2.1.1. Випрямляючі діоди

У випрямлячах змінної напруги¹ найбільше застосування знаходять германієві і кремнієві напівпровідникові діоди. Основними методами отримання n-p переходів для випрямляючих діодів є сплавлення і дифузія.

Електронно-дірковий перехід утворюється вплавлянням алюмінію в кремній. Пластинка кремнію з n-p переходом припаюється до кристалоутримовача, що є одночасно і основою корпусу діода. До кристалоутримовача приварюється корпус зі скляним ізолятором, через який проходить алюмінієвий вивід.

У дифузійних діодах n-p перехід створюється при високій температурі дифузією домішку в кремній або германій з середи, що містить пари домішкового матеріалу. Конструкції дифузійних і сплавних випрямляючих діодів аналогічні. Малопотужні випрямляючі діоди мають відносно невеликі габарити і масу і за допомогою гнучких виводів монтуються в схему. У потужних діодів кристалоутримовач являє собою масивну тепловідводну основу з гвинтом і пласкою зовнішньою поверхнею для забезпечення надійного теплового контакту із зовнішнім тепловідводом. Між кристалом і основою звичайно вміщують пластинку з вольфраму або ковару, що має приблизно такий же коефіцієнт лінійного розширення, як і матеріал кристала. Це сприяє зменшенню механічних напружень в кристалі при зміні температури.

Випрямляючи стовпи являють собою кілька спеціально підібраних діодів, сполучених послідовно і залитих епоксидною смолою.

Робота напівпровідникового випрямляючого діода заснована на властивості n-p переходу пропускати струм тільки в одному напрямі. Схема кола для випрямлення змінного струму показана на рис. 2.2, на якому умовне позначення випрямляючого діоду нанесено на р-п структуру. На умовному позначенні діоду сторона трикутника, від якої є вивід, називається анодом, а протилежний їй кут – катодом. Аноду відповідає p-область, а катоду – п-область діода.

Рис. 2.2.

Коли до діода надходить півхвиля додатної полярності (на аноді – «+», на катоді – «–»), висота потенціального бар’єру переходу знижується (кажуть n-p перехід зміщується в прямому напрямку), носії зарядів – дірки із p-області і електрони із п-області легко долають цей бар’єр і забезпечують протікання прямого струму в колі (і_пр). При цьому на навантаженні R_н утворюється напруга у вигляді додатної півхвилі.

При появі на діоді від’ємної півхвилі (на аноді – «–», на катоді – «+») сумарне електричне поле на р-п переході (потенціальний бар’єр і зовнішня напруга) збільшується, що перешкоджає проходженню зарядів через р-п перехід. Струм в навантаженні дорівнюватиме незначному зворотному струму (і_зв), зумовленого дрейфовим струмом через р-п перехід, а напруга на навантаженні буде близькою до нуля.

При порівнянні типових ВАХ германієвого і кремнієвого діодів можна відзначити, що кремнієві діоди мають значно менші зворотні струми при однаковій напрузі, ніж германієві; допустима зворотна напруга кремнієвих діодів може досягати 1000...1500 В, в той час як у германієвих вона знаходиться в межах 100...400 В; кремнієві діоди працюють в діапазоні температур –60...+150 С, а германієві – в межах –60...+85 С; потужність, що розсіюється всередині германієвого діода в 1,5–2 рази менша. Останнє пояснюється тим, що у германієвих діодів можна отримати величину опору в прямому напрямку в 1,5–2 рази меншу, ніж у кремнієвих, при однаковому струмі навантаження, а отже і пряме падіння напруги у германієвих діодів менше, ніж у кремнієвих. В зв’язку з цим у випрямляючих пристроях низьких напруг доцільніше застосовувати саме германієві діоди.

До основних параметрів випрямляючих діодів відносяться:

• Середній прямий струм – середнє за період значення прямого струму.

• Максимально допустимий середній прямий струм.

• Середній випрямлений струм – середнє за період значення випрямленого струму, що протікає через діод з урахуванням зворотного струму.

• Максимально допустимий середній випрямлений струм.

• Постійна пряма напруга – значення постійної напруги на діоді при заданому постійному прямому струмі.

• Середня пряма напруга – середнє за період значення прямої напруги при заданому середньому значенні прямого струму.

• Постійна зворотна напруга – значення постійної напруги, що прикладена до діоду в зворотному напрямку.

• Максимально допустима постійна зворотна напруга.

• Максимально допустима імпульсна зворотна напруга.

• Постійний зворотний струм – значення постійного струму, що протікає через діод в зворотному напрямку при заданій зворотній напрузі.

