Вопрос 22

Полупроводниковые диоды, классификация. Выпрямительные низкочастотные диоды, особенности германиевых и кремниевых диодов. Температурные диапазоны работы.

Классификация полупроводниковых диодов

По исходному полупроводниковому материалу диоды делятся на две основные группы: германиевые и кремниевые. Первые работают при температурах не выше +70°С, а вторые – до +125-150°С.

По конструктивно-технологическому признаку также различают две разновидности диодов: точечные и плоскостные. У точечных диодов (рис. а) выпрямляющий контакт образуется в точке касания полупроводниковой пластинки острием металлической иглы, причем пропускное направление соответствует прохождению тока от иглы к пластинке. У плоскостных диодов (рис. б, в) выпрямляющими свойствами обладает поверхность раздела двух областей полупроводника с разными типами проводимости (дырочной p и электронной n) внутри монокристаллического объема полупроводника (p-n переход). Наиболее распространенными плоскостными диодами являются так называемые сплавные, у которых p-n переход образуется в результате рекристаллизации сплава исходного полупроводника с помещенной на его поверхности таблеткой примесного вещества (рис. б).

 

Устройство полупроводниковых диодов различных типов: а) - точечного; б) - плоскостного сплавного; в) - микросплавного

Сплавные диоды позволяют пропускать значительно большие токи и отличаются лучшим постоянством характеристик, но обладают повышенными емкостями, что ограничивает их применение на высоких частотах. Промежуточными свойствами обладают микросплавные диоды (рис. в). Они изготавливаются путем электролитического осаждения тонкой пленки примесного вещества на поверхность монокристаллической пластинки исходного полупроводника и последующего вплавления этой примеси.

По областям применения различают диоды универсального назначения, силовые выпрямительные диоды, стабилизаторы напряжения («опорные» диоды) и ряд разновидностей диодов специализированного назначения (смесительные и модуляторные диоды, диоды для умножения частоты, для параметрических усилителей и др.). Выпускаются также высоковольтные выпрямительные столбы, состоящие из нескольких однотипных диодов, включенных последовательно.

Рис. 1.10 Условные графические обозначения: а – выпрямительные и универсальные; б – стабилитроны; в – двухсторонний стабилитрон; г – туннельный диод; д – обращенные диоды; е – варикап; ж – фотодиодов; з – светодиод

Выпрямительные низкочастотные диоды

Выпрямительные диоды

Это электронные приборы с одним p-n переходом обладающие односторонней проводимостью и предназначенные для преобразования переменного напряжения в постоянное. Частота выпрямляемого напряжения как правила не более 20 кГц. К выпрямительным диодам относятся также и диоды Шотки.  

Низкочастотные выпрямительные диоды и мосты

Выпрямительные диоды содержат один p-n-переход и являются относительно простыми полупроводниковыми приборами. В зависимости от рабочей частоты (быстродействия), такие диоды делятся на низкочастотные (до 1 кГц), высокочастотные и импульсные (быстродействующие). При изложении данного раздела будем рассматривать только низкочастотные диоды. Другие группы диодов рассматриваются в следующем разделе. Основные параметры выпрямительных диодов [7]:

максимально допустимое обратное повторяющееся напряжение URRM;

максимально допустимый выпрямленный прямой средний/прямой эффективный (среднеквадратичный) ток — IF(AV)/IF(RMS);

максимально допустимый импульсный ток IFMS — для повторяющихся или единичных импульсов диодов (в частности, за 10 мс — половина периода частоты 50 Гц или за 8,3 мс — для частоты 60 Гц);

прямое падение напряжения на включенном диоде UFM;

допустимая рабочая частота fmax.

Максимально допустимая мощность рассеяния, как правило, не задается и определяется стандартными типами корпусов диодов (с определенными значениями теплового сопротивления переход-корпус Rth JC). В большинстве случаев выпрямительные диоды крепятся к теплоотво-дящему радиатору (охладителю), а при таблеточной конструкции корпуса — с двух сторон. Отвод тепла обеспечивается путем естественной конвекции или принудительной вентиляции.

Для сетевых выпрямителей обычно выбираются выпрямительные диоды или мосты с напряжением URRM = 600-800 В для однофазной (~220/230 В) и 800-1000 В для трехфазной (3×~220 В или 3×~380 В) сети переменного тока [8]. При этом приняты во внимание максимальное повышение сетевого напряжения (на +20%), возможные «перекосы» напряжения фаз сети и др. В этом случае особенно важно обеспечить напряжение изоляции выводов относительно корпуса блока, которое должно быть Uisol≥2000 В.

