Випрямний діод

Випрямний напівпровідниковий діод – це напівпровідниковий діод, призначений для перетворення змінного струму в постійний.

Випрямні діоди виконуються на основі р-n-переходу і мають дві області, одна з них є більш низкоомною (містить велику концентрацію домішки), і називається емітером. Інша область, база – більше високоомна (містить меншу концентрація домішки).

В основі роботи випрямних діодів лежить властивість односторонньої провідності р-n-переходу, яке полягає в тому, що останній добре проводить струм (має малий опір) при прямому включенні і практично не проводить струм (має дуже високий опір) при зворотному включенні.

Як відомо, прямий струм діода створюється основними, а зворотний – не основними носіями заряду. Концентрація основних носіїв заряду на кілька порядків перевищує концентрацію не основних носіїв, чим і зумовлюються вентильні властивості діода.

Основними параметрами випрямних напівпровідникових діодів є:

• Прямий струм діода І_пр, що нормується при певній прямій напрузі (зазвичай U_пр = 1–2В);

• Максимально допустимий прямий струм І_{пр мах} діода;

• Максимально допустима зворотна напруга діода U_{зв мах}, при якій діод ще може нормально працювати тривалий час;

• Постійний зворотній струм I_зв, що протікає через діод при зворотній напрузі, рівній U_{зв мах};

• Середній випрямлений струм I_вп.ср, який може тривало проходити через діод при допустимій температурі його нагрівання;

• Максимально допустима потужність P_мах, що розсіюється діодом, при якій забезпечується задана надійність діода.

За максимально допустиме значення середнього випрямленого струму діоди поділяються на малопотужні (I_вп.ср < 0,3 А), середньої потужності (0,3 А < I_вп.ср < 10А) та великої потужності (I_вп.ср > 10А).

Залежність величини струму, що протікає через діод від величини та напрямку прикладеної до діода напруги називається вольтамперной характеристикою діода (ВАХ).

Рис. 3. Вольт - амперна ха-рактеристика напівпровідни-кового діода

Якщо на електроди діода подати постійну напругу, з’єднавши анод з позитивним полюсом джерела струму, а катод – з негативним, то під дією електричного поля електрони почнуть переміщатися в бік від катода до анода (назустріч полю), а дірки – від анода до катода (по ходу поля). У результаті опір p-n переходу різко зменшується і через нього починає текти електричний струм, величина якого прямо пропорційна прикладеній напрузі. У цьому випадку говорять, що до діода прикладено пряму напругу і через діод тече прямий струм, а сам діод знаходиться у відкритому стані. Якщо змінити полярність напруги, яка прикладається, то електрони потечуть до катода (на нього тепер поданий «+»), а дірки – до анода (на ньому – «-»). У результаті область p-n переходу розширюється, утворюючи збіднену зарядами зону, що веде до різкого зростання електричного опору p-n переходу і струм через діод різко зменшується у сотні разів. Діод переходить в закритий стан. У цьому випадку говорять, що до діода прикладена зворотня напруга і через діод тече зворотний струм.

Існування зворотного струму пояснюється тим, що технічно неможливо виготовити напівпровідники p- і n- типів, які мають тільки діркову або лише електронну провідність. Наявність певної кількості електронів у напівпровіднику p- типу і дірок у напівпровіднику n- типу і забезпечує незначний струм у зворотному напрямку (повною відсутністю зворотного струму володіють тільки вакуумні діоди, що працюють зовсім по іншому принципу і в даній роботі не розглядаються). Оскільки величина зворотного струму діода дуже мала, то відповідна йому гілка ВАХ дуже щільно «притиснута» до осі напруг.

Слід зазначити, що прагнення обох гілок ВАХ в нескінченність не означає, що до діода можна прикладати як завгодно високу пряму напругу в надії пропустити через діод дуже великий струм. З ростом струму p-n перехід сильно нагрівається і плавиться – діод перегорає. При цьому електричне коло розмикається і діод перестає проводити струм навіть в одному напрямку. Не можна піддавати діод і впливу надмірно високої зворотної напруги. У цьому випадку p-n перехід, не витримуючи занадто сильного електричного поля, буде пробитий. При цьому властивість односторонньої провідності діодом буде загублено і він стане проводити струм однаково добре в обох напрямках.