8.2. Выпрямительные диоды

Выпрямительным диодом называется полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования переменного тока в постоянный в силовых цепях, т.е. в источниках питания. Выпрямительные диоды всегда плоскостные, с несимметричным р-п-переходом, они могут быть германиевые или кремниевые. Германиевые диоды создаются главным образом сплавным способом, а кремниевые – сплавным и диффузионным. Германиевые диоды лучше кремниевых тем, что имеют меньшее прямое падение напряжения. Кремниевые диоды превосходят германиевые по диапазону рабочих температур, по максимально допустимому обратному напряжению, а также имеют меньший обратный ток. Выпрямительные диоды имеют малые сопротивления в проводящем состоянии, поэтому позволяют пропускать большие токи. Из-за значительной площади р-п-перехода барьерная емкость этих диодов будет большой, достигая значений десятков пикофарад.

Вольт-амперные характеристики полупроводниковых диодов представлены на рис. 8.4.

Рис. 8.4. Вольт-амперные характеристики и основные

параметры выпрямительных диодов: 1 – кремниевый диод;

2 ‑ Германиевый диод

Полупроводниковые выпрямительные диоды обычно характеризуются следующими основными параметрами (рис. 8.4):

1. Постоянный обратный ток I_обр (мкА; мА) при некоторой величине постоянного обратного напряжения U_обр;

2. Постоянное прямое напряжение U_пр при постоянном прямом токе I_пр (мА; А).

При нормальной температуре у германиевых диодов пробивные напряжения лежат в пределах 100 – 400 В. У кремниевых диодов это напряжение может достигать 1000 – 1500 В. Падение прямого напряжения на кремниевом диоде при протекании через него номинального прямого тока составляет 0,8 – 1,5 В, а у германиевых диодов – 0,3 – 0,5 В.

Вольт-амперные характеристики полупроводниковых выпрямительных диодов зависят от температуры (рис. 8.5).

Рис. 8.5. Зависимость вольт-амперных характеристик

для германиевых и кремниевых диодов от температуры:

Т₁ ‑ комнатная температура; Т₂ > Т₁

С увеличением температуры увеличивается обратный ток, так как увеличиваются тепловой ток и ток термогенерации. Прямой ток также увеличивается при повышении температуры, как это следует из (6.1), где перед скобками стоит множитель I₀, возрастающий с увеличением температуры. Но при больших рабочих температурах (например, свыше 75 ºС для кремниевых диодов) средний прямой ток уменьшается в два раза, основную роль начинает играть электропроводность базы диода, которая начинает уменьшаться с ростом температуры.

При повышении температуры величина напряжения лавинного пробоя у кремниевых диодов увеличивается, что происходит из-за теплового рассеяния подвижных носителей заряда и уменьшения средней длины их свободного пробега в р-п-переходе. В германиевых диодах с ростом температуры обратный ток значительно увеличивается, а величина напряжения пробоя зависит от вида пробоя: в случае теплового пробоя она падает с увеличением температуры перехода, в случае лавинного пробоя растет.

8.3. Стабилитроны

Полупроводниковым стабилитроном или опорным диодом называется плоскостной полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации уровня постоянного напряжения. Стабилизация – поддержание какого-либо уровня неизменным. Принцип действия стабилитрона основан на том, что на его вольт-амперной характеристике (рис. 8.6) имеется участок, на котором напряжение практически не зависит от величины протекающего тока.

Рис. 8.6. Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Таким участком является участок электрического пробоя, а за счет легирующих добавок в полупроводник ток электрического пробоя может изменяться в широких пределах, не переходя в тепловой пробой. Так как участок электрического пробоя – это обратное напряжение, то стабилитрон включается обратным включением. Подобной вольт-амперной характеристикой обладают сплавные диоды с базой, изготовленной из низкоомного полупроводникового материала. По конструкции стабилитроны всегда плоскостные и кремниевые, так как кремниевые диоды имеют меньшее значение обратного тока, обладают большей устойчивостью к тепловому пробою по сравнению с германиевыми.

Основными электрическими параметрами стабилитронов являются:

1. Напряжение стабилизации U_ст – падение напряжения на стабилитроне при протекании заданного тока стабилизации (от нескольких вольт до сотен вольт).

2. Номинальный ток стабилизации I_ст.ном – номинальное значение тока, протекающего через стабилитрон, определяющее U_ст (от нескольких мА до нескольких А).

3. Дифференциальное или динамическое сопротивление r_ст, которое определяется при заданном значении тока стабилизации на участке пробоя как

. (8.1)

Дифференциальное сопротивление определяет наклон обратной ветви вольт-амперной характеристики, его величина изменяется от 1 до 1000 Ом.

4. Температурный коэффициент стабилизации

[%/град], (8.2)

где ΔU_ст/U_ст – относительное изменении напряжения стабилизации; ΔТ – изменение температуры.

Для сплавных переходов α_ст равен 0,37 %/град, а для диффузионных – 0,3 %/град.

Кроме того, в технических условиях на стабилитроны указываются следующие предельно-допустимые режимы эксплуатации:

1. Максимально-допустимый ток стабилизации в интервале температур I_{ст.макс} (от десятков мА до единиц А), определяемый максимально-допустимой мощностью.

2. Минимальный ток стабилизации в интервале температур I_ст.мин (1 – 3 мА).

3. Максимально-допустимая мощность в интервале температур (от нескольких мВт до нескольких Вт).

Стабилитроны, предназначенные для стабилизации напряжений менее 3 В, называются стабисторами, у них используется прямая ветвь вольт-амперной характеристики. Стабисторы применяются в прямом включении.

Отечественная промышленность выпускает кремниевые стабилитроны на напряжение стабилизации от 5 до 300 В при токе стабилизации от 0,1 мА до 2 А и при рассеиваемой мощности от 0,15 до 50 Вт.