХ любого прибора представляет собой зависимость между током, протекающим через прибор и приложенным напряжением.

Если сопротивление прибора постоянно, то связь между током и напряжением выражается по закону Ома:

. (3.1)

График зависимости i=f(u) называется вольт-амперной характеристикой. Для прибора, подчиняющегося закону Ома, ВАХ линейна. Приборы, имеющие такую зависимость – линейны.

Но существуют нелинейные приборы.

ЭДП представляет собой диод. Его нелинейные свойства видны из его ВАХ (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Вольт-амперная характеристика диода

Прямая и обратная ветви строятся в различных масштабах. Вследствие различного масштаба, в начале координат получился излом. Характеристика для прямого тока вначале имеет значительную нелинейность, так как при увеличении U_пр сопротивление запирающего слоя уменьшается, поэтому кривая идет с все большей крутизной. Но при U_пр в несколько десятых долей вольта (при достижении U₀) запираемый слой практически исчезает и остается только сопротивление p-n-области, которое приблизительно можно считать постоянным. Поэтому далее характеристика становится почти линейной. Небольшая нелинейность объясняется тем, что при увеличении тока p- и n-области нагревается и от этого их сопротивление уменьшается. Обратный ток при увеличении обратного напряжения резко возрастает. Это вызвано резким уменьшением тока диффузии i_диф вследствие повышения потенциального барьера.

i_обр = i_др - i_диф,

следовательно обратный ток увеличивается.

Далее рост тока происходит незначительно за счет нагрева перехода током, за счет утечки по поверхности, а также за счет лавинного размножения зарядов, то есть увеличения числа носителей зарядов вследствие ударной ионизации.

Это явление состоит в том, что при более высоком обратном напряжении электроны приобретают большую скорость, и ударяя в атомы кристаллической решетки, выбивают из них новые электроны и т.д. Такой процесс усиливается при увеличении обратного напряжения.

ВАХ диода может быть использована для определения его основных параметров. По прямой ветви можно определить ∆U_пр при номинальном токе, по обратной ветви – U_{макс доп} и обратный ток I_обр при этом напряжении.

3.2. Параметры полупроводниковых диодов

Параметры силовых полупроводниковых приборов (СПП) подразделяются на две группы:

– предельно допустимые значения;

– характеризующие параметры.

Предельно допустимое значение – это значение, которое определяет либо предельную способность, либо предельное условие, при превышении которого прибор может быть поврежден.

Характеризующие параметры – это значения электрической, механической, тепловой, величины, которая характеризует свойства прибора.

Основными параметрами диода являются:

1) Предельный ток I_{пр макс}(I_FAVM).

Предельный ток I_{пр макс}(I_FAVM) – это ток, который может быть длительно пропущен через полупроводниковый диод, определенный при максимально допустимой температурой его структуры (для кремниевых вентилей Т_jm140С) и условиями охлаждения.

При включении диода в прямом направлении потери мощности (мощность рассеяния) P определяются

P= U_пр I_пр = U_F  I_FAV, (3.2)

где U_F(U_пр) – падение напряжения в структуре вентиля,

I_FAV(I_пр) – прямой ток.

Мощность рассеяния выделяется в виде тепла, которое необходимо отводить от диода.

Чем больше I_пр, тем сильнее греется диод. Если ∆P мала, то выделяющееся тепло равномерно рассеивается по всей массе диода и температура p-n- перехода возрастает незначительно. Если ∆P велика, то возникает недопустимый нагрев структуры и диод выходит из строя. Для каждого полупроводникового диода существует I_пр продолжительного режима.

Значение тока I_{FAV max}(I_{пр макс}) представляет собой максимально допустимое среднее за период значение прямого тока в однофазной однополупериодной схеме при частоте 50 Гц и работе на активную нагрузку R, которая может продолжительно протекать через диод VD, не вызывая его недопустимого нагрева и необратимого изменения характеристик.

а б

Рис. 3.2. Схема включения диода (а) и диаграммы электромагнитных процессов при работе его на активную нагрузку

При нагрузке диода I_{пр макс} перегрузки недопустимы.

Промышленность выпускает диоды на токи от нескольких миллиампер до нескольких тысяч ампер. На силовые кремниевые полупроводниковые диоды установлена следующая шкала предельных токов: 10; 12,5; 16; 20; 25; 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160; 200; 250; 320; 400; 500; 630; 800; 1000; 1250; 1600; 2000; 2500 А.

Предельный ток записывается в маркировке диода. Например, диод ДЛ133–500, В 200, В 320, ВЛ 200, ВК2–200 и т.д.

Ток, который можно безопасно пропустить через диод всегда меньше предельного. Чтобы его повысить, нужно увеличить интенсивность охлаждения. Для этого диоды снабжают охладителями, способствующими отводу тепла в окружающую среду, обдувают потоком воздуха. Ранее применялось охлаждение водой или маслом.

2) Перегрузочная способность.

