Выпрямительные диоды, предназначенные для преобразования переменного тока пониженной частоты в постоянный, подразделяются на собственно выпрямительные диоды (Iср<10 А) и силовые вентили (Iср>10 А). Предельная рабочая частота выпрямительных диодов не превышает 5-20 кГц, а силовых вентилей 50-500 Гц. В настоящее время в нашей стране разработаны и серийно выпускаются силовые вентили типа ВЧ, работающие на частотах до 200 кГц.
Основой выпрямительного диода является полупроводниковая пластинка прямоугольной или кругло формы с p-n-переходом. На пластинку с двух сторон наносятся металлические контакты, к которым присоединяются внешние электроды. Полученный вентильный элемент заключают в корпус, обеспечивающий необходимую механическую прочность и защиту от воздействия окружающей среды. Минимальная толщина полупроводниковой пластинки ограничена ее механической прочностью и, как правило, намного больше требуемой толщины. Поэтому ширина базовой области p-n-перехода намного больше ширины эмиттерной. Для изготовления диодов в качестве исходного обычно используют полупроводник n-типа. Следовательно, базовая область диода имеет электронную электропроводимость. Концепция примесей в базе намного меньше, чем в эмиттере. Поэтому сопротивление базы намного больше, чем эмиттера и сравнимо по величине с сопротивлением p-n-перехода.
Необходимая площадь p-n-перехода зависит от допустимой величины тока, однако максимальная величина площади ограничена требованиями механической прочности полупроводниковой пластинки, зависящими от свойств контактов металлических электродов и полупроводника, которые имеют отличающиеся коэффициенты линейного расширения. Поэтому в процессе эксплуатации при многократно повторяющихся циклах нагрева (за счет прохождения прямого тока) и остывания возможно растрескивание полупроводниковых пластинок большей площади из-за усталостных явлений.
Вольт-амперная характеристика и параметры выпрямительного диода отличаются от аналогичных у идеального p-n-перехода, что обусловлено влиянием ширины базовой области, свойств контактов и поверхности полупроводника и другими факторами. Это отличие иллюстрируется графиками ВАХ идеального p-n-перехода (кривая 1) и реального диода (кривая 2), показанными на рис.1.2,а. Из рисунка видно, что прямые ветви ВАХ отличаются на величину ΔU, представляющую собой сумму падений напряжения на контактах Uk, в областях эмиттера Uэ и базы Uб: ΔU = Uk+Uэ+Uб. Для приближенных расчетов можно пренебречь падениями напряжения в области эмиттера и на контактах, сопротивления которых намного меньше сопротивления базовой области rб. С учетом этого допущения ВАХ диод (рис. 1.2,б) можно описать уравнением
(1-1)
которое справедливо лишь для небольших участков ВАХ, характеризующихся низкими значениями приложенного напряжения (прямого или обратного).
а б
Рис.1.2. Прямая ветвь ВАХ идеального p-n-перехода 1 и реального диода (а) и полная ВАХ диода (б).
При повышении прямого напряжения потенциальный барьер p-n- перехода настолько снижается, что практически перестает влиять на прямой ток диода, значение которого в основном определяется сопротивлением базовой области. Следовательно, ток диода линейно зависит от напряжения. Этот участок прямой ветви ВАХ, называемый омическим, описывается приближенным уравнением
I = (U-Uo)/Rд,
где Uo – напряжение отсечки, равное отрезку, отсекаемому на оси напряжений линейной частью характеристики; Rд ≡ ctg γ – дифференциальное сопротивление, характеризующее наклон линейной части характеристики.
Сопротивление Rд возрастает при увеличении температуры. Об этом свидетельствует уменьшение угла наклона γ с повышением температуры. Параметры Uo и Rд определяются из ВАХ диода или принимаются равными: Uo ≈ (0,5 … 0,7) φо и Rд ≈ rб.
В кривой обратного тока диода Iобр отсутствует участок насыщения, характерный для идеального p-n-перехода. Возрастание Iобр при увеличении обратного напряжения обусловлено эффектами генерации и лавинного размножения носителей заряда в объеме p-n-перехода, а также влиянием токов поверхностных утечек. При этом уравнение для обратного тока имеет вид
Iобр = М (Io+Ir)+Iут,
где М – коэффициент лавинного размножения носителей заряда, зависящий от свойств полупроводниковых областей, образующих p-n-переход, а также от величины обратного напряжения; Io – ток насыщения, обусловленный генерацией носителей заряда за пределами области p-n-перехода; Ir – ток термогенерации, обусловленный генерацией носителей заряда в области p-n-перехода; Iут – ток утечки, обусловленный электропроводностью поверхности полупроводника.
Токи Io и Ir характеризуются экспоненциальной зависимостью от температуры, которую можно описать приближенными уравнениями
где Io(To) и Ir(To) – значения соответствующих токов при Т=300К; a и b – коэффициенты, зависящие от температуры и свойств полупроводника. Для кремния в рабочем диапазоне температур а ≈ 0,13, b ≈ 0,07 1/°С. Ток Iур от температуры зависит слабо (по сравнению с Io и Ir). Поэтому его считают постоянным во всем рабочем диапазоне температур. Для приближенных расчетов температурную зависимость обратного тока можно определить из эмпирического соотношения
из которого видно, что обратный ток удваивается при повышении температуры на каждые 8-10°С.
Вольт-амперная характеристика используется для определения основных параметров диодов, к которым относятся:
прямой ток Iпр.ср – среднее значение прямого тока, вызывающее допустимый нагрев диода при определенных условиях охлаждения;
прямое падение напряжения Uпр.ср – среднее значение напряжения на диоде при прохождении прямого тока;
дифференциальное сопротивление Rд – отношение приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока;
обратный ток Iобр – ток, проходящий через диод при приложении к нему обратного напряжения Uобр;
предельный ток Iпр.макс – максимально допустимое среднее значение прямого тока;
максимальное обратное напряжение Uобр.макс – наибольшее мгновенное значение обратного напряжения, длительно прикладываемого к диоду и не вызывающего изменения его параметров;
диапазон частот Δf – частотный интервал, в пределах которого прямой ток не уменьшается ниже заданного уровня. Иногда приводят предельную частоту диапазона частот fмакс.
Выпрямительные диоды выходят из строя даже при кратковременных перенапряжениях, превышающих величину напряжения пробоя p-n-перехода. Этого недостатка лишены лавинные приборы, относящиеся к группе силовых вентилей. У лавинных вентилей, рассчитанных на токи 10-1000 А и напряжения до 2000В, допустимая величина энергии, рассеиваемой в обратном направлении при перенапряжениях, составляет 0,2-1Дж.
Выпрямительные столбы и блоки используются в высоковольтных выпрямителях и умножителях напряжения. Конструктивно они представляют собой одну или несколько групп специально подобранных диодов, последовательно соединенных между собой. Эти группы помещают в пластмассовый корпус и заливают полимеризующейся смолой. Выпрямительные столбы в отличие от выпрямительных блоков допускают последовательное и параллельное соединение. Вольт-амперные характеристики выпрямительных столбов и блоков по форме совпадают с ВАХ, а их параметры аналогичны параметрам выпрямительных диодов.
(1-1)
