Выпрямительные диоды. Основные характеристики, параметры ВАХ, основные схемы включения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

Самарский Государственный Технический Университет

Факультет Инженерно-технологический

Реферат на тему

Выпрямительные диоды. Основные характеристики, параметры ВАХ, основные схемы включения

Самара 2010

1. Выпрямительные диоды

Полупроводниковый диод - это двуполюсный диод, имеющий 1 p-n переход. По функциональному назначению делятся на:

1. выпрямительные

Для выпрямления переменного тока

Выпрямитель электрического тока - механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое устройство, предназначенное для преобразования переменного входного электрического тока в постоянный выходной электрический ток.

2. специальные

Специальные типы полупроводниковых диодов используют различные свойства p-n-переходов, например явление пробоя, фотоэффект, наличие участков с отрицательным сопротивлением и другие. Специальные полупроводниковые диоды находят, в частности, применение для стабилизации постоянного напряжения, регистрации оптического излучения, формирования электрических сигналов и т. д.

Явление пробоя - это явление резкого увеличения обратного тока через диод при достижении обратным напряжением некоторого критического для данного диода значения. В зависимости от физических явлений, приводящих к пробою, различают лавинный, туннельный, поверхностный и тепловой пробои.

· Лавинный пробой (ударная ионизация) является наиболее важным механизмом пробоя p-n-перехода. Напряжение лавинного пробоя определяет верхний предел обратного напряжения большинства диодов. Пробой связан с образованием лавины носителей заряда под действием сильного электрического поля, при котором носители приобретают энергии, достаточные для образования новых электронно-дырочных пар в результате ударной ионизации атомов полупроводника.

· Туннельным пробоем электронно-дырочного перехода называют электрический пробой перехода, вызванный квантовомеханическим туннелированием носителей заряда сквозь запрещённую зону полупроводника без изменения их энергии. Туннелирование электронов возможно при условии, если ширина потенциального барьера, который необходимо преодолеть электронам, достаточно мала. При одной и той же ширине запрещённой зоны (для одного и того же материала) ширина потенциального барьера определяется напряжённостью электрического поля, то есть наклоном энергетических уровней и зон. Следовательно, условия для туннелирования возникают только при определённой напряжённости электрического поля или при определённом напряжении на электронно-дырочном переходе -- при пробивном напряжении. Значение этой критической напряжённости электрического поля составляет примерно 8•10⁵ В/см для кремниевых переходов и 3•10⁵ В/см -- для германиевых. Так как вероятность туннелирования очень сильно зависит от напряжённости электрического поля, то внешне туннельный эффект проявляется как пробой диода.

· Поверхностный пробой (ток утечки). Реальные p-n-переходы имеют участки, выходящие на поверхность полупроводника. Вследствие возможного загрязнения и наличия поверхностных зарядов между p- и n- областями могут образовываться проводящие плёнки и проводящие каналы, по которым идёт ток утечки I_ут. Этот ток увеличивается с ростом обратного напряжения и может превысить тепловой ток I₀ и ток генерации I_ген. Ток I_ут слабо зависит от температуры. Для уменьшения I_ут применяют защитные плёночные покрытия.

· Тепловой пробой -- это пробой, развитие которого обусловлено выделением в выпрямляющем электрическом переходе тепла вследствие прохождения тока через переход. При подаче обратного напряжения практически всё оно падает на p-n-переходе, через который идёт, хотя и небольшой, обратный ток. Выделяющаяся мощность вызывает разогрев p-n-перехода и прилегающих к нему областей полупроводника. При недостаточном теплоотводе эта мощность вызывает дальнейшее увеличение тока, что приводит к пробою. Тепловой пробой, в отличие от предыдущих, необратим.

Фотоэффект - явление, связанное с освобождением электронов твердого тела (или жидкости) под действием электромагнитного излучения. Различают:

1) внешний фотоэффект - испускание электронов под действием света (фотоэлектронная эмиссия), излучения и др.;

2) внутренний фотоэффект - увеличение электропроводности полупроводников или диэлектриков под действием света (фотопроводимость);

3) вентильный фотоэффект - возбуждение светом электродвижущей силы на границе между металлом и полупроводником или между разнородными полупроводниками.

Конструктивно-выпрямительные диоды делятся на плоскостные и точечные, а по технологии изготовления на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные.

Плоскостные диоды благодаря большой площади p-n--перехода используются для, выпрямления больших токов.

Полупроводниковый "плоскостной" диод представляет собой тонкую (менее 0,1мм) монокристаллическую пластинку германия Ge или кремния Si, содержащую два слоя, один из которых имеет дырочную (р-типа), а второй - электронную (n - типа) проводимость. Эти два слоя разделены плоской и резкой границей, по обе стороны которой спонтанно формируется область шириной , практически не содержащая носителей тока - дырок в р-слое и свободных электронов в n-слое. Проводимость ее очень мала. Она называется р-n-переходом (или электронно-дырочным переходом) и является основным элементом полупроводникового диода. В кристалл четырехвалентного Ge (либо Si) вводят примесные атомы: акцепторы (трехвалентный индий, бор) для получения р-слоя, доноры (пятивалентный мышьяк, фосфор или сурьма) для получения n-слоя. Концентрация примеси мала (порядка 10-5 - 10-7%). Ее атомы размещаются в узлах кристалла достаточно далеко друг от друга, чтобы, не испытывая взаимного влияния, иметь один общий энергетический примесный уровень.

Плоскостные диоды в зависимости от площади перехода обладают емкостью в десятки пикофарад и более. Поэтому их применяют на частотах не более десятков килогерц. Допустимый ток в плоскостных диодах бывает от десятков миллиампер до сотен ампер и больше. Основой точечных и плоскостных диодов являются пластинки полупроводника, вырезанные из монокристалла, имеющего во всем своем объеме правильное кристаллическое строение. В качестве полупроводниковых веществ для точечных и плоскостных диодов применяют чаще всего германий и кремний, а в последнее время также и арсенид галлия и карбид кремния

Точечные диоды предназначены для выпрямления малых токов.

Точечный диод-- это диод с очень малой площадью электрического перехода, который может быть получен вплавлением металлической иглы с нанесенной на неё примесью в полупроводниковую пластинку с определенным типом электропроводимости.

Благодаря малой площади p-n перехода, и как следствие маленькой ёмкости перехода, точечный диод обычно имеет предельную частоту около 300--600 МГц. При использовании более острой иглы без электроформовки получают точечные диоды с предельной частотой порядка десятков гигагерц.

Малая площадь p-n перехода обуславливает также и недостатки точечного диода: максимальное обратное напряжение обычно не превышает 3--5 В, максимальный ток также сильно ограничен.

Кремниевые диоды с точечным контактом были важным компонентом радаров, использовавшихся во время второй мировой войны. Они были ответственны за обнаружение гигагерцовых радиочастотных эхосигналов в приёмниках радаров. Диоды с точечным контактом использовались в течение нескольких десятилетий вплоть до изобретения современных плоскостных диодов. Даже в наши дни в связи с их низким ёмкостным сопротивлением диоды с точечным контактом используются для обнаружения сверхвысоких частот. Германиевые диоды с точечным контактом некогда были широко распространены. Предпочтение этим диодам отдавалось в связи с тем, что падение напряжения в режиме прямого тока составляло менее 0,2 В в таких приборах как безбатарейные детекторные приёмники. Диоды с точечным контактом, хотя и были чувствительны к довольно широкой полосе частот, обладали более низкой допустимой нагрузкой по току в сравнении с плоскостными диодами.

Кремниевый диод в разрезе: (a) диод с точечным контактом, (b) плоскостной диод, схематическое изображение, (d) внешний вид небольшого сигнального диода.

В настоящее время самыми распространёнными диодами являются кремниевые плоскостные диоды. На рисунке выше (b) всё выглядит несколько сложнее, чем в случае обычного р-п-перехода, хотя это всё тот же электронно-дырочный переход. Область отмеченная как N+ является сильнолегированной и не имеет никакого отношения к полярности. Здесь сокращается последовательное сопротивление диода. Область N- является слаболегированной, на что и указывает символ (-). Благодаря этому создаётся более высокое обратное напряжение пробоя, что очень важно для высоковольтных силовых выпрямительных диодов. Низковольтные диоды, даже низковольтные силовые выпрямители, имели бы более серьёзные прямые потери при более высоком уровне легирования

Выпрямительные диоды, можно представить в виде водопроводного крана: они практически без потерь могут проводить электрический ток в одну сторону и полностью блокировать движение электронов в обратном направлении.

