А.С. Низов, А.Н. Штин, К.Г. Шумаков - Электроника Курс лекций

3.Лавинный – разрывы ковалентных связей являются результатом соударения летящих электронов с решеткой кристалла. Этот процесс нарастает лавинно.

4.Поверхностный – за счет некачественной обработки кремниевой пластинки происходит перекрытие p–n перехода по поверхности.

Так как при увеличении температуры p–n перехода увеличивается число разрывов ковалентных связей и, следовательно, растет число неосновных носителей, то в проводящем направлении ВАХ сме-

щается влево, то есть при меньшем напряжении UF будет больший ток IF. В непроводящем направлении увеличение неосновных носителей приводит к уменьшению напряжения пробоя UR и увеличению обратного тока IR.

1.7 Параметры силовых диодов

Для силовых диодов устанавливаются предельно допустимые значения и характеризующие параметры.

Предельно допустимые значения – это минимальные или максимальные значения, за пределами которых прибор может быть поврежден. Приводя их в справочной литературе, предприятие-изготовитель информирует о том, что если данный диод в процессе эксплуатации выйдет за указанные границы, то вероятнее всего он будет поврежден и выйдет из строя. То есть изготовитель не гарантирует нормальную работу прибора при выходе за пределы этих величин. Предельно допустимые значения определяются на основе расчетов и испытаний.

Таблица 1.2 – Предельно допустимые значения силовых диодов

21

Окончание таблицы 1.2

*) – Приведенные коэффициенты являются общепринятыми и усредненными, которые можно применять при учебных и предварительных расчетах. При реальном проектировании необходимо их уточнить, используя документацию предприятия-изготовителя.

Характеризующие параметры – это параметры, которые показывают соответствующие свойства диода, они проявляются в процессе его работы и являются измеряемыми величинами. Приводя их в справочной литературе, предприятие-изготовитель утверждает, что при эксплуатации данного диода эти параметры не выйдут за указанные границы. Если в процессе работы какой-либо параметр превысит указанное в паспортных данных численное значение, то это не

22

значит, что прибор сразу же выйдет из строя. Просто в данном диоде, например, возрастут потери мощности, и он будет перегреваться.

Таблица 1.3 – Характеризующие параметры силовых диодов

Расшифровка некоторых индексов значений и параметров диодов приведена в таблице А.1.

23

1.8 Система обозначений силовых диодов

1 – вид полупроводникового прибора (Д – диод); 2 – подвид диода (отсутствует – обычный, Л – лавинный, Ч – бы-

стровосстанавливающийся); 3 – порядковый номер модификации конструкции;

4 – цифра, кодирующая габариты корпуса: для штыревых – размер под ключ, для таблеточных – диаметр таблетки (см. таблицу А.2);

5 – обозначение конструктивного исполнения корпуса (см. таблицу А.3);

6 – максимально допустимый средний прямой ток IFAV m, А;

7 – класс К (URRM = 100·К, В);

8 – импульсное прямое падение напряжения UFM, В (может отсутствовать);

9 – климатическое исполнение и категория размещения (У – для умеренного климата и внутренней установки, УХЛ – для умеренного и холодного климата и наружной установки под навесом).

Примеры:

1) Д161–250–18–1,35–УХЛ2 – диод, обычный, первой модификации конструкции, размер шестигранника под ключ 32 мм, штыревой конструкции с гибким выводом, максимально допустимый сред-

ний прямой ток IFAV m = 250 А, класс 18 (URRM = 1800 В), импульсное прямое напряжение UFM = 1,35 В, для умеренного и холодного кли-

мата и наружной установки под навесом; 2) ДЛ173–3200–30–2,2–У3 – диод, лавинный, первой модифи-

кации конструкции, диаметр корпуса таблетки d = 112 мм, таблеточный конструкции, на максимально допустимый средний прямой ток IFAV m = 3200 А, класс 30 (URRM = 3000 В), импульсное прямое напряжение UFM = 2,2 В, для умеренного климата и внутренней установки.

1.9Вопросы для самоконтроля

1.Строение вещества. Понятие об энергетических зонах.

2.Энергетические зоны изоляторов, проводников и полупроводников.

25

3.Собственная электрическая проводимость полупроводников вблизи абсолютного нуля температуры.

4.Собственная электрическая проводимость полупроводников при комнатной температуре.

