Введение в электронику. Учебное пособие

Б. С. Сергеев, М. А. Оськина. Введение в электронику

Iд Область прямой проводимости

Область обратной проводимости

Рисунок 2.2 — Вольтамперная характеристика диода с p-n переходом

Другая область — область обратной проводимости соответствует выключенному (непроводящему) состоянию диода, когда полярность напряжения, прикладываемая к его выводам, будет обратной по отношению к показанной на рисунке 2.2. Для идеального диода обратный ток: Iобр = 0. Очевидно, что в этом случае выходное напряжение традиционного выпрямителя не будет зависеть от параметров диода, что приближает его к выполнению приведенного равенства по величине КПД.

Рассмотрим область прямой проводимости ВАХ реального диода. При значительном токе, протекающем через диод, его ВАХ в об-

ласти прямой проводимости описывается выражением:

где IS — ток насыщения (тепловой ток); jт = kT q

тенциал; q — заряд подвижного носителя заряда;k — постоянная Больцмана; Т— абсолютная температура (К). Практически для кремниевого диода напряжение Uпр лежит в пределах (0,7–0,9) В, хотя в паспортных данных это напряжение задается как максимальная величина: Uпр < (1,5–2) В.

11

2. Дискретные полупроводниковые элементы электроники

Выражение (2.1) — это нелинейная функция, математические операции с которой при расчете электронных схем представляют значительные трудности. Поэтому обычно область прямой проводимости диода представляется упрощенной эквивалентной схемой, показанной на рисунке 2.3, а, а соответствующая ей ВАХ приведена на рисунке 2.3,б. Представление подобной модели диода широко применятся на практике при анализе электронных схем и их разработке.

а) б)

Рисунок 2.3 — Эквивалентная схема диода (а) и ее ВАХ (б)

Здесь дифференциальное сопротивление диода в области прямой проводимости равно

и наравне с напряжением Uд0 является важным параметром диода, определяющим потери мощности при протекании по нему прямого тока.

Рассмотрим область обратной проводимости ВАХ реального диода (рисунок 2.2). Она характеризуется тем, что если к диоду прикладывается обратное напряжение |Uд| < Uпроб, то обратный ток через него увеличивается приблизительно линейно и при |U| = Uобр max

этот ток равен: |Iд| = Iобр. Параметры Uобр max и Iобр являются нормативными паспортными данными диода. Здесь Uпроб — напряжение

пробоя, при котором ток через диод лавинообразно увеличивается и затем может произойти необратимый отказ диода с возможным

12

Б. С. Сергеев, М. А. Оськина. Введение в электронику

разрушением полупроводниковой структуры. Поэтому величина напряжения Uобр max, которое допустимо прикладывать к диоду, долж-

на удовлетворять неравенству Uобр max < Uпроб, что показано на ВАХ рисунка 2.2. В силу линейности увеличения токаIобр для области

обратной проводимости эквивалентная схема диода представляется обычно активным сопротивлением Rобр.

Параметры диода существенно зависят от температуры полупроводникового кристалла, которая в свою очередь зависит от температуры окружающей среды и вместе с этим определяется током, протекающим через диод, и рассеиваемой им мощностью. Это иллюстрируется графиками ВАХ, приведенными на рисунке 2.4.

При увеличении температуры корпуса величина напряжения Uпр уменьшается. Это обусловливает тот факт, что температурный коэффициент напряжения (ТКН) имеет отрицательное значение, и для кремниевых диодов приближенно можно считать, что ТКН = –2 мВ/°C. То есть для обозначений, принятых на графиках рисунка 2.4, имеем: Uпр1 > Uпр2.

Обратный ток диода Iобр зависит от температуры корпуса еще сильнее и имеет положительный температурный коэффициент.

13

2. Дискретные полупроводниковые элементы электроники

Так, для кремниевых диодов на каждые 10°C ток Iобр увеличивается в 2,5 раза, что показано на графиках величинами:Iобр2 > Iобр1 для одного и того же значения обратного напряжения Uобр* . Увеличение тока Iобр приводит к тому, что повышение эксплуатационной температуры обусловливает допустимое снижение напряже-

ния пробоя: Uпроб2 < Uпроб1.

Следовательно, повышение температуры корпуса диода или увеличение температуры окружающей среды приводит к снижению надежности работы диода. Поэтому увеличение прямого тока Iпр, вызывающее увеличение мощности, рассеиваемой диодом Рд = IпрUпр, требует в определенных случаях использования надлежащих теплоотводящих устройств.

Эти свойства p-n переходов — их принципиальный недостаток, который необходимо учитывать при разработке и эксплуатации диодов в широком диапазоне изменения температуры. Очевидно, что в наибольшей степени это относится к мощным устройствам силовой электроники, где прямые токи через диод лежат в переделах единиц-десятков ампер и более. Например, если прямой ток через диод будет равен Iпр = 50 А, то для Uпр = 0,7 В это приведет к мощности, рассеиваемой диодом Рд = 35 Вт. Это обусловливает необходимость применения специальных теплоотводов, например, с принудительным охлаждением при помощи вентиляторов.

