Статические параметры диодов

Полупроводниковые диоды применяются для выпрямления переменного тока (выпрямительные диоды), детектирования напряжения высокочастотного колебания (высокочастотные диоды), стабилизации напряжения (стабилитроны), модуляции сигнала высокой частоты (варикапы), преобразования формы импульсов (импульсные диоды) и генерации колебаний (туннельные диоды).

Выпрямительные диоды характеризуются следующими основными параметрами:

–наибольшее допустимое среднее значение прямого тока, характеризующее допустимую мощность тепловых потерь в диоде и измеряемое в однополупериодной схеме выпрямления. Значение этого тока зависит от особенностей конструкции диода, температуры окружающей среды, условий и параметров системы его охлаждения;

–наибольшее допустимое значение обратного напряжения;

–среднее значение прямого падения напряжения при протекании прямого тока в однополупериодной схеме выпрямления;

–среднее значение обратного тока в однополупериодной схеме выпрямления при обратном напряжении, равном ;

–допустимая температура корпуса прибора.

Кремниевые диоды характеризуются по сравнению с германиевыми большим допустимым рабочим значением температуры (120 ^оС против 55 ^оС), большим допустимым обратным значением напряжения (1000 В против 300 В) и меньшим значением обратного тока. Однако кремниевые диоды имеют большее прямое падение напряжения (1 В против 0,3 В). Отличие параметров кремниевых диодов объясняется более широкой запрещённой зоной энергетической диаграммы полупроводника, чем у германиевых диодов.

Значения предельно допустимых параметров выпускаемых промышленностью выпрямительных диодов находятся в следующих пределах: =0,1…1000 А;=100…2000 В.

Стабилитроны изготавливают из кремния. В рабочем режиме они находятся в состоянии электрического пробоя p-n-перехода, когда при изменении его обратного тока в широком диапазоне напряжениена нем изменяется незначительно. Их параметрами являются:

–напряжение стабилизации;

–относительный температурный коэффициент изменения напряжения стабилизации:

,

где – изменение напряжения стабилизации при изменении температуры напо отношению к заданной температуре;

,– минимальное и максимальное допустимое значение тока рабочего участка ВАХ стабилитрона;

–дифференциальное сопротивление стабилитрона на рабочем участке ВАХ, .

Значения предельно допустимых параметров выпускаемых промышленностью стабилитронов: = 0,01…10 А;=4…200 В.

Электрическая модель диода. Диод можно представить в виде эквивалентной электрической схемы (рис. 5), в которой p-n-переход представлен в виде идеализированного диода , ВАХ которого описывается формулой Шокли.Сопротивление соответствует сопротивлению базовой области реального диода. Конденсатор является ёмкостьюp-n-перехода. Ёмкость между внешними выводами диода, определяемая геометрическими параметрами элементов корпуса диода, равна . Обычно.

Рис. 5

Реакция диода на воздействие импульса прямого тока прямоугольной формы. Схема проведения исследований (рис. 6): импульсы прямого тока периодически поступают на исследуемый диод VD от генератора прямоугольных импульсов G2 через вспомогательный разделительный диод VD5 и резистор R2. Диод VD5 необходим для устранения действия на испытываемый диод VD выброса напряжения отрицательной полярности с выхода генератора импульсов G2.

Рис. 6

Пусть в момент времени на диод поступает прямоугольный импульс прямого токаi(t) с амплитудой (рис. 7). НапряжениеU_Б базовой области диода в этот момент времени равно , где – сопротивление базы в момент времени. Напряжение наp-n-переходе, шунтированном ёмкостью , в момент времениравно нулю.

В последующие моменты времени по мере нарастания заряда ёмкости напряжениеувеличивается. По мере накопления избыточных неосновных свободных носителей электрического заряда в базе её сопротивлениеуменьшается, что приводит к постепенному снижениюU_Б.

Начальное значение сопротивления базы можно определить, измеряя начальное падение напряженияна диодеVD: .

Рис. 7

После завершения переходного процесса отпирания диода в момент времени происходит срез импульса тока (ток через диод прекращается). В этот момент времени напряжение на диоде скачком снижается до уровня. Это остаточное (послеинжекционное) напряжение обусловлено наличием в базе избыточных зарядов диффузионной составляющей емкостиp-n-перехода.

