3.2 Полупроводниковые диоды и их характеристики
Диод – двухэлектродный элемент электрической цепи, обладающий односторонней проводимостью тока. Его условное графическое обозначение (УГО) показано на рисунке 3.12.
Рисунок 3.12 – УГО диода
Основные группы диодов следующие.
А) Выпрямительные диоды, которые разделяются на следующие виды:
1) малой мощности – имеют значение прямого тока до 300 мА. Характеризуются допустимым средним значением тока – среднее за период значение длительно протекающих через диод импульсов тока синусоидальной формы при паузах 1800 и частоте 50 Гц;
2) средней мощности – допустимый ток в интервале 0,3–10 А. Обычно тепло, выделяемое в кристалле таких диодов, рассеивается корпусом. Если этого недостаточно, то диод устанавливается на радиатор;
3) мощные – допустимый ток более 10 А и до 1000 А.
Б) Импульсные диоды – характеризуются малым временем перехода диода из закрытого состояния в открытое: у них быстрая реакция на подводимое импульсное напряжение. Пока при открывании идет накопление неравновесных носителей зарядов (положительных в n-слое и отрицательных в р-слое) в полупроводнике под воздействием приложенного напряжения, то сначала напряжение на диоде большое, а затем это напряжение снижается. Время, в течение которого напряжение на диоде спадает от максимального до 1,2 напряжения на диоде в установившемся режиме, называется временем установления прямого сопротивления диода (tуст).
Во время запирания диода возникает бросок обратного тока: рассасываются неравновесные носители, накопленные при протекании прямого тока. Время, в течение которого обратный ток достигает 1,2 от установившегося значения, называется временем восстановления обратного сопротивления диода (tвосст). Времена tуст и tвосст для современных диодов лежат в пределах от 0,1 мс до десятков пикосекунд.
В) Стабилитроны – в них используется свойство очень малого изменения обратного напряжения на p-n-переходе при электрическом пробое (рисунок 3.13). Характеризуется параметрами: ток стабилизации IСТ; напряжение стабилизации UСТ; дифференциальное сопротивление rд = DUСТ/DIСТ; температурный коэффициент напряжения стабилизации ТКНС.
Рисунок 3.13 – Обратная ветвь ВАХ стабилитрона
Стабисторы используются для стабилизации напряжений менее 3 В и работают на прямой ветви ВАХ.
Г) Варикапы. Так как любой переход имеет зарядную (барьерную) ёмкость, изменяющуюся при изменении прикладываемого напряжения, это позволило создать диод с большим диапазоном изменения барьерной ёмкости. В этом случае (запертый переход) сопротивление варикапа (RОБР) и добротность его больше. Характеризуются: CMAX – максимальная емкость при заданном минимальном напряжении; CMIN – ёмкость при заданном максимальном напряжении. CНОМ – при номинальном напряжении смещения; kC = CMAX/CMIN – коэффициент перекрытия. Вольт-фарадная характеристика варикапов нелинейна.
Д) Тиристоры. Это полупроводниковые приборы с ВАХ S-типа, рисунок 3.14.
Рисунок 3.14 – ВАХ тиристора
Среди тиристров различают диодные и триодные. Диодные называются динисторами, рисунок 3.15. Их переход из закрытого состояния в открытое происходит с достижением напряжения на диоде величины UПЕР. Запирание динистора производится по цепи анода изменением полярности. В триодных тиристорах управление состоянием прибора производится по цепи управляющего электрода – могут выполняться одна или две операции по изменению состояния тиристора. Однооперационные – по цепи управляющего электрода производится только отпирание, рисунок 3.15.
Рисунок 3.15 – Динистор и однооперационный тиристор
Его запирание производится изменением полярности напряжения анод–катод. Двухоперационные тиристоры производят по цепи управления и отпирание, и запирание, рисунок 3.16.
Рисунок 3.16 – Двухоперационный тиристор
То есть эти приборы выполняют функцию бесконтактного ключа с проводимостью в одну сторону. Есть и симметричные тиристоры – симисторы: они позволяют проводить ток в обоих направлениях, рисунок 3.17.
Рисунок 3.17 – Симистор
Это два однооперационных тиристора, включенных встречно-параллельно. ВАХ для симистора приведена на рисунке 3.18.