2 Полупроводниковые диоды

1. Общие положения

Полупроводниковый диод представляет собой электропреобразователь­ный полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами, в котором используются свойства р-n перехода.

Полупроводниковые диоды классифицируются:

• по конструктивно-технологическим особенностям: плоскостные, точеч­ные, микросплавные;

• по мощности: маломощные, средней мощности, мощные;

• по частоте: низкочастотные, высокочастотные, сверхвысокочастотные;

• по назначению: выпрямительные диоды, импульсные диоды, стабили­троны, варикапы, туннельные диоды и др.;

• по типу исходного материала: германиевые, кремниевые и др.

В точечном диоде используется пластинка германия или кремния с элек­тропроводностью n-типа (рис. 2.1, а). С пластинкой соприкасается игла с нане­сенной на нее акцепторной примесью, которая диффундирует в основной полу­проводник, создавая область с другим типом электропроводности. Таким обра­зом, вокруг иглы образуется р-n переход полусферической формы очень малой площади. За счет этого точечные диоды могут работать на высоких частотах, однако, при небольших токах (порядка десятков миллиампер).

В плоскостных диодах р-n переход образуется двумя полупроводниками с различными типами электропроводности (рис. 2.1, б). На пластину германия или кремния n-типа накладывается материал акцепторной примеси и в вакуум­ной печи при высокой температуре (порядка 500 °С) происходит диффузия ак­цепторной примеси в пластину, в результате чего образуется область проводи­мости p-типа и p-n переход большой плоскости. Большая плоскость p-n пере­хода позволяет пропускать большие прямые токи, однако за счёт большой барьерной ёмкости плоскостные диоды работают только на низкой частоте.

Условные обозначения наиболее широко используемых типов полупроводниковых диодов приведено на рис. 2.2. Вывод от p-области называется анодом, а вывод от n-области – катодом (рис. 2.2, а).

2. Выпрямительные диоды

Выпрямительный диод – это полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования переменного тока в постоянный.

В основе работы выпрямительных диодов лежит свойство односторонней проводимости р-n перехода, которое заключается в том, что последний хорошо проводит ток (имеет малое сопротивление) при прямом включении и практически не проводит ток (имеет очень высокое сопротивление) при обратном включе­нии.

Основными параметрами выпрямительных полупроводниковых диодов являются:

• прямой ток диода I_пр, который нормируется при определенном прямом на­пряжении (обычно U_пр = 1…2 В);

• максимально допустимый прямой ток I_пр.mах диода;

• максимально допустимое обратное напряжение диода U_обр.mах, при кото­ром диод еще может нормально работать длительное время;

• постоянный обратной ток I_обр, протекающий через диод при обратном на­пряжении, равном U_обр.mах;

• средний выпрямленный ток I_ср, который может длительно проходить че­рез диод при допустимой температуре его нагрева;

• максимально допустимая мощность P_mах, рассеиваемая диодом, при кото­рой обеспечивается заданная надежность диода.

Выбор выпрямительного диода по справочной литературе произво­дится по току I_пр.mах и максимально допустимому обратному напряжению U_обр.mах.

Падение напряжения в прямом включении у германиевых диодов состав­ляет U_пр = 0,3…0,6 В, у кремниевых − U_пр = 0,8…1,2 В. Наиболее часто при­меняются последние. Для технических расчетов, если особо не оговорено условием принимается прямое напряжение на диоде U_пр = 1 В.

С увеличением температуры прямое падение напряжения уменьшается, что связано с уменьшением высоты потенциального барьера.

Работоспособность германиевых диодов сохраняется вплоть до темпера­туры +85С окружающей среды. Кремниевые диоды имеют более широкий диапазон допустимых температур и могут работать до +150С.

Допустимое обратное напряжение германиевых диодов достигает 100…400 В, а кремниевых диодов − 1000…1500 В.

Выпрямительные диоды применяются для преобразования переменного тока в постоянный, используются в схемах управления и коммутации для огра­ничения нежелательных выбросов напряжений, в качестве элементов электри­ческой развязки цепей и т.д.

В ряде мощных преобразовательных установок требования к среднему значению прямого тока I_ср или обратному напряжению U_обр.mах превышают номинальные зна­чение параметров существующих диодов. В этих случаях задача решается пу­тем параллельного или последовательного соединения диодов.

Параллельное согласное соединение диодов (рис. 2.3, а) применяют в том случае, когда нужно получить прямой ток, превышающий предельный допустимый ток од­ного диода. Ток цепи при параллельном включении диодов

.

(2.1)

Однако вследствие разброса параметров даже однотипных диодов их прямые ветви ВАХ будут иметь различия. По этой причине параллельно вклю­ченные диоды могут быть нагружены по-разному, в некоторых ветвях прямой ток будет превышать предельный ток одного из диодов, а это спровоцирует те­пловой пробой всех диодов.

Для выравнивания токов в ветвях используют диоды с малым различием прямых ветвей ВАХ (производят их подбор) или последовательно с диодами включают уравнительные резисторы с сопротивлением в единицы Ом.

Встречно-параллельное соединение диодов (рис. 2.3, б) применяют для двухстороннего ограничения входного сигнала по уровню около 1 В, например, для защиты входа усилителя с большим коэффициентом усиления.

Последовательное соединение (рис. 2.4) диодов применяют для увеличения сум­марного допустимого обратного напряжения. При воздействии обратного на­пряжения ввиду различия обратных ветвей ВАХ общее напряжение будет рас­пределяться по диодам неравномерно. К диоду, у которого сопротивление об­ратного включения больше, будет приложено и большее напряжение. Оно мо­жет оказаться выше предельного допустимого, что приведет к пробою диода и обрыву цепи.

Обратное напряжение цепи при последовательном включении диодов

.

(2.2)

Для того, чтобы обратное напряжение распределялось равномерно между диодами независимо от их обратных сопротивлений, применяют шунтирование диодов резисторами порядка 100 кОм на каждые 100 В – этой меры достаточно для низкочастотных цепей. В высокочастотных цепях для устранения импульс­ных перенапряжений каждый диод дополнительно шунтируют конденсатором, емкость которого принимают равной паспортной емкости p-n перехода.