Выпрямительные диоды.

ДИОДЫ

Полупроводниковые диоды широко применяются в устройствах радиоэлектроники, автоматики и вычислительной техники, силовой (энергетической) преобразовательной техники. Классификация современных полупроводниковых диодов по их назначению, физическим свойствам, основным электрическим параметрам, конструктивно-технологическим признакам, исходному полупроводниковому материалу находит отражение в системе условных обозначений диодов

Класс силовых диодов занимают особое место в силовой (энергетической) полупроводниковой электронике (с предельным средним или предельным действующим током 10 А и более), или, по другой отечественной классификации, мощные диоды (с рассеиваемой мощностью 1 Вт и более). По нагрузочной способности в области пробоя силовые диоды подразделяются на выпрямительные, лавинные выпрямительные, лавинные выпрямительные с контролируемым пробоем.

Рассмотрим основные классы соловых диодов, их параметры, характеристики и особенности применения в современной электроники.

Выпрямительные диоды.

Выпрямительные полупроводниковые диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный. Частотный диапазон их работы невелик. При преобразовании промышленного переменного тока рабочая частота составляет 50 Гц, а верхняя граница рабочих частот – так называемая пре­дельная частота выпрямительных диодов – как правило, не превышает 500 Гц – 20 кГц.

В таких диодах односторонняя проводимость обуславливается применением полупроводниковой структуры, сочетающей в себе два слоя, один из которых обладает дырочной (р), а другой – электронной (n) электропроводностью (рис.2).

Рис. 2. Структура полупроводникового диода (а), условное обозначение (б)

Мощные диоды изготовляют преимущественно из кремния, но перспективными материалами мощных приборов являются: карбид кремния (SiC), нитрид галлия (GaN), фосфид индия (InF). Переход на новые материалы осложнен необходимостью внедрения новой технологии и доработкой оборудования предприятий.

Большой прямой ток выпрямительных диодов по сравнению с маломощными достигается увеличением размеров кристалла, в частности рабочей площади p-n-перехода, что определяет заметное увеличение обратного тока.

Пример вольт-амперных характеристик (ВАХ) диодов большой мощности приведены на рис.3.

Рис. 3. Вольт-амперные характеристики мощного диода

Прямая ветвь ВАХ диода характеризуется некоторым падением напряжения на приборе при пропускании прямого тока.

Уравнение прямой ветви ВАХ диода имеет вид:

,

(1)

где I₀ – тепловой ток, создаваемый неосновными носителями заряда; φt – тепловой потенциал.

Обратная ветвь ВАХ диода характеризуется протеканием некоторого обратного тока в случае приложения обратного напряжения. Этот ток сильно зависит от температуры. Далее идет область лавинного пробоя.

Рассмотрим некоторые специфические особенности мощных диодов.

Работа при больших токах и высоких обратных напряжениях связана с выделением значительной мощности в p-n-переходе. В связи с этим здесь должны предусматриваться эффективные методы отвода теплоты. В установках с мощными диодами применяют воздушное и жидкостное охлаждение. При воздушном охлаждении отвод теплоты производится с помощью радиатора. При жидкостном охлаждении в радиатор по специальным каналам пропускается теплоотводящая жидкость, например, вода, антифриз, трансформаторное масло, синтетические диэлектрические жидкости.

Другая особенность мощных диодов - необходимость их защиты от кратковременных перенапряжений, возникающих при резких сбросах нагрузки, коммутационных и аварийных режимах, а также атмосферных воздействиях. При этом к диоду прикладывается в обратном направлении помимо напряжения, обусловленного схемой (на которое производится выбор диодов), дополнительный импульс напряжения. При отсутствии защитных мер диод может выйти из строя.

Выход диода из строя связан вначале с электрическим пробоем p-n-перехода, который затем переходит в тепловой пробой, происходящий часто не внутри p-n -перехода, а в месте выхода его на поверхность кристалла.

Защита силового диода от перенапряжений заключается в переводе возможного электрического пробоя p-n-перехода с поверхностных участков в объемные. Поверхностный пробой устраняют за счет создания косого среза (фаски) по поверхности пластины монокристалла и применения так называемого метода защитного кольца (рис.3).

