1.3.4. Технология изготовления диодов

Диоды изготавливают из кремния, германия и арсенида галлия (GaAs). По используемым материалам основное применение имеют кремниевые диоды. Эти диоды характеризуются по сравнению с германиевыми большей рабочей температурой T от 125 до 150 ^оС (против +70 ^оС), большей величиной U_ОБР.=1000В (против 300В) и меньшей величиной обратного тока. Однако кремниевые диоды имеют большие потери U_ПР. (1 В против 0,4 В).

В зависимости от конструктивно-технологических особенностей (т.е. способа получения электронно-дырочных переходов) различают диоды точечные и плоскостные. На рис.1.5 представлено устройство полупроводниковых диодов.

Рис.1.5. Устройство точечного (а) и плоскостного сплавного (б) полупроводниковых диодов

У точечных диодов (рис.1.5, а) р-n-переход образуется в месте контакта полупроводниковой пластины с острием металлической иглы (заостренная проволока из алюминия с примесями индия). У плоскостных диодов р-n-переход представляет собой поверхность раздела двух слоев полупроводника с разными типами электропроводимости (рис.1.5, б).

Точечные диоды предназначены для работы на СВЧ и имеют ограниченный выпуск. Сплавной метод изготовления диодов предусматривает вплавление соответствующей примеси в пластину полупроводника, обладающего определенным типом электропроводимости. Сплавные диоды позволяют пропускать гораздо большие токи, чем точечные, однако они имеют повышенную емкость, что не позволяет применять их на высоких частотах. Поэтому сплавная технология имеет ограниченное применение. Наиболее распространен способ изготовления плоскостных диодов по диффузионной технологии: примеси в исходный проводник вводятся из жидкой, твердой или газообразной фазы. При помощи специальных технологических приемов (электролитическая обработка) получают плоскостные диоды с очень малой площадью переходов – микроплоскостные диоды и диффузионные меза-диоды. Эти диоды сочетают в себе достоинства плоскостных и точечных диодов.

1.3.5. Классификация полупроводниковых диодов

Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока низкой частоты (50 Гц) в цепях электропитания электронных схем.

Импульсные диоды предназначены для работы в схемах с импульсами микросекундного и наносекундного диапазона. К ним относятся диоды КД521, КД512, КД513, Д311, Д220.

Стабилитроны предназначены для стабилизации напряжения, они изготавливаются только из кремния и их параметрами являются: U_СТ. – напряжение стабилизации (напряжение лавинного пробоя); I_СТ.MIN и I_СТ.MAX – минимальное и максимальное значение тока стабилизации на рабочем участке; r_СТ.=ΔU_СТ./ΔI_СТ. – динамическое сопротивление стабилитрона. К ним относятся КС133, КС147, КС156, КС168, Д814…Д818.

1.4. Применение диодов в электронных выпрямителях

1.4.1. Основные сведения

Выпрямителем называется устройство для преобразо­вания электрического переменного тока в постоянный. Необходимость такого преобразования обусловлена тем, что электростанции вырабатывают энергию переменного тока, а многие промышленные и бытовые электроуста­новки работают на постоянном токе.

Выпрямители подразделяются на однофазные и трех- или многофазные. Однофазные выпрямители обладают обычно небольшой мощностью (до 1–2 кВА); выпрями­тели средней и большой мощности (от одного до тысячи киловольт-ампер) выполняют, как правило, трехфазными. По способам преобразования переменного тока раз­личают одно- и двухполупериодные выпрямители.

Структурная схема типичного выпрямителя приведе­на на рис.1.6, где принятыми условными знаками обо­значены трансформатор Тр, блок вентилей БВ, сглажи­вающий фильтр Ф (фильтр нижних частот), стабилизатор Ст.

Рис.1.6. Структурная схема выпрямителя

Входным является однофазное или многофазное напряжение U, выход­ным – выпрямленное и сглаженное от пульсаций стаби­лизированное постоянное напряжение U.

Трансформатор (часто называемый силовым) пред­назначается для формирования требуемого переменного напряжения и для электрической развязки блоков вы­прямителя и его нагрузки от электрической линии; такая развязка цепей существенно повышает электробезопас­ность обслуживания. Транс­форматор состоит из первичной и одной или более вто­ричных обмоток, объединенных магнитопроводом. Конст­рукции трансформаторов отличаются большим разнооб­разием и подробно рассматриваются в соответствующих курсах электротехники.

Блок вентилей выполняется на основе полупроводни­ковых диодов, тиристоров или других приборов, обладающих односторонней электропроводно­стью, т. е. выпрямительным свойством, которое оцени­вается по его ВАХ.

Сглаживающий фильтр используется для подавле­ния пульсаций выпрямленного напряжения. Фильтр яв­ляется устройством, содержащим R -, L - и С - элементы, благодаря которым фильтр способен запасать энергию при увеличении напряжения и отдавать ее при уменьше­нии напряжения. Работа фильтра оценивается коэффи­циентом сглаживания s – отношением коэффициентов пульсации q на входе и выходе фильтра.

Стабилизатор ослабляет влияние внешних условий (колебания напряжения в электрической линии или изме­нение нагрузки) и поддерживает выпрямленное и сглаженное напряжение на заданном уровне.

В состав выпрямителя могут входить выключатели, элементы ав­томатики и защиты от перегрузок. В некоторых случаях не при­меняют ни сглаживающего фильтра, ни стабилизатора (например, при зарядке аккумуляторов), в других – требуется и фильтр, и ста­билизатор (в выпрямителях для вычислительных машин или телеви­зоров).

Режим работы какого-либо блока выпрямителя сильно зависит от режима работы остальных блоков. Например, режим работы трансформатора и вентильных элементов предопределяется типом сглаживающего фильтра и характером сопротивления нагрузки (актив­ная, индуктивная или емкостная). Часто встречается случай комплексной нагрузки.

Основными техническими параметра­ми выпрямителей являются значения входных (пере­менных) напряжения U и тока I, среднее значение выпрямленного напряжения U_d и тока I_d, коэффициент пульсаций q, коэффициент сглаживания пульсаций s, КПД(η_d).