Электроника / ЭиЭ главы 1-5 / 5. Полупроводниковые диоды и их применение / 5. Полупроводниковые диоды и их применение

5. Полупроводниковые диоды и их применение.

5.1. Полупроводниковый p-n-переход и выпрямительные диоды

Полупроводниковые диоды относятся к обширному классу полупроводниковых приборов, применяющихся при построении электронных информационных систем, а также в устройствах управления, измерения и радиотехники.

Слово “диод” образовано от греческих слов “ди”-два и сокращенного “(электр)од”. Упрощенная структура и условное графическое обозначение диода, приведены на рис. 5.1.

Рис. 5.1.

Основой всех типов диодов, изготавливаемых промышленностью, является p-n-переход, поэтому рассмотрим физические принципы его работы.

Полупроводниковый переход и его свойства. Полупроводниковым переходом называют тонкий слой между n и p полупроводниками. N область перехода, легированная донорной примесью, имеет электронную прово­димость. P область, легированная акцепторной примесью, имеет дырочную проводимость. Концентрация электронов в одной части и концентрация дырок в другой существенно различаются. Кроме того, в обеих частях имеется небольшая концентрация неосновных носителей.

Для p-n-переходов основным свойством является несимметричная электропроводность, при которой в одном направлении кристалл пропускает ток, а в другом — не пропускает. Устройство p-n-перехода показано на рис. 5.1, а.

Электроны в n области диффундируют в p область и там рекомбинируют с дырками до тех пор, пока не установится динамическое равновесие. Аналогично, дырки из p области перемещаются в n область. В результате встречного движения противоположных ионов возни­кает так называемый диффузионный ток. Оно достигается вследствие образования у металлургического контакта некомпенсированного отрицательного заряда акцепторных атомов (дырки, компенсировавшие этот заряд, рекомбинировали). Точно такой же, но положительный заряд возникает в слое n из-за ушедших электронов. Область объемных зарядов, имеющую весьма малую концентрацию носителей заряда, называют обедненным слоем. Распределение плотности объемного заряда в переходе при­ведено на рис. 5.2.

Внутри кристалла на границе раздела возникает собственное элект­рическое поле Е_собств, направление которого показано на рис. 5.1. Напряженность этого поля максимальна на границе раздела, где происходит скачкообразное из­менение знака объемного заряда (металлургический контакт). На некотором удалении от границы раздела объемный заряд отсутствует и полупроводник является нейтральным. Поле на границе p-n-перехода определяется тепловым потенциалом:

(6.1)

где k=1,38*10^-24 Дж/К – постоянная Больцмана; q=1,6*10^-19 Кл – заряд электрона; Т – термодинамическая температура. При комнатной температуре =25,5 мВ.

Высоту потенциального барьера можно изменять приложением внешнего напряжения к р-п-переходу. Если внешнее напряжение создает в p-n-переходе поле, которое совпадает с внутренним, то высота потенциального барьера увеличивается. При обратной полярности приложенного напряжения высота потенциального барьера уменьшается. Если приложенное напряжение равно контактной разности

потенциалов, то потенциальный барьер исчезает полностью.

Вольтамперная характеристика р-n-перехода представляет собой

Рис.5.2

зависимость тока через переход при изменении на нем приложенного напряжения. Если оно снижает потенциальный барьер, то его называют прямым, а если повышает — обратным. Приложение прямого напряжения к p-n-переходу показано на рис. 5.1,б.

При прямом смещении p-n-перехода появляется (диффузионный) ток, вызванный диффузией основных носителей, преодолевающих потенциальный барьер. Пройдя p-n-переход, эти носители попадают в область полупроводника, для которого они являются неосновными носителями. При этом концентрация неосновных носителей может существенно возрасти по сравнению с равновесной концентрацией. Такое явление носит название инжекции носителей.

Обратный ток через p-n-переход вызывается неосновными носителями одной из областей, которые, дрейфуя в электрическом поле области объемного заряда, попадают в область, где они уже являются основными носителями. Так как концентрация основных носителей существенно превышает концентрацию неосновных, то появление незначительного дополнительного количества основных носителей практически не изменит равновесного состояния полупроводника.

Таким образом, обратный ток зависит только от количества неосновных носителей, появляющихся на границах области объемного заряда. Внешнее приложенное напряжение определяет скорость перемещения этих носителей из одной области в другую, но не число носителей, проходящих через переход в единицу времени. Итак, обратный ток через переход является током проводимости и не зависит от высоты потенциального барьера, т. е. он остается постоянным при изменении обратного напряжения на переходе. Этот ток называется током насыщения и обозначается I­_обр­=I_s

При протекании прямого тока через переход из электронной области в дырочную область будет производится инжекция электронов, а из дырочной области будет осуществляться инжекция дырок. Диффузионный ток зависит от высоты потенциального барьера и по мере его снижения увеличивается экспоненциально:

(5.1) (6.2)

где U— напряжение на p-n-переходе.