Значение сопротивления базы в открытом состоянии диода определяется измерением падения напряженияна диоде, возникающего в момент,.

С этого момента начинается процесс уменьшения избыточной концентрации неосновных свободных носителей электрического заряда в базе вследствие их рекомбинации (рис. 8). При этом на границе между p-n-переходом и базой () градиент концентрации остается равным нулю, т.к. ток через диод равен нулю. По мере уменьшения концентрации этих зарядов происходит изменение напряжения(см. рис. 7) по закону, близкому к линейному:

.

Отсюда определяется время жизни неосновных свободных носителей электрического заряда (дырок) вn-базе диода:

,

где (рис. 7). Здесь– момент времени, когда количество избыточных свободных носителей заряда в базе уменьшается практически до нуля.

Измерение начального значения остаточного напряжения на диоде при достаточно больших значениях прямого тока позволяет найти контактную разность потенциалов p-n-пере-хода. Это следует из соотношения для концентрации неосновных носителей заряда в n-базе на границе p-n-перехода ():

,

где – равновесная концентрация дырок вp-эмиттере.

Рис. 8

Рис. 8

С увеличением амплитуды импульса прямого тока значение стремится к значению, поэтому при импульсах тока достаточно большой амплитуды. Из этой формулы следует, что.

Рис. 9

Реакция открытого диода на воздействие запирающего напряжения.

Исследование переходных процессов в диоде при смене полярности напряжения проводится по схеме на рис. 9.

Прямой ток в исследуемом диоде VD создается источником G1 постоянного напряжения. Значение силы этого тока изменяется регулированием выходного напряжения источника . Импульсы напряжения отрицательной полярности подаются периодически на исследуемый диодVD от генератора G2 через резистор R1 и разделительный диод VD5.

Рис. 9

Рис. 10

0

U

t

t

t

Δt_п

0

0

I

I

а

б

в

Δt_с

t₁

I₀

U_пр

U_обр

I_пр

I_пр

I_обр.max

t₂

t₃

I₀

Переходный процесс изменения тока исследуемого диода наблюдается с помощью осциллографа. Для этого на его вход подаётся напряжение с шунта RS.

В исходном состоянии на исследуемый диод подано прямое напряжение от источника напряженияG1. В некоторый момент времени происходит скачкообразное изменение напряжения на диоде до уровня< 0 в результате появления очередного импульса напряжения на выходе генератораG2 (рис. 10, а).

Характер переходного процесса изменения режима работы диода зависит от сопротивления токоограничивающего резистора R1.

Если это сопротивление мало, то после момента обратный ток диода быстро достигает достаточно большого уровня (рис. 10,б). В этом случае концентрация дырок в базе диода на границеp-n-перехода быстро уменьшается до нуля в результате интенсивной их экстракции из этой области. В глубине базы () концентрацияостается повышенной, поэтому вблизиp-n-перехода создается высокий градиент концентрации дырок (рис. 11, а), что и соответствует большему значению амплитуды импульса обратного тока диода. Дальнейшее уменьшение концентрации дырок в области базы при происходит в результате процессов их экстракции (движения в сторону эмиттера) и рекомбинации в базе.

Рис. 11

Рис. 11

Если значение токоограничивающего сопротивления значительна, то при подаче импульса обратного напряженияв течение некоторого временив цепи будет протекать практически неизменный по значению обратный токp-n-перехода:

(рис. 10, в). Поэтому в течение этого времени остается постоянным градиент концентрации дырок на границе базы иp-n-перехода.

Процесс спада тока происходит в течение времени и сопровождается уменьшением указанного градиента концентрации дырок.

Значение градиента концентрации дырок в базе при = 0 иопределяется тангенсом угла наклонакасательной к графику распределения концентрации дырок в сечении кристалла с координатой= 0 (штриховые прямые на рис. 11,б). Наклон касательных остается постоянным до тех пор, пока концентрация дырок не равновесного значения вблизиp-n-перехода. Дальнейшее уменьшение концентрации дырок в глубине базы начиная с момента ведет к уменьшению градиента концентрации и соответственно обратного тока через диод.

Среднее время жизни дырок в базе и длительность времени , в течение которого выполняется условие , связаны соотношением

.

Значения ,,определяются исходя из осциллограммы напряжения на шунтеRS.