1. 6. Выпрямительные диоды

Работа выпрямительного диода основана на свойстве p-n–перехода пропускать ток в одном направлении – прямом.

Прямая ветвь вольт–амперной характеристики выпрямительного диода, изображенной на рис.1.7, уже при небольшом прямом токе является линейной. Это – основная рабочая область характеристики диода.

К основным параметрам выпрямительных диодов, характеризующим их работу в выпрямительных схемах, относятся:

U_пр.ср– среднее значение прямого падения напряжения, определяемое по вольт–амперной характеристике при заданном значении I_пр.ср;

I_обр– среднее значение обратного тока при заданном значении обратного напряжения U_обр;

ƒ – диапазон рабочих частот, в пределах которого ток диода не уменьшается ниже заданной величины. В справочниках часто приводят предельную частоту диапазона ƒ_max.

Кроме того, параметрами предельного электрического режима диода являются:

U_обр.max– предельно допустимая амплитуда обратного напряжения;

I_пр.max– максимальное значение прямого тока.

Выпрямительные диоды подразделяются на диоды малой (I_пр.ср < 0,3 А),средней (0,3 < I_пр.ср< 10 А) и большой (I_пр.ср> 10 А) мощности.

Для повышения допустимого обратного напряжения изготовляются высоковольтные столбы, в которых несколько диодов включены последовательно, а также выпрямительные блоки, которые содержат как последовательно, так и параллельно (для повышения прямого тока) соединенные диоды.

Область применения выпрямительных диодов – преобразователи напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока (выпрямители – АС-DC преобразователи.

1.7. Диоды Шоттки

В 1939 немецким физиком Вольтером Шоттки было экспериментально обнаружено явление выпрямления слабых сигналов в области соприкосновения металлической иглы с полупроводниковым кристаллом. По имени ученого диоды на основе контакта «металл-полупроводник» назвали диодами Шоттки.

Для возникновения потенциального барьера необходимо, чтобы работы выхода металла и полупроводника были различными. В полупроводнике n-типа работа выхода из него в металл должна быть меньше, чем из металла в полупроводник (Ф _ВЫХn < Ф_ВЫХм) . В этом случае, при сближении полупроводника n-типа с металлом, поток электронов из полупроводникаn-типа в металл будет больше, чем в обратном направлении и металл заряжается отрицательно, а полупроводник – положительно. При сближении полупроводника р-типа с металлом, обладающим меньшей Ф_{ВЫХ. М}, металл заряжается положительно, а полупроводник - отрицательно. При установлении равновесия между металлом и полупроводником возникает контактная разность потенциалов: U_k= (Ф_ВЫХм – Ф_ВЫХn) /е, где е - заряд электрона. Из-за большой электропроводности металла электрическое поле в него не проникает, и разность потенциалов Uk создаётся в приповерхностном слое полупроводника. При изготовлении диода Шоттки (рис. 1.8) на очищенную поверхность слаболегированного полупроводникового кристалла (Si, GaAs) наносят тонкий слой металла (Au, Al, Ag, Pt и др.) методами вакуумного испарения, катодного распыления либо химического или электролитического осаждения. При этом в приконтактной области полупроводника как и в диодах с электронно-дырочным переходом возникает потенциальный барьер, изменение высоты которого под действием внешнего напряжения приводит к изменению тока через прибор.

Вольт-амперная характеристика барьера Шоттки (рис.1.9) имеет ярко выраженный несимметричный вид. В области прямых смещений ток экспоненциально растёт с увеличением приложенного напряжения. В области обратных смещений ток от напряжения не зависит. В обоих случаях, при прямом и обратном смещении, ток в барьере Шоттки обусловлен основными носителями заряда - электронами. По этой причине диоды на основе барьера Шоттки являются быстродействующими приборами, поскольку в них отсутствуют рекомбинационные и диффузионные процессы. Прямое падение напряжения у кремниевого диода Шотки очень мало, обычно порядка 0.2...0.45 В. Падение напряжения пропорционально максимальному обратному напряжению. Например, падение напряжения на диоде с обратным напряжением 10 В может составлять всего лишь 0.3 В. Чем выше максимальное обратное напряжение и номинальный ток, тем больше прямое падение напряжения вследствие увеличения толщины n-слоя.

Недостатки диодов Шоттки:

во-первых, при кратковременном превышении максимального обратного напряжения, диод Шоттки необратимо выходит из строя, в отличие от кремниевых диодов, которые переходят в режим обратного пробоя, и при условии не превышения рассеиваемой на диоде максимальной мощности, после снятия напряжения диод полностью восстанавливает свои свойства;

во-вторых, диоды Шоттки характеризуются повышенными (относительно обычных кремниевых диодов) обратными токами, возрастающими с ростом температуры кристалла.

В настоящее время для нужд преобразовательной и силовой электроники освоен выпуск диодов Шоттки на основе карбида кремния. В частности, компанией CREE выпускаются диоды Шоттки на основе карбида кремния с напряжением до 1200В и током до 20А.

Главное преимущество высоковольтных SiC-диодов Шоттки (ДШ) состоит в их исключительных динамических характеристиках. Заряд обратного восстановления (Qrr) этих диодов чрезвычайно низок (менее 20 нКл) и, как результат, - минимальны потери на переключение в типичных применениях импульсной силовой электроники. Кроме того, в отличие от кремниевых PiN диодов, скорость нарастания тока (di/dt) не зависит от величины прямого тока и температуры. Диоды нормально работают при максимальной температуре перехода 175°С.

Компанией CREE выпускается небольшой спектр SiC-диодов Шоттки, который состоит из трех групп: ДШ на напряжение 300, 600 В и 1200В.

Диоды Шоттки выпускаются компанией CREE в стандартных пластмассовых корпусах TO-220, DPAK, D2PAK, TO-247-3, TO-263.

Преимущества применения SiC-диодов

Диоды Шоттки компании CREE находят применения в импульсной силовой электронике: в схемах корректоров коэффициента мощности, в приводах электродвигателей и др. Применение этих диодов оправдывает себя при работе на повышенных частотах и напряжениях и делает экономически выгодными их использование.

Благодаря уникальным свойствам SiC-диодов, они могут работать на частотах вплоть до 500 кГц, обеспечивая высокую эффективность устройств порядка 92%.

При работе на высоких частотах уменьшаются габариты индуктивностей примерно на 30%. Благодаря отсутствию тока обратного восстановления снижаются электромагнитные помехи, что может позволить сэкономить на сетевом фильтре.

Уменьшение размера и веса электронных систем первоначально обусловлено требованием рынка на возрастающую плотность мощности. Для того, чтобы достигнуть этой цели без ущерба для функциональности системы, необходимо уменьшить размер и вес импульсного источника питания этой системы. В этом смысле SiC-диоды обладают рядом замечательных свойств:

• Очень малым (практически нулевым!) временем восстановления основных носителей заряда при переключениях;

• Более высокое напряжение пробоя, чем у кремниевых приборов;

• Высокая температура функционирования до +175°С;

• Высокая частота переключения, до 500кГц, что уменьшает размер фильтра электромагнитных помех и размеры других пассивных компонентов.

• Уменьшение, либо исключение активных или пассивных демпферных цепей.

• Положительный температурный коэффициент прямого падения напряжения позволяет осуществлять параллельное включение диодов без дополнительных компенсирующих цепей.

Лекция 2. Полупроводниковые диоды: стабилитроны, светодиоды.

Биполярные и полевые транзисторы.

2.1. Полупроводниковый стабилитрон

Стабилитрон – это полупроводниковый диод, у которого на обратной ветви ВАХ имеется участок, расположенный в области электрического пробоя. На этом участке напряжение очень слабо зависит от тока, что и используется в практических целях для стабилизации напряжения при изменении в некоторых пределах тока через диод (рис. 2.1). Для изготовления стабилитронов используют кремний, поскольку кремниевые p-nпереходы имеют небольшие обратные токи, не приводящие к саморазогреву полупроводника в области электрического пробоя. Напряжение пробояU_{обр. ПР}, являющееся напряжением стабилизацииU_СТ, зависит от параметров исходного полупроводника и технологии его обработки.

Стабилитроны включают в цепи постоянного тока, как показано на рис. 2.1, в.

Основными параметрами стабилитрона являются:

- U_ст- напряжение стабилизации при указанном номинальном токе стабилизации;

- I_ст._min, I_ст._max- минимальный и максимальный токи на участке стабилизации;

- дифференциальное сопротивление - характеризует степень стабильности напряжения стабилизации при изменении тока стабилизации;

- температурный коэффициент напряжения стабилизации (ТКН) α _СТ , который определяет изменение в процентах напряженияU_СТ при изменении температуры окружающей среды на 1^○С:

при I_СT =const. Для кремниевых стабилитронов ТКН зависит от величины напряжения стабилизации: приU_СТ < 5,4Bон отрицателен, а приU_СТ > 5,4B– положителен.