Рис. 3. Полупроводниковая p-n-структура лавинного диода (с фаской)

Фаску создают так, чтобы она пересекала плоскость p-n-перехода под малым углом φ, как показано на рисунке. Проектируя границы ОПЗ из объема структуры на поверхность фаски, можно определить условную толщину ОПЗ на поверхности

(2)

Реальное увеличение толщины ОПЗ по поверхности несколько меньше, так как в ОПЗ должен выполняться баланс положительного и отрицательного зарядов ионов примеси, приводящих к изменению конфигурации ОПЗ вблизи поверхности, как показано на рисунке. Поэтому . Для высоковольтных p-n переходов на рабочие напряжения в несколько киловольт φ=1^о-5^о. Малые углы прямой фаски, при которых ее протяженность составляет 4-5мм и более, обуславливают большие потери полезной площади p-n перехода. Поэтому профиль фаски делают сложным: в р-области с малым углом (1^о-5^о), а в n-области с углом 30^о-40^о. Для создания фасок используют механическую шлифовку или химическое травление мезаструктуры.

Метод защитного кольца основан на внесении меньшей концентрации акцепторной примеси в периферийную кольцевую часть монокристалла по сравнению с внутренней. В связи с этим концентрация основных носителей заряда в периферийной части р-области будет меньшей, а толщина слоя объемного заряда (ширина p-n-перехода) - большей, чем в центральной части.

Благодаря указанным мерам напряженность поля на наружной поверхности p-n-перехода будет существенно меньшей, чем в его внутренней области. При наличии перенапряжений возможный электрический пробой p-n-перехода может произойти только в объемной части, причем пробой носит лавинный характер. Поэтому силовые диоды с такой p-n-структурой называют лавинными. Обратная ветвь вольт-амперной характеристики лавинного диода показана на рис.4 (кривая 1). Там же приведена обратная ветвь вольт-амперной характеристики обычного диода (кривая 2).

Рис. 4. Обратная ветвь вольт-амперной характеристики лавинного диода (кривая 1) обратная ветвь вольт-амперной характеристики обычного диода (кривая 2)

Перенос возможного электрического пробоя в объемную часть перехода обеспечивает не только повышение и стабильность уровня напряжения лавинного пробоя U_лав.пр, но и значительное повышение мощности, рассеиваемой прибором при обратном напряжении благодаря его способности пропускать достаточно большой обратный ток без перегрева локальных участков. Последнее достигается тем, что лавинный пробой p-n-перехода носит объемный характер, распределяясь по большому числу микроканалов. Лишь при значительном обратном токе, когда пробой охватывает всю объемную часть перехода, в принципе возможен перегрев прибора и выход его из строя вследствие теплового пробоя. Поэтому действие импульсов перенапряжения должно быть кратковременным даже в случае применения лавинных диодов.

Для увеличения теплообмена используют двусторонние металлокерамические корпуса таблеточного типа.

Для характеристики выпрямительных диодов используют следующие параметры: максимально допустимое постоянное обратное напряжение U_{oбp maкс} – напряжение, которое может быть приложено к диоду длительное время без опасности нарушения его работоспособности (обычно 0,5…0,8 U_проб, где U_проб – напряжение пробоя); максимально допустимый постоянный прямой ток I_{пр макс}; постоянное прямое напряжение U_пр при заданном прямом токе I_пр=I_{пр макс}; максимально допустимый постоянный обратный ток I_{обр макс} – обратный ток утечки диода при приложении к нему напряжения U_{oбp maкс}, частота без снижения режимов – верхнее значение частоты, при которой обеспечиваются заданные токи и напряжения.

Иногда в паспорте диода указывают средний выпрямленный ток I_{пр ср}, средний обратный ток I_{обр ср}, а также импульсный прямой ток I_{пр имп} или его максимально допустимое значение.

В состав параметров диодов входят диапазон температур окружающей среды (для кремниевых диодов обычно от -60 до + 125°С) и максимальная температура корпуса.

Подавляющее большинство кремниевых диодов имеет p⁺-n-n⁺ структуры, т. е. изготавливаются на основе высокоомного кремния n-типа электропроводности. Это связано с тем, что поверхность слаболегированного n-кремния не подвержена каналообразованию в отличие от слаболегированного р-кремния. Каналообразование на высокоомном р-кремнии связано с наличием положительного заряда на границе раздела кремний-диоксид кремния и приводит к резкому увеличению токов поверхностной утечки выше допустимой нормы.

В настоящее время промышленностью производятся выпрямительные диоды на предельные токи до 10 кА, повторяющееся импульсное обратное напряжение от 100 до 24 кВ (для отдельных типов диодов), быстродействующие диоды на предельные токи от 80 до 630 А и повторяющееся импульсное обратное напря­жение от 500 до 2000 В. Тенденции одновременного увеличения предельного тока, напряжения, повышения быстродействия и снижения прямого напряжения препятствуют физические ограничения. Например, при повышении быстродействия диодов необходимо снижать время жизни неосновных носителей заряда в базе диода путем введения примесей с глубокими уровнями, при этом, как было показано выше, растет прямое падение напряжения и уменьшается предельно допустимое обратное напряжение диода.