Выпрямительные диоды

Выпрямительными называют диоды, предназначенные для выпрямления переменного тока. Условное гра­фическое изображение выпрямительного диода показано на рис. 2.

Рис. 2

В зависимости от значения выпрямляемого тока различают диоды малой мощности (I_{ПР МАХ}0,3А) и средней мощности (0,3А<I_{ПР МАХ}10А). Диоды малой мощности могут рассеивать выделяемую на них теплоту своим корпусом (рис. 3а).

Рис. 3. Выпрямительные диоды:

1 - корпус; 2 - изолятор; 3- кристалл полупроводника

Для рассеивания теплоты диоды средней мощности распо­лагают на радиаторах охлаждения (рис. 3, б).

Обычно допустимая плотность тока, проходящего через р-п-переход, не превышает 2 А/мм², поэтому для получе­ния указанных выше значений среднего выпрямленного тока в выпрямительных диодах используют плоскостные р-п-переходы- Получающаяся при этом большая емкость р-п-перехода существенного влияния на работу диода не оказывает в связи с малыми рабочими частотами.

Вольт-амперные характеристики германиевых и крем­ниевых диодов одинаковой конструкции различаются. На рис. 4 для сравнения показаны характеристики германие­вого (Д304) и кремниевого (Д242) диодов, имеющих оди­наковую конструкцию и предназначенных для работы в одном и том же диапазоне токов и напряжений. Посколь­ку ширина запрещенной зоны у кремния больше, чем у германия, обратный ток кремниевых диодов значительно меньше. Кроме того, обратная ветвь характеристики крем­ниевых диодов не имеет явно выраженного участка насы­щения, что обусловлено генерацией носителей зарядов в р-п-переходе и токами утечки по поверхности кристалла.

Рис. 4. Вольт-амперные характеристики

выпрямительных диодов

Вследствие большого обратного тока у германиевых диодов наступает тепловой пробой, приводящий к разру­шению кристалла. У кремниевых диодов из-за малого об­ратного тока вероятность теплового пробоя мала, и у них возникает лавинный пробой.

Поскольку прямой ток диода определяется из уравне­ния I_ПР=I_S(ехр(U_ПР/_Т-1), вследствие меньшего об­ратного тока кремниевого диода его прямой ток, равный току германиевого диода, достигается при большем значе­нии прямого напряжения. Поэтому мощность, рассеивае­мая при одинаковых токах, в германиевых диодах меньше, чем в кремниевых. По этой причине крутизна S=dI_ПР/dU_ПР германиевых диодов больше, чем у кремниевых.

На характеристики диодов существенное влияние ока­зывает температура окружающей среды. С ростом темпе­ратуры становится интенсивнее генерация носителей за­рядов и увеличиваются обратный и прямой токи диода.

Для приближенной оценки можно считать, что с увели­чением температуры на 10 градусов обратный ток герма­ниевых диодов возрастает в 2, а кремниевых - в 2,5 раза. Однако вследствие того, что при комнатной температуре обратный ток у германиевого диода значительно больше, чем у кремниевого, абсолютное значение приращения об­ратного тока у германиевого диода с ростом температуры оказывается в несколько раз больше, чем у кремниевого. Это приводит к увеличению потребляемой диодом мощно­сти, его разогреву и уменьшению напряжения теплового пробоя. У кремниевых диодов из-за малого обратного тока вероятность теплового пробоя мала, и у них вначале воз­никает лавинный пробой.

Пробой кремниевых диодов определяется процессами лавинного умножения носителей зарядов при ионизации атомов кристаллической решетки. С повышением температуры увеличивается тепловое рассеивание подвижных носителей зарядов и уменьшается длина их свободного про­бега. Для того чтобы электрон на меньшем пути приобрел энергию, достаточную для ионизации, необходимо увели­чение ускоряющего поля, что достигается при большем обратном напряжении. Это объясняет увеличение пробив­ного напряжения кремниевых диодов с ростом температуры.

Рассмотренные типы диодов позволяют выпрямлять переменный ток в устройствах сравнительно низкого на­пряжения (500...700 В). Для выпрямления более высокого напряжения используют последовательное включение дио­дов.