5.Отличия в механизме электропроводности металлов и полупроводников. Влияние температуры на их электропроводность.

6.Понятие примесной проводимости.

7.Примесная электронная проводимость.

8.Носители заряда, присутствующие в полупроводниках n-типа.

9.Примесная дырочная проводимость.

10.Носители заряда, присутствующие в полупроводниках p-типа.

11.p–n переход. Процессы в p–n переходе при отсутствии внешнего напряжения.

12.Работа p–n перехода при прямом включении внешнего напряжения.

13.Работа p–n перехода при обратном включении внешнего напряжения.

14.Условные обозначения и классификация диодов.

15.Конструктивное выполнение штыревого диода.

16.Конструктивное выполнение таблеточного диода.

17.ВАХ диода. Схема и форма напряжения для снятия статической ВАХ диода.

18.Схема и форма напряжения для снятия классификационной ВАХ диода.

19.Классификационная ВАХ силового диода.

20.Пробой и виды пробоев диодов.

21.Определение предельно допустимых значений силовых диодов.

22.Предельно допустимые значения силовых диодов в проводящем направлении и прочие значения. Их определение по ВАХ.

23.Предельно допустимые значения силовых диодов в непроводящем направлении и их определение по ВАХ.

24.Определение характеризующих параметров силовых диодов.

25.Характеризующие параметры силовых диодов в проводящем направлении и их определение по ВАХ.

26.Характеризующие параметры силовых диодов в непроводящем направлении и прочие параметры. Их определение по ВАХ.

27.Система обозначений силовых диодов.

26

2 ЛАВИННЫЕ ДИОДЫ И СТАБИЛИТРОНЫ

2.1 Лавинные диоды

2.1.1 Устройство и принцип работы

Наряду с обычными силовыми диодами, имеющими плоский p–n переход с равномерной концентрацией примесей (рисунок 1.6), широкое применение в преобразовательной технике получили лавинные диоды (ЛД) (рисунок 2.1). В них p–n переход выполняется ступенчатой формы (рисунок 2.1, а), а концентрация примесей в центральной части p- и n-областей (1 на рисунке 2.1, а) делается больше, чем по краям. В результате пробивное напряжение для периферийной части (2 на рисунке 2.1, а) оказывается значительно больше, чем для центральной. Это практически исключает вероятность поверхностного пробоя диода.

Рисунок 2.1 – Структурная схема (а), условные графическое

ибуквенное обозначения (б) лавинного диода

Впроводящем направлении ЛД ведут себя практически так же, как и обычные. В непроводящем направлении, прежде чем наступит тепловой пробой (при котором все диоды выходят из строя),

уЛД наступает лавинный пробой, сопровождающийся резким увеличением обратного тока.

Рассмотрим подробно механизм лавинного пробоя. Когда обратное напряжение ЛД возрастает до напряжения пробоя, напряженность электрического поля в центральной части p- и n-областей достигает значительной величины – 105 … 106 В/см. Это поле разгоняет не-

27

основные носители заряда, движущиеся через p–n переход, до больших скоростей. В результате столкновения с нейтральными атомами носители заряда выбивают из них новые дырки и электроны, превращая неподвижные атомы в заряженные ионы. Образовавшиеся в результате столкновения свободные частицы, ускоряясь электрическим полем, вызывают ионизацию следующих атомов кристалла и появление новых носители заряда. Такой процесс называется ударной ионизацией. Он развивается лавинно, то есть одна частица выбивает еще одну, две выбивают еще две, четыре выбивают еще четыре и так далее в геометрической прогрессии. По такому же закону увеличивается и обратный ток, причем напряжение на p–n переходе остается практически постоянным на всем протяжении лавинного пробоя. Наружное кольцо периферийной части при этом не пробивается. Поэтому эти процессы не вызывают порчу прибора.

Тепловой пробой ЛД наступает тогда, когда обратный ток достигает предельной величины, температура p–n перехода превышает максимально допустимую, в результате чего прибор выходит из строя. Однако это происходит при значительно больших обратных токах, чем у обычных диодов. Некоторые ЛД способны кратковременно (0,1 мс) пропускать обратные токи до 0,1 IFAVm.

2.1.2 ВАХ лавинного диода

На рисунке 2.2 (кривая 1) приведена ВАХ реального ЛД типа ДЛ133–500–14. Для сравнения на этом графике (кривая 2) показана ВАХ обычного диода типа Д133–500–14.

Из этого рисунка наглядно видны преимущества ЛД, по сравнению с обычным, при работе их в непроводящем направлении. Если

у обычного диода в т. С2 при U(BR)2 = 1,33URRM = 1,33 · 1400 = 1862 B наступает тепловой пробой (участок С2 – D2 на кривой 2) и диод вы-

ходит из строя, то у ЛД в т. С1 начинается лавинный пробой (участок С1 – С1' на кривой 1), обратный ток резко возрастает до 10 А, напряжение остается постоянным, и диод продолжает работать.

Напряжение, при котором начинается лавинный пробой, называется напряжением лавинообразования. Его можно найти по приближен-

ной формуле U(BR)1 =1,25·URRM = 1,25 · 1400 = 1750 B. Для более точных расчетов U(BR)1 необходимо определять из паспортных данных прибора.

Тепловой пробой ЛД наступает в т. С1′ (участок С1′ – D1 на кривой 1) при практически том же напряжении лавинообразования.

Наряду с очевидными достоинствами ЛД обладают и некоторыми недостатками. Из рисунка 2.2 видно, что в проводящем направ-

28

лении их ВАХ (кривая 1) идет правее ВАХ обычного диода (кривая 2). Это говорит о том, что при одних и тех же размерах выпрямительного элемента (1 на рисунках 1.7 и 1.8) у ЛД пороговое напряжение U(ТО) и дифференциальное сопротивление rТ несколько больше, чем у обычных. Это приводит к дополнительным потерям энергии при пропуске прямого тока.

Рисунок 2.2 – ВАХ лавинного ДЛ133–500–14 (1) и обычного Д133–500–14 (2) силовых диодов

Благодаря вышеописанным свойствам ЛД устойчивы к кратковременным перенапряжениям с большой амплитудой. Такими являются атмосферные перенапряжения, возникающие во время грозы. Поэтому ЛД нашли широкое применение в выпрямительных преобразователях, как в промышленности, так и на транспорте. Кроме этого, для снижения перенапряжений в электроустановках иногда применяют один (в цепях постоянного тока) или два последовательно и встречно соединенных (в цепях переменного тока) ЛД, включенных параллельно защищаемому устройству.

29

По своему конструктивному выполнению ЛД полностью совпадают с обычными (рисунки 1.7 и 1.8), за исключением конструкции p–n перехода.

Предельно допустимые значения и характеризующие параметры у ЛД те же, что и у обычных. Отличия заключаются в том, что у ЛД нет такого предельно допустимого значения, как неповторяющееся импульсное обратное напряжение URSM , а пробивное напряжение U(BR) является напряжением лавинообразования.

2.2 Стабилитроны

2.2.1 Назначение и ВАХ кремниевого стабилитрона (КС)

Стабилитрон – кремниевый полупроводниковый диод со ступенчатым p–n переходом, напряжение на обратной ветви ВАХ которого в области электрического пробоя слабо зависит от значения проходящего по нему тока. Стабилитроны служат для стабилизации напряжения в схемах малой и средней мощности.

Кремниевый стабилитрон по своему конструктивному выполнению, условному обозначению и ВАХ полностью совпадает с лавинными диодами (рисунки 2.1 и 2.2), рассмотренными в подразделе 2.1. Отличие заключается в том, что КС, как правило, не используется для выпрямления тока. Они включаются в схемах в обратном направлении и работают на обратной ветви ВАХ в режиме лавинного пробоя. Серийные КС изготавливаются на напряжения стабилизации от 3 до 400 В.

Основной характеристикой КС является его ВАХ, которая снимается как статическая по схеме, приведенной на рисунке 1.10, б.

На рисунке 2.3 представлена ВАХ реального маломощного КС. Из рисунка 2.3 видно, что в прямом направлении КС имеет ВАХ,

аналогичную обычному диоду, что, в принципе, позволяет использовать его для выпрямления переменного тока. В обратном направлении ВАХ КС повторяет ВАХ лавинного диода. До наступления лавинного пробоя (участок ОС) через прибор протекают незначительные токи утечки, а его сопротивление весьма высоко. При наступлении лавинного пробоя (участок CD) ток через КС резко возрастает, а его дифференциальное сопротивление падает до величин, составляющих для различных приборов от долей Ома до десятков Ом. Поэтому на участке CD напряжение на стабилитроне UСТ поддерживается прак-

30