3 Полупроводниковые приборы

3.1 Диоды

Полупроводниковый диод представляет собой полупро­водниковый кристалл с двумя слоями проводимости, за­ключенный в корпус и снабженный двумя выводами для присоединения во внешнюю цепь.

По назначению полупроводниковые диоды подразделяются на выпрямительные, импульсные, туннельные, кремниевые стабилитроны, варикапы, магнитодиоды, светоизлучающие диоды, фотодиоды.

Общим для всех типов диодов является то, что они выполнены на основе полупроводникового p-n-перехода. В зависимости от типа диода в качестве рабочего участка используется прямая или обратная ветвь вольт-амперной характеристикиp-n-перехода. На рис. 3.1 показана вольт-амперная характеристика диода.

Наиболее общими для всех диодов считаются четыре параметра:

-предельно допустимый прямой ток I_{пр max},

-прямое падение напряжения ∆U_а(на прямой ветви вольт-амперной характеристики),

-предельно допустимое обратное напряжение U_{обр max},

-обратный ток I_обрпри заданной температуре кристалла (на обратной ветви вольт-амперной характеристики).

Обратная ветвь ВАХ диода показана на рис. 3.1. На участке 0-1 происходит увеличение обратного тока за счет уменьшения тока диффузии до нуля, поэтому составляющей обратного тока остается только ток дрейфа. На участке 1-2 у идеальных диодов обратный ток не изменяется, так как при неизменной температуре количество неосновных носителей заряда, создающих обратный ток, при изменении обратного напряжения не меняется. Однако в реальных диодах существует ток утечки по поверхности полупроводника, поэтому на самом деле участок 1-2 имеет наклон. На участке 2-3 проявляется влияние явления генерации носителей заряда, которое на участке 3-4 приводит к электрическому пробою – резкому возрастанию обратного тока.

Электрический пробой является обратимым процессом. Это означает, что он не приводит к повреждению диода, и при снижении напряжения свойства диода сохраняются.

Участок 4-5 вольт-амперной характеристики диода соответствует тепловому пробою, который возникает при недопустимом повышении температуры. Процесс развивается лавинообразно, так как увеличение числа носителей заряда за счет увеличения температуры вызывает увеличение обратного тока и, следовательно, еще больший разогрев p-n-перехода. Процесс заканчивается расплавлениемp-n-перехода и выходом прибора из строя.

3.1.1 Выпрямительные диоды

Выпрямительные диоды, как следует из названия, предназначены для выпрямления переменного тока. Условное обозначение и структура выпрямительных диодов показаны на рис. 3.2. Диод имеет два вывода: анод(А) икатод(К).

Основные справочные параметры выпрямительных диодов:

- допустимый выпрямленный ток I_{пр ср}(среднее значение прямого тока);

- прямое падение напряжения U_пр ≈ ∆U_пр при номинальном значении прямого тока;

- максимально допустимое обратное напряжение U_{обр max};

- обратный ток I_обр при заданном значении температуры кристалла.

Выпрямительные диоды можно условно разделить на выпрямительные диоды малой, средней и большой мощности. К выпрямительным диодам малой мощности относятся диоды с допустимым выпрямленным током до 300 мА. Такие диоды выпускаются на максимальные напряжения от десятков вольт до 1200 В. На более высокие напряжения выпускаются выпрямительные столбы, содержащие последовательно соединенные диоды. Обратные токи не превышают 300 мкА для германиевых и 10 мкА для кремниевых диодов. По частотным свойствам диоды этого типа подразделяют на низкочастотные (до 400 Гц) и высокочастотные (10-20 кГц).

Конструкция и вольт-амперные характеристики сплавного германиевого диода Д7Ж (I_{a ср доп} =300 мА,U_{обр max} = 700 В) показаны на рис. 3.3.

К выпрямительным диодам средней мощности относятся диоды, допустимое среднее значение прямого тока которых лежит в диапазоне 300 мА - 10 А. Больший прямой ток этих диодов по сравнению с маломощными достигается увеличением рабочей площади p-n-перехода. Диоды средней мощности выпускаются преимущественно кремниевыми, поэтому обратный ток у них достаточно мал (несколько десятков микроампер) при сравнительно большой площадиp-n-перехода.

Теплота, выделяемая в кристалле от протекания прямого и обратного токов в диодах средней мощности, уже не может быть рассеяна корпусом прибора. Для улучшения условий теплоотвода применяют дополнительные охладители-радиаторы. Для крепления на радиатор корпус диода имеет стержень с винтовой нарезкой. Диоды с плоским основанием крепят (прижимают) к радиатору с помощью фланцевого соединения.

Пример возможной конструкции выпрямительных диодов средней мощности показан на рис. 3.4.

К выпрямительным диодам большой мощности (силовым диодам, вентилям) относятся диоды на токи от 10 А и выше (рис. 3.5). Выпускаются силовые диоды на токи 10, 16, 25, 40 и т.д. до 1000 А и обратные напряжения до 3500 В.

Работа силовых вентилей при больших токах и высоких обратных напряжениях связана с выделением большой мощности в p-n-переходе. Поэтому предусматриваются методы эффективного отвода теплоты, выделяемой вp-n-переходе. В установках с мощными вентилями применяют воздушное и жидкостное охлаждение. При воздушном охлаждении отвод теплоты производится с помощью радиатора и проходящего вдоль его ребер потока воздуха. При этом охлаждение может быть естественным или принудительным, когда используется принудительный обдув радиатора с помощью вентилятора. При жидкостном охлаждении в радиатор по специальным каналам пропускается теплоотводящая жидкость, например, вода, антифриз, трансформаторное масло, синтетические диэлектрические жидкости.