Полупроводниковые выпрямительные диоды и их характеристики

Выпрямительными диодами называют полупроводниковые приборы с одним p-n–переходом, имеющие два вывода и предназначенные для выпрямления переменного тока. Вторым элементом обозначения этих диодов является буква «Д» (КД202А). Условное графическое изображение выпрямительного диода показано на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Графическое изображение выпрямительного диода (Iпр – направление прямого тока)

Вольт - амперная характеристика (ВАХ) выпрямительного диода представляет собой зависимость тока, протекающего во внешней цепи диода, от значения и полярности напряжения, прикладываемого к нему. Эту зависимость можно получить экспериментально или рассчитать с помощью уравнения вольт - амперной характеристики идеализированного p-n–перехода

(2.1)

где: I0 – обратный ток насыщения;

φТ – температурный потенциал, равный (0,026 В) при комнатной температуре (Т = 300 К);

U – напряжение, прикладываемое к диоду.

Теоретический график ВАХ выпрямительного диода, рассчитанный с помощью выражения (2.1), представлен на рис. 2.2,а. При увеличении обратного напряжения Uобр обратный ток Iобр, протекающий через p-n-переход диода, достигает предельного значения I0уже при Uобр = 0,1…0,2 В. Следует отметить, что чем больше ширина запрещенной зоны полупроводника и чем выше в нем концентрация примесей, тем меньше величина I0.

Рис. 2.2. Вольт – амперные характеристики выпрямительного диода:

а – теоретическая; б – экспериментальная

При выводе уравнения (2.1) учитывались только диффузионные компоненты тока, протекающего через p-n-переход, и не учитывались такие явления, как термогенерация носителей зарядов в запирающем слое p-n-перехода, поверхностные утечки тока, падение напряжения на сопротивлении нейтральных областей полупроводника, а также наличие пробоя при повышении обратного напряжения. Поэтому теоретический график ВАХ выпрямительного диода отличается от графика ВАХ, снятого экспериментально (рис. 2.2,б).

В реальном диоде при некотором обратном напряжении наблюдается резкое возрастание обратного тока. Это явление называют пробоем p-n-перехода. Существуют три вида пробоя: туннельный, лавинный и тепловой. Для выпрямительных диодов наибольшее значение имеет тепловой пробой p-n-перехода, так как он приводит к выходу диода из строя.

Тепловой пробой диода обусловлен катастрофическим нарушением его теплового режима. Подводимая к p-n-переходу мощность P = Iобр Uобр расходуется на его нагрев. Образующиеся при этом одноименные носители заряда увеличивают обратный ток, что приводит к увеличению выделяемой мощности и дальнейшему разогреву перехода. При плохих условиях отвода тепла от кристалла процесс принимает лавинообразный характер и заканчивается разрушением кристалла, т.е. выходом диода из строя. Увеличение числа носителей зарядов при нагреве p-n-перехода приводит к уменьшению его сопротивления и выделяемого на нем напряжения. Вследствие этого при тепловом пробое на обратной ветви ВАХ появляется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (участок АВ на рис. 2.2). Так как число носителей (а значит, и обратный ток, и выделяемая в переходе мощность) резко (по экспоненциальному закону) увеличиваются с увеличением температуры, то для исключения теплового пробоя температура p-n-перехода должна быть меньше допустимой температуры перехода , которая для германиевых диодов составляет (70-80)^оС, а кремниевых – (120-150)^оС. В маломощных диодах для этого достаточно выполнить условие . В мощных диодах кроме этого может потребоваться искусственное охлаждение. Величина является важнейшим параметром диода и приводится в соответствующих справочниках. С увеличением температуры возрастает обратный ток диода, и ухудшаются условия отвода тепла, поэтому с увеличением температуры величина заметно уменьшается.

При прямом включении выпрямительного диода отличия теоретической ВАХ от ВАХ, снятой экспериментально, в основном обусловлены сопротивлением R1 электронной и дырочной областей за пределами запирающего слоя. Если сопротивление запирающего слоя обозначить через Rзс, то кристалл полупроводника с запирающим слоем можно представить в виде последовательного соединения резисторов Rзс и R1 (рис. 2.3).

При прохождении прямого тока Iпр на сопротивлении R1 падает часть напряжения Uпр внешнего источника и на запирающем слое действует напряжение . В этом случае уравнение ВАХ может быть записано в следующем неявном виде:

Рис. 2.3. Упрощенная эквивалентная схема p-n-перехода

с распределенным сопротивлением полупроводника

Поскольку Uзс < Uпр вольт – амперная характеристика диода, снятая экспериментально, идет ниже теоретической.