Так как прямое падение напряжения на кремниевом диоде составляет величины Uпр = 0,7–0,9 В, то если диод используется в качестве традиционного выпрямителя с малыми значениями напряжения на нагрузке Uн, то энергетическая эффективность подобного выпрямителя будет невысокой. Выражение для КПД выпрямителя,

величине напряжения питания логических ИМС Uн = 5 В получим h ≈ 0,84, что является недостаточным показателем.

Другой недостаток диодов с p-n переходом — их инерционность этапа времени выключения. Она обусловлена накоплением избыточных зарядов в их полупроводниковой структуре на этапе времени протекания через диод прямого тока Iпр.

Рассмотрим работу диода в схеме, приведенной на рисунке 2.5, а, при подаче на ее вход прямоугольного переменного напряже-

ния uвх формы «меандр» с периодом Т = t(+) + t(–). Временные диаграммы процессов работы этой схемы изображены на рисунке 2.5, б.

14

15

2. Дискретные полупроводниковые элементы электроники

Эти ток и напряжение определяются соответственно

Мощность, рассеиваемая диодом на интервале времени t(+), находится из выражения

Протекание на интервале времени t(+) прямого тока Iд1 через диод обусловливает накопление избыточных зарядов Qзар в его полупроводниковой структуре, что объясняется следующими обстоятельствами. Полупроводниковая структура диода обладает активным сопротивлением Rпп, кроме того, в ней существуют определенные неоднородности. Это приводит к возникновению пассивных областей в объеме полупроводниковой структуры, в которых и накапливается избыточный заряд Qзар.

Поэтому по окончанию интервала времени t(+), когда происходит смена полярности входного напряженияuвх с положительной на отрицательную, мгновенное изменение, в частности, уменьшение величины заряда Qзар до нуля произойти не может. Это приводит к тому, что диод некоторое времяtрасс продолжает проводить электрический ток Iд2 обратного направления.

Таким образом, на этапе времени tрасс диод становится неуправляемым и пропускает ток обратного направления, то есть теряет свои выпрямительные свойства. Эквивалентно этот случай качественно может быть представлен заряженным конденсатором, длительность разряда которого зависит от сопротивления внешней цепи и от величины тока его перезаряда.

Длительность tрасс времени рассасывания заряда Qзар приближенно может быть определена из следующего выражения:

где tд — эффективное время жизни зарядов в полупроводниковой структуре.

16

Б. С. Сергеев, М. А. Оськина. Введение в электронику

Как видно, увеличение прямого тока Iд1 приводит к увеличению интервала времени tрасс, а уменьшение tрасс возможно путем увеличения обратного тока Iд2, что практически и применяется для увеличения быстродействия импульсных электронных схем.

Протекание через диод обратного токаIд2 вызывает появление на сопротивлении Rн импульса напряжения отрицательной полярности амплитудой Uм. Одновременно наличие токаIд2 вызывает уменьшение падения напряжения на диоде, показанного на временных диаграммах рисунка 2.5, б как U пробр. Причем величина напряжения U пробр существенно меньше, чемUпр. Поэтому и в силу малости интервала времени tрасс мощность, рассеиваемая диодом и определяемая как

существенно меньше, чем мощностьРпр, определенная из выра-

жения (2.4).

После окончания времени рассасывания начинается этап времени восстановления tвосст обратного сопротивления диода. Для современных импульсных дрейфовых диодов, в том числе и силовых, изготавливаемых по методу диффузионной технологии, обычно выполняется неравенство

поэтому его влиянием на динамическую работу диода во многих случаях можно пренебречь. В случае применения сплавных диодов, которые, однако, в настоящее время применяются довольно редко, время tвосст гораздо более значимо и приближенно составляет

Для сплавных диодов, у которых не выполняется неравенство (2.7), среднее значение мощности, рассеиваемой на интервале времени tвосст, определяется

17

2. Дискретные полупроводниковые элементы электроники

При запертом состоянии диода рассеиваемая им мощность находится:

Так как обратный ток Iобр у кремниевых диодов достаточно мал, то мощностью Робр обычно пренебрегают. Полная мощность РSl, рассеиваемая диодом при работе на относительно высоких частотах, находится путем суммирования составляющих, находимых из приве-

денных выражений (2.6), (2.9) и (2.10).