Отметим, что, в отличие от других силовых компонентов, в СУ российские разработчики и производители значительно чаще используют силовые выпрямительные диоды отечественных фирм. Отечественные низкочастотные диоды имеют хорошо отработанную технологию, достаточно надежны и сравнительно недороги, например, диоды серий Д1ХХ (Д106-, Д112-, Д122- и т. д.), Д2ХХ (Д232-), Д3ХХ (Д333) и др. Эти диоды перекрывают диапазон напряжений URRM = 100-6000 В и токи IF(AV) = 10-6600 А. Диоды выпускаются в штыревом (металлостеклянные корпуса SD1-SD3, металлокерамические корпуса SD4-SD7), таблеточном и модульном исполнении. Одним из основных производителей силовых диодов и вообще компонентов силовой электроники является ОАО «Электровыпрямитель» (г. Саранск) [9]. Поставка диодов осуществляется многими фирмами-дилерами: ООО «Симметрон», ООО «Платан», ООО «Силовой диод» (г. Москва) и др. В частности, очень широкую номенклатуру силовых диодов поставляет ООО «Энергосистемавтоматика» (г. Москва) [10].

В таблице 1 приведены основные параметры некоторых низкочастотных выпрямительных диодов отечественных фирм.

Поскольку выпрямительные мосты собраны из выпрямительных диодов, то, естественно, они имеют аналогичный набор параметров. Но поскольку в мосте 2 диода включены последовательно в каждом полупериоде переменного напряжения, параметр UFM, естственно, имеет большее значение. Приведем для примера параметры мостов фирмы IR:

однофазный мост 26MBxxA: URRM = 200-800 В, IF(AV) = 25 А, IFSM = 475 А (10 мс), UFM= 1,1 В; корпус D-34 A;

трехфазный мост 110MT120KB: URRM = 1200 В, IF(AV) = 110 А, IFSM = 950 А (10 мс), пороговое напряжение UFM0 = 0,81 В; корпус — модуль.

Особенности Германиевых И кремниевых Диодов

(германиевые и кремниевые диоды)

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) германиевых и кремниевых диодов различаются. На рис. 2.3‑1 для сравнения показаны типичные ВАХ для германиевых и кремниевых выпрямительных диодов при различных температурах окружающей среды.

Обратный ток кремниевых диодов значительно меньше обратного тока германиевых диодов. Кроме того, обратная ветвь вольт-амперной характеристики кремниевых диодов не имеет явно выраженного участка насыщения, что обусловлено генерацией носителей зарядов в p-n-переходе и токами утечки по поверхности кристалла. При подаче обратного напряжения превышающего некий пороговый уровень происходит резкое увеличение обратного тока, что может привести к пробою p-n-перехода. У германиевых диодов, вследствие большой величины обратного тока, пробой имеет тепловой характер. У кремниевых диодов вероятность теплового пробоя мала, у них преобладает электрический пробой. Пробой кремниевых диодов имеет лавинный характер, поэтому у них, в отличие от германиевых диодов, пробивное напряжение повышается с увеличением температуры. Допустимое обратное напряжение кремниевых диодов (до 1600 В) значительно превосходит аналогичный параметр германиевых диодов. Обратные токи в значительной степени зависят от температуры перехода. Из рисунка видно, что с ростом температуры обратный ток возрастает. Для приближенной оценки можно считать, что с увеличением температуры на 10 °С обратный ток германиевых диодов возрастает в 2, а кремниевых — в 2,5 раза. Верхний предел диапазона рабочих температур германиевых диодов составляет 75…80 °С, а кремниевых — 125 °С. Существенным недостатком германиевых диодов является их высокая чувствительность к кратковременным импульсным перегрузкам. Вследствие меньшего обратного тока кремниевого диода его прямой ток, равный току германиевого диода, достигается при большем значении прямого напряжения. Поэтому мощность, рассеиваемая при одинаковых токах, в германиевых диодах меньше, чем в кремниевых. Прямое напряжение при малых прямых токах, когда преобладает падение напряжения на переходе, с ростом температуры уменьшается. При больших токах, когда преобладает падение напряжения на сопротивлении нейтральных областей полупроводника, зависимость прямого напряжения от температуры становится положительной. Точка, в которой отсутствует зависимость прямого напряжения от температуры (т.е. эта зависимость меняет знак), называется точкой инверсии. У большинства диодов малой и средней мощности допустимый прямой ток, как правило, не превышает точки инверсии, а у мощных диодов допустимый ток может быть выше этой точки.