Тема 2. Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним p-n-переходом и двумя выводами. Слово "диод" образовалось от греч. приставки "ди" ("дважды") и сокращения слова "электрод". Один из способов изготовления диода состоит в следующем. На пластинку полупроводника (например, германия), обладающего электронной проводимостью, накладывают небольшой кусочек индия и помещают в печь. При высокой температуре (около 500 ⁰С) индий вплавляется в пластинку германия, образуя в ней область дырочной проводимости. К самой пластинке германия и к затвердевшей капле индия припаивают два вывода и прибор заключают в герметический и непрозрачный корпус, чтобы защитить p-n-переход от внешних воздействий (влаги, света и т.д.) и обеспечить хороший теплоотвод (рис. 3).

Рис. 3. Схема устройства полупроводникового диода и его условное обозначение (VD – вентиль диодный)

Область n-типа называют отрицательным электродом (базой или катодом), а область p-типа – положительным электродом (эмиттером или анодом).

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) диода приведены на рис. 4. Кривая прямого тока расположена в I квадранте, обратного – в III квадранте. Из графика видно, что прямой ток достаточно сильно зависит от напряжения. Эта зависимость нелинейная и при увеличении напряжения ток может превысить допустимое значение, что приведет к перегреву p-n-перехода и диод выйдет из строя. При подаче на диод обратного напряжения в нем возникает незначительный обратный ток , обусловленный движением неосновных носителей заряда.

 

Рис. 4. Вольт-амперные характеристики диода: 1 – ВАХ идеального диода; 2 – ВАХ реального диода

 

ВАХ и параметры диода сильно зависят от температуры окружающей среды. Наиболее значительно меняется с температурой обратный ток диода. Если температура p-n-перехода возрастает, то усиливается процесс генерации пар неосновных носителей заряда и их количество увеличивается. Это, в свою очередь, приводит к дальнейшему увеличению обратного тока и нагреву p-n-перехода, что может вызвать его разрушение. Такой процесс называют тепловым пробоем. Тепловой пробой разрушает p-n-переход.

При увеличении обратного напряжения на диоде сверх допустимого предела может произойти электрический пробой p-n-перехода, что выражается в резком увеличении обратного тока (при достижении критической напряженности электрического поля за счет энергии поля появляются новые пары неосновных носителей заряда). В зависимости от внешних условий электрический пробой может быть обратимым (первоначальные свойства p-n-перехода полностью восстанавливаются, если снизить напряжение) и необратимым (обратный ток резко увеличивается, происходит разогрев диода, дальнейший рост тока и, как следствие, тепловой пробой и разрушение p-n-перехода). Явление обратимого электрического пробоя используется в качестве рабочего режима в стабилитронах.

Существует много разновидностей полупроводниковых диодов, обладающих специальными свойствами. Рассмотрим некоторые из них.

Выпрямительные диоды

 

Выпрямительный диод – полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования переменного тока в постоянный. В зависимости от исходного полупроводникового материала выпрямительные диоды подразделяются на германиевые и кремниевые. Последние получили наибольшее распространение, поскольку имеют во много раз меньшие обратные токи и бóльшие обратные напряжения. Допустимый диапазон рабочих температур для германиевых диодов составляет -60 ÷ +70 ⁰С, для кремниевых – -60 ÷ +150 ⁰С. Германиевые диоды целесообразно применять при низких напряжениях, так как при одинаковых токах падение напряжения на германиевом диоде, включенном в обратном направлении, меньше, чем на кремниевом.

Для силовых (большой мощности) выпрямительных диодов проблематичным является отвод тепла, поэтому для эффективного охлаждения разрабатывают специальные конструкции таких диодов и методы охлаждения (воздушное, жидкостное и т.д.).

 

 

Технические характеристики выпрямительных диодов

1. Прямое напряжение  при заданном прямом токе .

2. Обратный ток  при заданном обратном напряжении .

3. Максимально допустимый прямой ток .

4. Максимально допустимое обратное напряжение .

Параллельное и последовательное соединение выпрямительных диодов

В ряде практических случаев применяют групповое включение выпрямительных диодов. Для получения более высокого обратного напряжения применяют последовательное соединение диодов. При этом через диоды протекает одинаковый обратный ток , однако из-за неидентичности обратных ветвей ВАХ диодов обратное напряжение будет распределено между ними неравномерно (рис. 5, а), что может привести к пробою. Для устранения неравномерного распределения обратного напряжения между диодами их шунтируют сопротивлениями кОм (рис. 5, б).

Рис. 5. Последовательное соединение диодов: а – обратные ветви их ВАХ; б – выравнивание обратных напряжений

Для увеличения прямого тока применяют параллельное включение диодов. При этом из-за неидентичности прямых ветвей ВАХ диодов токи в параллельных ветвях будут распределены неравномерно, что может привести к перегреву (рис. 6, а). Для выравнивания токов в каждую ветвь последовательно с диодом включают добавочное сопротивление  величиной от единиц до десятков Ом (рис. 6, б).

Рис. 6. Параллельное соединение диодов: а – прямые ветви их ВАХ; б – выравнивание токов

Для выравнивания токов в параллельные ветви могут быть включены и дроссели.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: