Какое включение полупроводникового диода изображено на рисунке

1.Полупроводниковые диоды, принцип действия, характеристики:

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД — полупроводниковый прибор с двумя электродами, обладающий односторонней проводимостью. К полупроводниковым диодам относят обширную группу приборов с p-n-переходом, контактом металл — полупроводник и др. Наиболее распространены электропреобразовательные полупроводниковые диоды. Служат для преобразования и генерирования электрических колебаний. Один из основных современных электронных приборов. Принцип действия полупроводникового диода: В основе принципа действия полупроводникового диода — свойства электронно-дырочного перехода, в частности, сильная асимметрия вольт-амперной характеристики относительно нуля. Таким образом различают прямое и обратное включение. В прямом включении диод обладает малым электросопротивлением и хорошо проводит электрический ток. В обратном — при напряжении меньше напряжения пробоя сопротивление очень велико и ток перекрыт. Характеристики:

2.Полупроводниковые диоды, прямое и обратное включение, вах:

Прямое и обратное включение:

При прямом включении p-n-перехода внешнее напряжение создает в переходе поле, которое противоположно по направлению внутреннему диффузионному полю. Напряженность результирующего поля падает, что сопровождается сужением запирающего слоя. В результате этого большое количество основных носителей зарядов получает возможность диффузионно переходить в соседнюю область (ток дрейфа при этом не изменяется, поскольку он зависит от количества неосновных носителей, появляющихся на границах перехода), т.е. через переход будет протекать результирующий ток, определяемый в основном диффузионной составляющей. Диффузионный ток зависит от высоты потенциального барьера и по мере его снижения увеличивается экспоненциально.

Повышенная диффузия носителей зарядов через переход привод к повышению концентрации дырок в области n-типа и электронов в области p-типа. Такое повышение концентрации неосновных носителей вследствие влияния внешнего напряжения, приложенного к переходу, называется инжекцией неосновных носителей. Неравновесные неосновные носители диффундируют вглубь полупроводника и нарушают его электронейтральность. Восстановление нейтрального состояния полупроводника происходит за счет поступления носителей зарядов от внешнего источника. Это является причиной возникновения тока во внешней цепи, называемого прямым.

При включении p-n-перехода в обратном направлении внешнее обратное напряжение создает электрическое поле, совпадающее по направлению с диффузионным, что приводит к росту потенциального барьера и увеличению ширины запирающего слоя. Все это уменьшает диффузионные токи основных носителей. Для неосновных носителе поле в p-n-переходе остается ускоряющим, и поэтому дрейфовый ток не изменяется.

Таким образом, через переход будет протекать результирующий ток, определяемый в основном током дрейфа неосновных носителей. Поскольку количество дрейфующих неосновных носителей не зависит от приложенного напряжения (оно влияет только на их скорость), то при увеличении обратного напряжения ток через переход стремиться к предельному значению IS , которое называется током насыщения. Чем больше концентрация примесей доноров и акцепторов, тем меньше ток насыщения, а с увеличением температуры ток насыщения растет по экспоненциальному закону.

На графике изображены ВАХ для прямого и обратного включения диода. Ещё говорят, прямая и обратная ветвь вольт-амперной характеристики. Прямая ветвь (Iпр и Uпр) отображает характеристики диода при прямом включении (то есть когда на анод подаётся «плюс»). Обратная ветвь (Iобр и Uобр) отображает характеристики диода при обратном включении (то есть когда на анод подаётся «минус»).

Синяя толстая линия – это характеристика германиевого диода (Ge), а чёрная тонкая линия – характеристика кремниевого (Si) диода. На рисунке не указаны единицы измерения для осей тока и напряжения, так как они зависят от конкретной марки диода.

Для начала определим, как и для любой плоской системы координат, четыре координатных угла (квадранта). Напомню, что первым считается квадрант, который находится справа вверху (то есть там, где у нас буквы Ge и Si). Далее квадранты отсчитываются против часовой стрелки.

Итак, II-й и IV-й квадранты у нас пустые. Это потому, что мы можем включить диод только двумя способами – в прямом или в обратном направлении. Невозможна ситуация, когда, например, через диод протекает обратный ток и одновременно он включен в прямом направлении, или, иными словами, невозможно на один вывод одновременно подать и «плюс» и «минус». Точнее, это возможно, но тогда это будет короткое замыкание. Остаётся рассмотреть только два случая – прямое включение диодаиобратное включение диода.

График прямого включения нарисован в первом квадранте. Отсюда видно, что чем больше напряжение, тем больше ток. Причём до какого-то момента напряжение растёт быстрее, чем ток. Но затем наступает перелом, и напряжение почти не меняется, а ток начинает расти. Для большинства диодов этот перелом наступает в диапазоне 0,5…1 В. Именно это напряжение, как говорят, «падает» на диоде. Эти 0,5…1 В и есть падение напряжения на диоде. Медленный рост тока до напряжения 0,5…1В означает, что на этом участке ток через диод практически не идёт даже в прямом направлении.