С увеличением прямого напряжения Uпр сопротивление запирающего слоя Rзс уменьшается вследствие инжекции в него основных носителей заряда. При большом значении Uпр, сопротивлением запирающего слоя Rзс можно пренебречь и дальнейшее увеличение прямого тока ограничивается распределенным сопротивлением полупроводников p- и n-типа за пределами p-n-перехода. При этом ВАХ диода переходит в прямую линию.

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

- - максимально-допустимый прямой ток, при котором температура диода достигает ;

- - максимально-допустимое обратное напряжение, при котором не происходит пробоя p-n-перехода диода, обычно ;

- прямое и обратное сопротивления диода постоянному току, определяемые по его ВАХ (рис. 2.2) с использованием следующих соотношений:

Rд пр = Uпр1 / Iпр1; Rд обр = Uобр / Iобр;

- прямое и обратное дифференциальные сопротивления диода (сопротивления переменному току), которые определяются из следующих соотношений:

r i .пр = ΔUпр / ΔIпр; r i. обр = ΔUобр / ΔIобр.

При этом значения приращений тока ΔI и напряжений ΔU определяются на линейном участке ВАХ в окрестности заданной точки Х (рис. 2.2). Из-за нелинейности ВАХ диода и обе эти величины зависят от рабочей точки, т.е. от величины постоянного напряжения, приложенного к диоду.

В зависимости от значения выпрямляемого тока различают диоды малой , средней и большой мощности. Диоды малой мощности могут рассеивать выделяемую на них теплоту своим корпусом. Для рассеивания теплоты диоды средней мощности располагают на радиаторах охлаждения, для диодов большой мощности может потребоваться и искусственное охлаждение.

Характеристики и параметры выпрямительных диодов существенно зависят от полупроводникового материала, в первую очередь от ширины запрещенной зоны ΔW. На рис. 2.4 представлены вольт – амперные характеристики германиевого (Ge) и кремниевого (Si) выпрямительных диодов, имеющих одинаковую конструкцию и предназначенных для работы в одном и том же диапазоне токов и напряжений. Так как ширина запрещенной зоны у кремния больше, чем у германия, обратный ток кремниевых диодов значительно (несколько порядков) меньше.

У германиевого диода на обратной ветви ВАХ имеется ярко выраженный участок насыщения, поскольку его обратный ток определяется током экстракции, который описывается уравнением (2.1). Обратный ток кремниевого диода монотонно возрастает с увеличением U_обр, так как у кремниевых диодов ток экстракции весьма мал и обратный ток определяется главным образом токами термогенерации и утечки.

Рис. 2.4. Вольт - амперные характеристики германиевого (Ge) и кремниевого (Si) выпрямительных диодов

При дальнейшем увеличении обратного напряжения в диодах происходит пробой. 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 вначале возникает электрический пробой, который может перейти в тепловой пробой при слишком большом увеличении тока.

Прямой ток полупроводникового диода также зависит от ΔW, так как увеличение ΔW приводит к увеличению потенциального барьера в переходе и, следовательно, к уменьшению прямого тока. Сравнение германиевых и кремниевых диодов легко провести с помощью формулы (2.1): вследствие меньшего значения I₀ для кремниевого диода его прямой ток, равный току германиевого диода, достигается при большем значении прямого напряжения. Поэтому при одних и тех же значениях I_пр, мощность, рассеиваемая германиевыми диодами, меньше чем кремниевыми. По этой же причине у германиевых диодов существенно меньше U_пор и r_{i пр}.

На характеристики диодов существенное влияние оказывает температура окружающей среды. С ростом температуры становится интенсивнее термогенерация носителей зарядов, что приводит к увеличению как обратного, так и прямого тока диода, однако причины этого роста неодинаковы.

Обратный ток является током неосновных носителей зарядов, и увеличение их концентрации в результате усиления термогенерации непосредственно ведет к росту обратного тока. Прямой ток является током основных носителей зарядов, концентрация которых в рабочем диапазоне температур от температуры не зависит. Однако увеличение концентрации неосновных носителей зарядов при повышении температуры приводит к уменьшению высоты потенциального барьера перехода, что и вызывает увеличение прямого тока.

Для приближенной оценки можно считать, что с увеличением температуры на 10^ОС 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.