Стабилитроны включают в цепи постоянного тока, как показано на рис. 2.1, в. Эта схема носит название «параметрический стабилизатор напряжения».

Основные расчетные соотношения:

E_ср= 0,5(E_min+ E_max) - среднее напряжение стабилизируемого источника;

I_ср= 0,5(I_min+ I_max) - средний ток стабилитрона.

Ток нагрузки I_Н =U_CT /R_H. Сопротивление ограничительного резистора

R_ОГР = (Е_СР +U_СТ ) / (I_CT +I_H).

Кроме обычных стабилитронов промышленностью выпускаются двухсторонние стабилитроны, имеющие симметричную вольт–амперную характеристику относительно оси токов. При этом напряжение стабилизации при прямом смещении стабилитрона равно напряжению стабилизации при обратном смещении.

Стабисторы – это полупроводниковые диоды, прямое напряжение на которых слабо зависит от тока в заданном диапазоне, то есть стабисторы работают на прямой ветви ВАХ (рис. 2.2).

Основные параметры стабисторов: U_ст = 0,7 В; I_ст = 1… - несколько десятков мА.

Особенность стабисторов состоит в том, что они имеют отрицательный температурный коэффициент напряжения: с ростом температуры уменьшается U_ст. Поэтому стабисторы являются термостабилизирующими элементами. Их соединяют последовательно со стабилитронами, у которых температурный коэффициент напряжения положительный.

2.2. Полупроводниковые излучающие диоды (светодиоды)

Светодиоды представляют собой полупроводниковые приборы с прямосмещенным p-nпереходом, который излучает свет, вызванный рекомбинацией носителей заряда, прошедших электронно-дырочный переход. Как известно, рекомбинация характеризуется переходом электрона из зоны свободных уровней на уровни валентной зоны. При этом при переходе электрона на более низкий энергетический уровень происходит излучение кванта света. Этот процесс свойственен всем полупроводникам. Но в германии и кремнии излучаемая энергия мала из-за малой ширины запрещенной зоны ∆W_З. Излучение видимого света при рекомбинации носителей заряда генерируют полупроводниковые материалы, имеющие большую, чем у германия и кремния, ширину запрещенной зоны. Например, фосфид галлияGaPимеет ∆W_З = 2,2 эВ, арсенид галлияGaAs- ∆W_З = 1,5 эВ, карбид кремнияSiC- ∆W_З = 2,3 …3,1 эВ. Длина волны (цвет) излучаемого света определяется разностью энергий уровней, между которыми происходит преимущественный переход электронов при рекомбинации. Эта разность может быть близка к ширине запрещенной зоны (как в арсениде галлия – инфракрасное излучение) или меньше (как в фосфиде галлия или карбиде кремния – видимый диапазон). В первом случае рекомбинация носителей заряда сопровождается непосредственным переходом электронов из зоны проводимости в валентную зону – прямая рекомбинация. Во втором случае рекомбинация происходит через рекомбинационные центры (ловушки), локальные уровни энергий которых располагаются

внутри запрещенной зоны – непрямая рекомбинация. Внося дополнительные примеси можно задавать требуемые значения локальных уровней и тем самым получать необходимый цвет свечения – красный, желтый, зеленый, синий. Электронно-дырочный переход светодиода выполняется несимметричным (рис.2.3), с концентрацией дырок в р-слое (эмиттере), много больше концентрации электронов в n-слое (базе). Тем самым при прямом напряжении смещения ток в светодиоде создается преимущественно дырками эмиттера, переходящими под действием инжекции в базу, где они рекомбинируют с электронами.

Вольт-амперная характеристика светодиодов подобна характеристикам кремниевых и германиевых диодов. Основными параметрами светодиодов являются:

- прямой ток через p-nпереходI_ПР (5 – 20 мА);

- падение напряжения на p-nпереходе при протекании прямого токаU_ПР (1,5 – 2 В);

- яркость свечения L– 10…100 кд / м² ;

- срок службы – до 100 тыс.ч.

Светодиоды характеризуются высоким быстродействием (10 ^{- 8} - 10^{- 6} с). К источнику питания светодиоды подключатся прямой полярностью через балластный резистор, ограничивающий прямой ток:

, где - напряжение источника питания.