Полупроводниковые диоды, выполненные из различных материалов, имеют и различные свойства, что нередко используется для выполнения определенных задач. Например, селеновые выпрямительные диоды проигрывают в сравнении с германиевыми или кремниевыми, так как рассчитаны на небольшой прямой ток и, соответственно, на малое обратное напряжение. Зато свойства селеновых полупроводниковых приборов менее вариабельны и лучше поддаются воспроизведению, что дает возможность подключать их без уравнительных резисторов.

В настоящее время большей популярностью пользуются кремниевые диоды, которые способны адекватно работать при критических температурах (до 130 градусов по Цельсию) и при более высоких обратных напряжениях (до 1200 В).

На втором месте по частоте использования - германиевые полупроводниковые диоды. Они характеризуются малым падением напряжения на переходе, работают при максимальной температуре до семидесяти градусов.

Иногда в измерительной аппаратуре встречаются меднозакисные выпрямители - в схемотехнике они уже практически не применяются. Также в качестве выпрямителя могут использоваться и другие выпрямительные диоды, например, на основе антимонида индия или арсенида галлия.

При выборе диода для конкретной схемы, необходимо учитывать показатели частоты, так как повышение низких частот более 50 Гц приводит к полной потере выпрямительных свойств у полупроводниковых диодов, они попросту превращаются в емкость.

Чаще всего в схемах выпрямителей полупроводниковые приборы соединяются таким образом, чтобы, соединив их свойства, можно было добиться максимального значения обратного тока или обратного напряжения. Такое соединение называется "диодный мост".

Диодный мост -- электрическая схема, предназначенная для преобразования ("выпрямления") переменного тока в пульсирующий. Такое выпрямление называется двухполупериодным.

Однако нужно учитывать, что выпрямительные приборы одной серии все равно будут отличаться своими параметрами. Поэтому для увеличения рабочего тока недостаточно просто параллельно подключить несколько полупроводниковых приборов. Обязательно найдется один с более слабыми параметрами сопротивляемости. В итоге "слабый" диод станет пропускать больший ток, что приведет к его разогреву и разрушению перехода. Дальше процесс разрушения последовательно перейдет на следующее звено и все полупроводниковые диоды выйдут из строя. Поэтому в качестве дополнительной защиты при параллельной сборке к каждому полупроводнику последовательно включают сопротивление (для выравнивания проходящего через них тока), либо резисторы (для равномерного распределения напряжения).

Стоит заметить, что включение в схему дополнительных сопротивлений (резисторов) в какой-то мере снизит выпрямительные способности диодного выпрямителя. Поэтому лучше сразу воспользоваться промышленным диодным мостом (диодная сборка в монолитном корпусе), так как выпрямительные диоды в нем прошли предварительное тестирование на максимальное совпадение параметров. В этом случае риск выпадения отдельного элемента цепочки сведен к минимуму. Также неоспоримым достоинством диодного моста промышленной сборки является легкость его монтажа на плате. В современной электронике и схемотехнике в основном используются низкие напряжения питания. Однако обычные диодные выпрямители характеризуются высокими потерями напряжения, что заметно снижает КПД сетевых блоков питания. Поэтому в низковольтных выпрямителях лучше применять обращенные диоды (выпрямительные свойства характеризуются малыми потерями, если амплитуда выпрямляемого напряжения меньше прямого напряжения) или диоды с барьером Шотки (рекомендуются для использования в низковольтных выпрямителях при высокой частотности). В зависимости от значения выпрямляемого тока различают диоды малой мощности (/_пр,mах < 0,3 А) и средней мощности (0,3 А < /_пр,mах < 10 А). Диоды малой мощности могут рассеивать выделяемую на них теплоту своим корпусом.

Для рассеивания теплоты диоды средней мощности располагают на радиаторах охлаждения (рис. 2.3, б).

Обычно допустимая плотность тока, проходящего через р-n-переход, не превышает 2 А/мм², поэтому для получения указанных выше значений среднего выпрямленного тока в выпрямительных диодах используют плоскостные р-n-переходы. Получающаяся при этом большая емкость р-n-перехода существенного влияния на работу диода не оказывает в связи с малыми рабочими частотами.

Вольтамперные характеристики германиевых и кремниевых диодов одинаковой конструкции различаются. На рис 2.4 для сравнения показаны характеристики германиевого (Д3О4) и кремниевого (Д242) диодов, имеющих одинаковую конструкцию и предназначенных для работы в одном и том же диапазоне токов и напряжений. Поскольку ширина запрещенной зоны у кремния больше, чем у германия, обратный ток кремниевых диодов значительно меньше. Кроме того, обратная ветвь характеристики кремниевых диодов не имеет явно выраженного участка насыщения, что обусловлено генерацией носителей зарядов в р-n-переходе и токами утечки по поверхности кристалла.

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 возникает электрический пробой.

Поскольку прямой ток диода определяется по уравнению , где I_s -обратный или тепловой ток. e - заряд электрона, U - напряжение к диоду, вследствие меньшего обратного тока кремниевого диода его прямой ток, равный току германиевого диода, достигается при большем значении прямого напряжения. Поэтому мощность, рассеиваемая при одинаковых токах, в германиевых диодах меньше, чем в кремниевых. По этой причине крутизна у германиевых диодов больше, чем у кремниевых.

На характеристики диодов существенное влияние оказывает температура окружающей среды. С ростом температуры становится интенсивнее генерация носителей зарядов, и увеличиваются обратный и прямой токи диода.

Для приближенной оценки можно считать, что с увеличением температуры на 10 градусов 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. У кремниевых диодов из-за малого обратного тока вероятность теплового пробоя мала, и у них вначале возникает электрический пробой.

Пробой кремниевых диодов определяется процессами лавинного умножения носителей зарядов при ионизации атомов кристаллической решетки. С повышением температуры увеличивается тепловое рассеивание подвижных носителей зарядов и уменьшается длина их свободного пробега. Для того чтобы электрон на меньшем пути приобрел энергию, достаточную для ионизации, необходимо увеличение ускоряющего поля, что достигается при большем обратном напряжении. Это объясняет увеличение пробивного напряжения кремниевых диодов с ростом температуры.

Рассмотренные типы диодов позволяют выпрямлять переменный ток в устройствах сравнительно низкого напряжения (500...700 В). Для выпрямления более высокого напряжения используют последовательное включение диодов. В настоящее время выпускаются выпрямительные столбы и блоки, которые состоят из специально подобранных диодов, соединенных между собой и заключенных в общий корпус.

2. Принцип действия, характеристики и параметры выпрямительных диодов

Принцип действия выпрямительных диодов основан на свойстве односторонней электропроводности р-п перехода. Если к диоду подвести переменное напряжение (рис. 1.15), то в течение одного полупериода, когда на аноде положительная полуволна, на р-п переходе действует прямое напряжение. При этом сопротивление диода мало; через него протекает большой прямой ток. В следующий полупериод полярность напряжения на диоде меняется на обратную. Его сопротивление значительно увеличивается; через него проходит очень малый обратный ток.

Нагрузку включают в цепь источника питания последовательно с диодом. Практически ток через нагрузку проходит только в одном направлении, поскольку обратным током по сравнению с прямым можно пренебречь. Таким образом, происходит выпрямление, т. е. преобразование переменного тока в постоянный по направлению (пульсирующий).

Схема выпрямления с одним диодом, в которой ток проходит через нагрузку в течение половины периода, является простейшей. На практике применяют более сложные схемы.

3. Вольтамперная характеристика

Вольтамперная характеристика диода представляет собой зависимость тока от величины и полярности приложенного напряжения. Ее вид определяется вольтамперной характеристикой р-п перехода. Реальные характеристики отличаются от идеальных из-за влияния различных факторов. Вольтамперная характеристика диода, как и р-п перехода, имеет две ветви: прямую и обратную. Схема для снятия вольтамперной характеристики диода приведена на рис. 1.16. При снятии прямой ветви в схему включаются миллиамперметр для измерения прямого тока и вольтметр, позволяющий измерить доли вольта. Для получения обратной ветви необходимо изменить полярность подаваемого напряжения, включить микроамперметр, измеряющий обратный ток, и вольтметр со шкалой на десятки и сотни вольт.