Нагрев структуры диода при прохождении тока определяется потерями мощности, временем прохождения тока и начальной температурой структуры, предшествующей перегрузке.

Рис. 3.3. Амперсекундная характеристика

При кратковременных перегрузках выделяющаяся в структуре энергия (∆P) быстро распространяется по структуре, и температура не успевает значительно возрасти. При длительных перегрузках энергия быстро рассеяться не может и температура температура сильно повышается. Поэтому, чем больше значение тока перегрузки, тем меньшее время он должен протекать. Например, для диодов В 200 и В 320 можно допустить перегрузку на 25 % в течение 30 с, двойную – в течение 1 с. Перегрузочная способность определяется по амперсекундной характеристике (АСХ), то есть зависимости степени перегрузки от времени протекания максимального тока I_макс, в течение которого температура структуры Т_j достигает допустимого максимального значения.

Перегрузочная способность диодов в аварийном режиме характеризуется одиночным допустимым значением импульса ударного тока синусоидальной формы I_уд (I_FSM) продолжительностью 10 мс при заданной начальной температуре структуры, соответствующей предельному току. Обычно I_FSM= (1520) I_FAVM. Для диода В 320 I_уд = 6000 А при Т_jm = 140^С.

Значение I_FSM используется для проверки допустимости данного вентиля с расчетными значениями аварийных максимальных токов, возникновение которых возможно в процессе эксплуатации.

Поскольку количество тепла, выделяемого при прохождении импульса аварийного тока, согласно закону Джоуля-Ленца, пропорционально квадрату этого тока и времени его прохождения, то в технических данных силовых диодов обычно приводится значение Джоулева интеграла:

. (3.3)

Эта величина характеризует максимальное количество тепла, которое может быть воспринято вентилем без повреждения структуры и в условиях нормального охлаждения.

Для вентиля В200 S= 80000 А²с, В320 S= 255000 А²с.

3. Номинальное напряжение.

Напряжение, подводимое на диод, не должно превышать некоторого максимального значения U_{обр макс} (U_BR ), при котором происходит пробой p-n- перехода. Значение U_BR соответствует началу изгиба обратной ветви ВАХ. Напряжение U_BR прикладывают к диодам только при испытаниях. В реальных сетях питающее напряжение не синусоидально. Не синусоидальное напряжение характеризуется повторяющимися и не повторяющимися напряжениями.

Рис. 3.4. Обратная ветвь вольтамперной характеристики

U_RWM(U_р) – импульсное рабочее обратное напряжение. Это наибольшее значение мгновенного обратного напряжения, исключая все повторяющиеся напряжения.

U_RWM(U_р) = 0,8  U_RRM;

U_RRM(U_n) – повторяющееся импульсное обратное напряжение. Это наибольшее мгновенное значение обратного напряжения, включая все повторяющиеся, но исключая все неповторяющиеся напряжения.

U_RRM(U_п) = (0,750,85)  U_BR.

Число сотен вольт повторяющегося обратного напряжения определяет класс диода

.

Значение U_RRM определяется коммутационными процессами в самом преобразователе.

U_RSM(U_н,п) – неповторяющееся импульсное обратное напряжение. Наибольшее мгновенное значение любого не повторяющегося обратного напряжения, прикладываемого к диоду.

U_RSM(U_н,п) = 1,16  U_RRM.

Значение U_RSM определяется разовыми перенапряжениями, которые могут возникнуть при грозовом разряде или в момент отключения индуктивных цепей автоматическим выключателем.

Рис. 3.4. Возможные виды перенапряжений

Диод выбирают так, чтобы амплитуда питающего синусоидального напряжения не превышала значения U_RWM.

4. Повторяющийся импульсный обратный ток (I_RRM).

Рис. 3.5. Кривые обратного напряжения и повторяющегося импульсного

обратного тока

Амплитудным значением тока I_RRM называют ток, протекающий через диод в обратном (запирающем) направлении при приложении к нему повторяющегося импульсного обратного напряжения U_RRM.

В соответствие с ГОСТ 24461-90 параметром – критерием является амплитуда I_RRM при приложенном U_RRM. Температура Т_j или Т_{j max}. Значение I_RRM не должно превышать заданного справочником или каталогом.

Германиевые диоды при прочих равных условиях имеют большие значения тока I_RRM. Меньшие значения тока I_RRM в кремниевых диодах объясняется тем, что из-за большей энергии, требуемой для образования пары “электрон – дырка”, число основных носителей в кремнии (при одинаковой температуре) меньше, чем в германии. Следовательно, меньше будет и концентрация не основных носителей, определяющая обратный ток. Поэтому кремниевые диоды имеют лучшие вентильные свойства, чем германиевые.

5) Прямое падение напряжения (прямое импульсное напряжение) U_FM(U_пр).

За номинальное значение U_пр (U_FM) принимают падение напряжения на диоде при прохождении импульса тока равного 3,14() значения предельного тока I_{FAV MAX}, при температуре 25^C. Для силовых кремниевых диодов это значение составляет U_пр (U_FM) = (1,071,8) В, в зависимости от типа вентилей.

Рис. 3.6. Определение прямого падения напряжения по прямой ветви

вольтамперной характеристики

Статическое и динамическое сопротивление.

Полупроводниковый диод представляет собой нелинейное сопротивление, которое зависит от напряжения и тока.

Статическое сопротивление характеризует сопротивление диода постоянному току (рис. 3.7).

Рис. 3.7. Определение статического сопротивления по прямой ветви вольтамперной характеристики

(3.4)

. (3.5)

где k – коэффициент, учитывающий единицы величин, входящих в формулу.

Динамическое сопротивление характеризует свойства диода по отношению к малым приращениям или переменным составляющим, наложенным на относительно большие постоянные токи или напряжения (рис. 3.8).

Рис. 3.8. Определение динамического сопротивления по прямой ветви вольтамперной характеристики

, (3.6)

(3.7)

7) Температурный режим.

Свойства p-n-перехода существенно зависят от температуры. Проводимость его в прямом направлении высока даже при низких температурах (-60^С), так как для отрыва валентных электронов требуется небольшая энергия.

При повышенной температуре сильнее проявляется собственная проводимость полупроводников и тем меньше сказывается примесная проводимость. В результате концентрация электронов и дырок по обе стороны от места контакта двух полупроводников p- и n-типа выравнивается, электрическое поле в этом месте исчезает и p-n-переход при высоких температурах теряет свои вентильные свойства.

Для германиевых диодов T_jmax  (7090)^C; для кремниевых диодов T_jmax (125140)^C. Для отрыва валентного электрона от атома требуется большая энергия. Увеличение обратного тока, при возрастании температуры, объясняется усилением генерации пар носителей. Для германиевых диодов обратный ток возрастает в два раза, при повышении температуры на каждые 10^С, так же снижается напряжение электрического пробоя. Кроме того, с увеличением температуры у германиевых диодов снижается напряжение электрического пробоя.

У кремниевых диодов, при нагреве на 10^С, обратный ток возрастает примерно в 2,5 раза, а напряжение пробоя, при повышении температуры, сначала несколько возрастает, а затем уменьшается.

Прямой ток при нагреве диода растет не так сильно, как обратный. Это объясняется тем, что прямой ток возникает главным образом за счет примесной проводимости, а концентрация примесей не зависит от температуры.

8. Емкость ЭДП и частотные характеристики.

ЭДП можно рассматривать как эквивалентный конденсатор, состоящий из обкладок, разделенных областью, обедненной носителями зарядов и обладающей повышенным сопротивлением. Емкость этого конденсатора определяется как отношение приращения заряда на переходе к приращению падения напряжения на нем, то есть:

Емкость перехода зависит от значения и полярности внешнего приложенного напряжения. При обратном напряжении на переходе, эта емкость называется барьерной.

(3.8)

где _к – контактная разность потенциалов,

U – обратное напряжение на переходе,

с_б(0) – значение с_б, при U = 0, которое зависит от площади p-n-перехода и свойств полупроводникового кристалла.

Теоретически барьерная емкость существует и при прямом напряжении на p-n- переходе, однако она шунтируется низким дифференциальным (динамическим) сопротивлением r_т. При прямом смещении p-n-переход значительно большее влияние оказывает диффузионная емкость, которая зависит от значения прямого тока и времени жизни не основных носителей _р. Эта емкость не связана с током смещения, но дает такой же сдвиг фазы между напряжением и током, что и обычная емкость. Значение диффузионной емкости определяется по выражению:

(3.9)

(3.10)

где I – прямой ток,

_р – время жизни не основных носителей,

_т – тепловой потенциал.

Рис. 3.9. Зависимость барьерной емкости от приложенного напряжения

Полная емкость ЭДП, при прямом смещении определяется суммой барьерной и диффузионной емкостей:

с_пр = с_диф + с_бар,

при обратном смещении ЭДП диффузионная емкость отсутствует и

с_обр = с_бар.

Барьерная емкость вредно влияет на выпрямление переменного тока, так как шунтирует диод, и через нее на более высоких частотах проходит переменный ток. Это происходит вследствие уменьшения емкостного сопротивления на высоких частотах и возможности протекания обратного тока через емкость ЭДП. Это нарушает нормальную работу прибора, так как ЭДП теряет свои вентильные свойства, поэтому для работы на высоких частотах используют так называемые точечные полупроводниковые приборы, у которых площадь ЭДП незначительна и собственная емкость мала. В паспортных данных обычно указывают наивысшую рабочую частоту диода. Силовые диоды, применяемые на электроподвижном составе и тяговых подстанциях рассчитаны на работу в цепях с частотой до 500 Гц.

Свойства барьерной емкости используют при создании специальных диодов (варикапов и варакторов), которые применяют в качестве конденсаторов переменной емкости для настройки колебательных контуров (электронная настройка).