Кроме диффузионного тока прямой ток содержит ток проводимости, протекающий в противоположном направлении, поэтому полный ток при прямом смещении p-n-перехода будет равен разности диффузионного тока (5.1) и тока проводимости:

(5.2) (6.3)

Уравнение (5.2) называется уравнением Молла —Эберса, а соответствующая ему вольтамперная характеристика p-n-перехода приведена на рис. 5.3, а. Поскольку при 300 К тепловой потенциал T=25мВ, то уже при U=0,1 В можно считать, что

(6.4)

Предельное значение напряжения на p-n-переходе при прямом смещении не превышает контактной раз­ности потенциалов (0,15-0,2 В для Ge и 0,45-0,65 для Si). Допустимые (предельные) температуры: для Ge – 80-90 °С, для Si – до 120 °С. Об­ратное напряжение ограни­чивается пробоем p-n-перехода. Пробой p-n-перехода возникает за счет лавинного размножения не основных но­сителей и называется лавин­ным пробоем. При лавинном пробое p-n-перехода ток че­рез переход сильно возрастает при неизменном напряжении на нем, как по­казано на рис. 5.3, а.

Рис. 5.3, а.

Все полупроводниковые диоды можно разделить на две группы: выпрямительные и специальные. Выпрямитель­ные диоды, как следует из самого названия, предназначены для выпрямления пе­ременного тока. В зависимости от частоты и формы переменного напряжения они делятся на высокочастотные, низкочастотные и импульсные. Специальные типы полупроводниковых диодов используют различные свойства p-n-переходов: явле­ние пробоя, барьерную емкость, наличие участков с отрицательным сопротивле­нием и др.

Выпрямительные диоды большой мощности называют "силовыми”. Материа­лом для таких диодов обычно служит кремний или арсенид галлия. Германий практически не применяется из-за сильной температурной зависимости обратного тока. Кремниевые сплавные диоды используются для выпрямления переменного тока с частотой до 5кГц. Кремниевые диффузионные диоды могут работать на повышенной частоте, до 100 кГц. Кремниевые эпитаксиальные диоды с металли­ческой подложкой (с барьером Шотки) могут использоваться на частотах до 500 кГц. Арсенид галлиевые диоды способны работать в диапазоне частот до не­скольких МГц.

Основные параметры диодов U_обр, I_пр, I_{пр имп}, U_отр (см. рис. 5.3,б). Для разных типов выпрямительных диодов обратное напряжение U_{обр max} лежит в пределах от десятков до нескольких тысяч вольт, средний прямой ток I_{пр. ср} – в пределах от единиц миллиампер до нескольких десятков ампер, а обратный ток I_обр – от десятков наноампер до сотен миллиампер. Время обратного восстановления диода t_вос является основным параметром выпрямительных диодов, характеризующим их инерционные свойства. Оно опре­деляется при переключении диода с заданного прямого тока I_пр на заданное об­ратное напряжение U_обр.

Диоды, предназначенные для работы в импульсном режиме, дополнительно характеризуется максимально допустимым прямым током I_{пр имп} при заданной длительности импульса (обычно несколько десятков микросекунд). Как правило, этот ток на порядок превосходит средний прямой ток.

Когда обратное напряжение превышает некоторое значение U_{обр max}, определяемое для каждого типа диода, возникает пробой p-n-перехода: сначала туннельный и лавинный, а потом тепловой. Первые два типа пробоя являются обратимыми, т. е. после снятия напряжения свойства p-n-перехода восстанавливаются, а третий тип (необратимый) приводит к порче диода и поэтому недопустим.

Рис. 5.3, б. Вольт-амперная характеристика диода на характеристике нет порога напряжения отпирания , U*, лишний ток Iпр

5.2. Применение выпрямительных диодов.

5.2.1. Силовые выпрямители.

Вентильные преобразователи переменного тока в постоянный называют выпрямителями. Они играют большую роль в технике, так как производство и распределение электрической энергии экономичней организовать на переменном токе, а многие виды устройств (компьютеры, контроллеры, осциллографы, мониторы, аудио-видео техника и т.д.) требуют для своей работы постоянный ток. Именно по этому их часто называют источниками питания.

Выпрямители применяют не только в силовых установках, но и в измеритель­ных и управляющих цепях информационных, вычислительных и управленческих систем.

Напряжение сети переменного тока рассчитано на наиболее экономичную пере­дачу энергии на значительные расстояния и многим потребителям, а последним необходимы весьма разнообразные напряжения питания. Поэтому составной частью выпрямителей являются трансформаторы (понижающие или повышающие), которые с высоким КПД преобразуют напряжение сети в напряжение на входе диодной схемы, которая и преобразует переменное напряжение в требуемое постоянное.