На рис. 1.17 представлены реальные вольтамперные характеристики германиевого и кремниевого диода. В области очень малых прямых напряжений, пока не скомпенсирован потенциальный барьер, ток настолько еще мал и так медленно растет, что его не показывает миллиамперметр в схеме для снятия характеристик и его невозможно отложить на графике в масштабе, выбираемом для построения прямой ветви. Поэтому реальная характеристика в прямом направлении начинается не из 0, а при некотором напряжении, называемом пороговым. Пороговое напряжение U_пор составляет десятые доли вольта; для кремниевого диода оно больше, чем для германиевого; с повышением температуры пороговое напряжение уменьшается. Абсолютная величина сдвига прямой ветви характеристики кремниевых диодов при изменении температуры меньше, чем у германиевых.

Обратные ветви характеристик кремниевого и германиевого диодов сильно отличаются от теоретических характеристик р-п перехода и друг от друга. Это объясняется тем, что величина обратного тока в реальных условиях определяется не только тепловым током, но также током утечки по кристаллу и другими факторами. Ток утечки зависит от обратного напряжения и почти не зависит от температуры, а тепловой ток, наоборот, зависит только от температуры. У германиевых диодов обратный ток определяется главным образом тепловым током, поэтому он сильно растет с повышением температуры и мало зависит от . При данной температуре /_обр только на начальном от 0 участке резко возрастает; как было сказано, это происходит из-за уменьшения тока диффузии основных носителей заряда, протекавшего при прямом напряжении. У кремниевых диодов величина /_обр определяется током утечки, так как тепловой ток значительно меньше. Поэтому с увеличением у них равномерно растет /_о6р, начиная с нуля.

С повышением температуры у германиевых диодов пробивное напряжение резко падает, а у кремниевых немного увеличивается.

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

прямое напряжение -- значение постоянного напряжения на диоде при заданном прямом токе;

обратный ток /обр -- значение постоянного тока, протекающего через диод в обратном направлении при заданном обратном напряжении;

сопротивление диода в прямом направлении

оно составляет единицы и десятки Ом;

сопротивление диода в обратном направлении

оно составляет единицы мегаом;

дифференциальное сопротивление диода г_лиф--отношение приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока

полупроводниковый диод вольтамперный ток

Прямое и обратное сопротивления -- это сопротивления в данной точке характеристики при постоянном токе соответствующего направления; дифференциальное сопротивление -- это сопротивление при переменном токе; оно определяет наклон касательной, проведенной в данной точке вольтамперной характеристики к оси абсцисс.

При эксплуатации диодов в выпрямителях важное значение имеют предельно допустимые режимы их использования, характеризующиеся соответствующими параметрами. В целях обеспечения длительной и надежной работы диодов нельзя превышать ни при каких условиях:

максимально допустимое обратное напряжение , которое определяется с запасом как 0,7--0,8 U_npo6;

максимально допустимую мощность, рассеиваемую диодом -- ;

максимально допустимый постоянный прямой ток ;

диапазон рабочей температуры.

Германиевые диоды работают в диапазоне температур от --60 до плюс 70--80 °С, кремниевые -- до плюс 120--160 °С; допустимая плотность прямого тока для германиевых диодов 20--40 А/см², для кремниевых 60--80 А/см²; для германиевых диодов допустимы обратные напряжения до 500--600 В, для кремниевых -- до 2000 --3500 В; падение напряжения на германиевом диоде при прохождении прямого тока составляет 0,3-- 0,6 В, а на кремниевом -- 0,8--1,2 В.

Сравнивая свойства германиевых и кремниевых диодов, можно отметить, что кремниевые диоды имеют на несколько порядков меньший обратный ток, допускают гораздо большие обратные напряжения и плотности прямого тока, могут быть использованы при более высоких температурах. Поэтому выпрямительные диоды изготовляют главным образом из кремния, хотя падение напряжения на кремниевом диоде при прямом токе больше, чем на германиевом.

Размещено на Allbest.ru