Интервалы времени tрасс и tвосст определяют быстродействие высокочастотных схем как информационной, так и силовой электроники. Вместе с этим для схем силовой электроники, у которых токи, протекающие через диоды, велики, существует определенная закономерность зависимости мощности, рассеиваемой диодом, от частоты приложенного переменного напряжения. Эта качественная зависимость приведена на графике рисунка 2.6, который показывает, что при достаточно больших частотах f преобразования электрической энергии мощность, рассеиваемая диодом, может значительно увеличиться. Здесь РS0д — мощность, рассеиваемая диодом при достаточно низкой частоте f, когда влиянием процессов, происходящих на относительно коротких интервалах времени tрасс и tвосст, можно пренебречь.

Недостаточное быстродействие диода во многих случаях нарушает работу электронной схемы, в которую он входит. В частности, это обусловливает невозможность увеличения быстродействия вычислительных устройств, например, ограничивает частоту преобразования информации в компьютерах.

pSд

Рисунок 2.6 — Зависимость мощности, рассеиваемой диодом, от изменения частоты переменного напряжения

18

Б. С. Сергеев, М. А. Оськина. Введение в электронику

Например, если диод имеет параметрtрасс > t(–), то в соответствии с временными диаграммами, приведенными на рисунке 1.6, б,

на протяжении интервала времени t(–) наличия на входе схемы рисунка 1.6, а отрицательной полярности напряженияuвх выходное напряжение также всегда будет иметь отрицательную полярность напряжения. То есть диод на протяжении всего периода Т будет находиться в открытом состоянии и теряет выпрямительные свойства, следовательно, напряжение на нагрузке, например, выпрямителя, будет повторять форму входного напряжения.

Параметры полупроводниковых диодов. Разработка и эксплуата-

ция полупроводниковых диодов должны производиться в соответствии с нормированными параметрами, которые задаются техническими условиями. Основные из этих параметров:

—прямое падение напряженияUпр на диоде при протекании по нему определенного значения прямого тока Iпр;

—обратный ток Iобр, протекающий через диод при определенной величинеприкладываемогокдиодуобратногонапряжения Uобр;

—среднее значение прямого тока Iпр ср, который может протекать через диод без превышения заданного температурного режима;

—максимально допустимое значение импульсного прямого тока

Iпр имп, которое обычно превышает величину параметра Iпр ср в несколько раз и задается при определенной длительности и скважности импульсов;

—для силовых выпрямительных диодов задается параметр од-

норазового импульса прямого тока Iпр однораз, амплитуда которого может превышать ток Iпр в несколько десятков или более раз;

—максимально допустимое обратное напряжение Uобр, прикладываемое к диоду;

—максимально допустимое импульсное обратное напряжение

Uобр имп при определенной длительности и скважности импульсов;

—быстродействие диода, задаваемое в некоторых случаях как

суммарное время переходного процесса (tрасс + tвосст), называемое временем восстановления, или как отдельное время рассасывания tрасс;

—максимальная температура корпуса при всех условиях эксплуатации, что требуется для выбора вида и расчета конструкции теплоотводящих устройств.

19

2. Дискретные полупроводниковые элементы электроники

Выпускаемые отечественной и зарубежной промышленностью диоды разделяются на две основные группы: силовые и маломощные. К силовым относятся диоды, у которых токи Iпр ср превышают несколько единиц-десятков ампер. Можно также выделить высоковольтные диоды, у которых напряжения Uобр составляют несколько сотен вольт — единиц киловольт, среди которых есть силовые

и маломощные соответственно. Диоды с временамиtрасс, tвосст, составляющими доли-единицы микросекунд, относятся к быстродей-

ствующим. В выпрямительных устройствах тяговых подстанций железнодорожного транспорта используются диодные сборки, представляющие собой последовательное и параллельное соединение диодов. Они позволяют пропускать токи Iпр величиной в несколько тысяч ампер при подаче обратных напряжений в несколько киловольт, иногда и более. К маломощным относятся диоды со значениями прямых токов в несколько единиц-сотен миллиампер и обратными напряжениями, не превышающими несколько десятков вольт.Онииспользуютсявустройствахпреобразованияинформации. В настоящее время для целей силового преобразования электрической энергии, например, в устройствах электроснабжения железнодорожного транспорта, применяются и другие специальные типы диодов с p-n переходом, например, лавинные, быстровосстанавли-

вающиеся и некоторые другие.

2.1.2. Диоды Шоттки

Принцип действия диодов Шоттки существенно отличается от работы диодов с p-n переходом, хотя исходным материалом для них тоже служит кремний. Первой причиной появления и широкого распространения диодов Шоттки послужило то, что у диодов с p-n переходом величина прямого падения напряжения Uпр относительно велика и составляет, как было показано выше,Uпр = 0,7–0,9 В и более. Если преобразуемые схемами силовой электроники (например, в выпрямителях) уровни напряжений малы и составляют единицы вольт, то применение диодов с p-n переходом не позволяет получить достаточно высокую энергетическую эффективность схем. Вторая причина разработки и применения диодов Шоттки заключается в том, что диоды с p-n переходом обладают принципиально существующей инерционностью, обусловливающей наличие, как было показано выше, времени tрасс.

20