Простейшая схема преобразователя переменного напряжения (рис. 5.4, б) в постоянное (рис. 5.4, в) изображена на рис. 5.4, а. Само преобразование состоит в отсечке пути тока через нагрузку в отрицательный (положи­тельный) полу период вторичного напряжения трансформатора u₂ с помощью эле­ментов с односторонней проводимостью — выпрямительных диодов.

Рис. 5.4.

Диод изображен с ошибкой, нет индексов и обозначений на схеме нахождения напряжений

Средний ток через диод равен току нагрузки: I_{д. ср.}=I_н. Средний допустимый ток должен быть больше тока нагрузки I_{ср. доп.}>I_н. Допустимое напряжение на диоде должно быть при наличии конденсатора фильтра больше в два раза, чем напряжение нагрузки

U_{д доп}>2U_н. Уменьшения пульсации достигают применением или трехфазного выпрямителя, или включением после диодной схемы элементов, ток (напряжение) в которых не может исчезнуть мгновенно. Эти элементы входят в фильтр, сглаживающий пуль­сации. Фильтр изменяет режим работы вентилей, входящих в диодную схему. Характер этих изменений зависит от того, каким является первый элемент фильтра, индуктивным или емкостным.

Наиболее употребительные схемы однофазных выпрямителей для источников питания электронных схем изображены на рис. 5.5. В схеме на рис. 5.5,а. в тот момент, когда полярность напряжений на трансформаторе такая, как показано без скобок, при напряжении u₂₁, большем напряжения на конденсаторе (рис. 5.5, б), диод Д1 откроется, а диод Д2 будет закрыт, поскольку u₂₂ < 0 и к нему приклады­вается обратное напряжение, равное u₂₂+U_н. Конденсатор начнет заряжаться (рис. 5.5,в), и напряжение на нем и на нагрузке увеличится. Оно будет несколько меньше u₂₁ из-за падения напряжения в цепи заряда конденсатора на активном сопротивлении первичной и вторичной обмоток трансформатора, сопротивлении соединительных проводов и диоде. Таким образом, ток, заряжающий конденсатор, идет только во время части полупериода, т, е. яв­ляется импульсным (рис. 5.5,а).

Диод Д1 закроется после того, как напряжение u₂₁ станет меньше U_н. В это время закрытыми диодами нагрузка отделяется от трансформатора, и конденсатор начинает разряжаться, но благодаря большой емко­сти достигается малое уменьшение напряжения на конденсаторе и на на­грузке (рис. 5.5, в).

При смене полярности напряжения на трансфор­маторе на указанную в скобках диод Д1 будет все время закрыт напряжением u₂₁+U_н, а второй диод откроется , подсоединив вторичную обмотку трансформатора к нагрузке, когда u₂₂>U_н и процесс заряда конденсатора повторится.

Напряжение на нагрузке все-таки остается пульсирующем, хотя и в меньшей степени. Оно содержит постоянную составляющую и четные гармоники напряжения сети. Качество выпрямленного напряжения принято оценивать с помощью коэффициента пульсации, который представляет собой отношение действующего значения всех переменных составляющих напряжения (тока) к постоянной составляющей,

(5.3) (7.1)

обычно добиваются малого k_п, поэтому чаще всего достаточно в выражении (5.3) учесть только первое слагаемое под корнем, т. е. k_п=U_н2/U_н0.

При наличии конденса­тора напряжение U_н0 близко к амплитуде напряжения вторичной обмотки U_2m=U₂ в режиме холостого хода.

Обратное напряжение диодов U_обр приближается к двойной амплитуде вторичного напряжения.

Рис. 5.5.

Основные параметры двухполупериодного выпрямителя:

U_{обр. доп.}2U_Н , I_{ср. доп.}>I_Н­/2, I_{имп. макс.}I_н *Q.

В однофазном мостовом выпрямителе (рис. 5.6) наблюдаются аналогичные процессы. Ток сначала проходит через первый и второй диоды, а потом через третий и четвертый. Причем к паре диодов, находящихся в закрытом состоянии, приклады­вается напряжение, в два раза меньшее, чем в предыдущем случае, т. е.

U_обр= (7.2)

Преимуществом мостовой схемы по сравнению с предыдущей является более простой трансформатор и меньшее обратное напряжение диодов, что иногда компенсирует увеличение числа диодов.

Рис. 5.6. Ошибка при начертании диодов

Для упрощения сборки и уменьшения габа­ритов выпрямителей в настоящее время промышленностью выпускаются блоки из четырех диодов, соединенных по мостовой схеме. Указан­ные обстоятельства являются причиной более широкого применения мостовой схемы на практике. Основные характеристики мостового двухполупериодного выпрямителя:

U_{обр. доп.}1.1*U_Н, I_{cр.диод.}>I_Н/2, I_{имп. макс.}I_Н*Q, .