• Середній зворотний струм – середнє за період значення зворотного струму.

В схемах випрямовуючих приладів при необхідності отримати випрямлений струм, що перевищує допустиме значення для одного діода, застосовують паралельне включення однотипних діодів. При цьому, щоб через діоди протікали однакові струми, послідовно з ними включаються додаткові резистори R_дод з опором в декілька Ом (рис. 2.3). Це дозволяє штучно зрівняти прямі опори віток з діодами, власні опори яких для різних екземплярів діодів можуть суттєво відрізнятись.

У високовольтних колах використовується послідовне з’єднання діодів (рис. 2.4.). При такому з’єднані напруга розподіляється між всіма діодами. Для вирівнювання зворотних опорів діодів паралельно кожному з них включається шунтуючий ¹ резистор з опором в декілька сотень кОм.

В швидкодіючих імпульсних схемах з часом перемикання меншим за 1 мкс доводиться враховувати інерційність процесів вмикання і вимикання діодів, тобто часом відновлення високого зворотного опору при зміні полярності прикладеної напруги з прямої на зворотну. Це зумовлено ємністю між електродами діоду і накопиченням заряду в його катодній частині – носії заряду не встигають рекомбінувати, амплітуда зворотного струму збільшується, і діод втрачає на деякий час випрямляючі властивості.

Робота діода в імпульсному режимі, зокрема схема включення і вид вхідного імпульсу напруги (U_вх(t)) та струму через діод (I(t)), ілюструє рис. 2.5.

а) б) в)

Рис. 2.5.

Під дією вхідного імпульсу додатної полярності U_пр через діод протікає прямий струм І_пр, величина якого визначається амплітудою імпульсу напруги, опором навантаження і опором відкритого діода. При зміні вхідної напруги на зворотну U_зв в перший момент відбудеться різке збільшення зворотного струму до І₁ і лише з часом цей струм зменшиться до сталого значення І_зв. Це явище пов’язане зі специфікою роботи n-p переходу і є виявом так званого ефекту накопичення. Сутність цього ефекту складається в наступному. Під час протікання прямого струму через n-p перехід здійснюється інжекція носіїв. Внаслідок інжекції в безпосередній близькості до переходу створюється концентрація неврівноважених неосновних носіїв. Чим вища концентрація неосновних носіїв, тим більший зворотний струм. Час життя неврівноважених носіїв обмежений – поступово їх концентрація зменшується як за рахунок рекомбінації, так і за рахунок відходу через n-p перехід. Тому через деякий час (τ_в на рис. 2.5-в) неврівноважені неосновні носії зникнуть і зворотний струм відновиться до нормального значення I_зв.

Для роботи в імпульсних режимах використовують імпульсні діоди, в яких за рахунок конструктивно-технологічних заходів, зменшується бар’єрна ємність і скорочується час життя неврівноважених носіїв заряду в області n-p переходу. Переважно це діоди точкового типу.

Основною характеристикою імпульсних діодів є їх перехідна характеристика. Вона відображає процес відновлення зворотного струму і зворотного опору діода при дії на нього імпульсної напруги зворотної полярності (див. рис. 2.5-в).

Основні параметри діодів, що працюють в імпульсному режимі:

• Час відновлення зворотного опору τ_в – інтервал часу від моменту проходження струму через нуль після перемикання діода із заданого прямого струму в стан заданої зворотної напруги до моменту досягнення зворотним струмом заданого низького значення.

• Заряд перемикання Q_пк – частина накопиченого заряду, що витікає у зовнішнє коло при зміні напряму струму з прямого на зворотний.

• Загальна ємність С_д – ємність, виміряна між виводами діода при заданих напрузі зміщення і частоті.

• Імпульсна пряма напруга U_пp.і – пікове значення прямої напруги на діоді при заданому імпульсі прямого струму.

• Імпульсний прямий струм І_пр.і – пікове значення імпульсу прямого струму при заданій тривалості, скважності і формі.

Для імпульсних діодів вказують також величину постійної прямої напруги U_пp при протіканні постійного струму І_пр і величину зворотного струму І_зв при заданій величині зворотної напруги U_зв. Граничні режими визначаються величиною максимально допустимої постійної зворотної напруги U_зв.max, максимально допустимою величиною імпульсної зворотної напруги U_зв._і.max, а також величинами максимально допустимого постійного прямого струму І_пр.max і максимально допустимого імпульсного прямого струму I_пр.і,max.

Імпульсні діоди широко застосовуються в імпульсних схемах самого різного призначення, зокрема в логічних схемах електронних цифрових обчислювальних машин.