График обратного включения нарисован в третьем квадранте. Отсюда видно, что на значительном участке ток почти не изменяется, а затем увеличивается лавинообразно. Если увеличить, напряжение, например, до нескольких сотен вольт, то это высокое напряжение «пробьёт» диод, и ток через диод будет течь. Вот только «пробой» — это процесс необратимый (для диодов). То есть такой «пробой» приведет к выгоранию диода и он либо вообще перестанет пропускать ток в любом направлении, либо наоборот – будет пропускать ток во всех направлениях.

В характеристиках конкретных диодов всегда указывается максимальное обратное напряжение – то есть напряжение, которое может выдержать диод без «пробоя» при включении в обратном направлении. Это нужно обязательно учитывать при разработке устройств, где применяются диоды.

Сравнивая характеристики кремниевого и германиевого диодов, можно сделать вывод, что в p-n-переходах кремниевого диода прямой и обратный токи меньше, чем в германиевом диоде (при одинаковых значениях напряжения на выводах). Это связано с тем, что у кремния больше ширина запрещённой зоны и для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости им необходимо сообщить большую дополнительную энергию.

Какое включение полупроводникового диода изображено на рисунке

Свойство полупроводника p-n типа, проводить электрический ток в одном направлении и не проводить в обратном направлении, нашло применение в электронном приборе под названием «Диод».

На рисунке 1 показано прямое включение диода при котором диод проводит электрический ток, а на рисунке 2 обратное включение диода при котором диод не проводит электрический ток. Так ведет себя диод включенный в цепь постоянного тока. Токи и соответствующие им напряжения называются прямым током (при включении диода в проводящем направлении) и соответствующее ему напряжение — прямое напряжение. При обратном включении токи и напряжения соответственно называются обратным током и обратным напряжением.

На графике вольт — амперная характеристика выглядит как показано на рисунке. Так как диоды применяются в различных областях радио и электроники то основными параметрами диодов являются прямой Iпр ток и соответствующее ему прямое напряжение Uпр, допустимое обратное напряжение Uобр и соответствующий ему обратный ток Iобр.
Основное назначение диодов, это преобразование переменного тока в постоянный. Рассмотрим как, например, получить постоянный ток из переменного для питания радиоприемника.

Понижающий трансформатор (см. рисунок) преобразует переменное напряжение 220V осветительной сети в низкое 6V переменное напряжение (график 1). Так как диод пропускает ток только в одном направлении то после диода мы получим пульсирующее напряжение только с положительными полуволнами (График 2).
Для того, чтобы получить постоянное напряжение необходимо на выходе выпрямителя включить конденсатор.

При прохождении через диод положительной полуволны переменного тока конденсатор заряжается, в момент отрицательной полуволны переменного тока на выходе диода (точка А) напряжение отсутствует, но так как конденсатор заряжен то на его выводах присутствует постоянное напряжение. Конденсатор постепенно разряжается на нагрузку, в следующий положительный полупериод процесс повторяется, а график напряжения на выходе выпрямителя (точка А) выглядит так как показано на рисунке.
Мы видим, что на выходе выпрямителя присутствует не идеальное постоянное напряжение, а постоянное напряжение с небольшими пульсациями. Пульсации тем меньше, чем больше емкость конденсатора. Обычно в выпрямителях применяют электролитические конденсаторы большой емкости (от 1000 мкф и более). Еще больше сгладить пульсации можно если применить П образный фильтр (о котором мы говорили в теме «Индуктивности») состоящий из 2 конденсаторов С1 и С2 и дросселя L1.

Еще одно важное применение диодов, это детектирование сигналов. Когда мы изучали тему «Колебательный контур» то говорили, что выделенный колебательным контуром высокочастотный сигнал радиостанции подается на детектор чтобы преобразовать сигнал радиостанции в сигнал звуковой частоты. В эфире хорошо распространяются только высокочастотные сигналы. Высокочастотные сигналы радиостанций модулируются сигналами низкой (НЧ) (звуковой) частоты. Рассмотрим сигнал модулированный по амплитуде. Такой сигнал называется «Амплитудно — Модулированным» — АМ.

Высокая (несущая частота) изменяется по амплитуде низкочастотным сигналом (огибающей). В отличие от НЧ сигнала, частота ВЧ сигнала не меняется со временем.
В детекторе, после диода, НЧ и ВЧ сигналы разделяются.

ВЧ сигнал практически без помех проходит через конденсатор С1 на землю, а НЧ — звуковой сигнал проходит на усилитель низкой частоты, где усиливается и подается на громкоговоритель. Для нормальной работы диода на выходе детектора должна быть включена нагрузка. В нашем случае это сопротивление Rн.

Назначение диодов, это не только выпрямление переменного тока и детектирование сигналов. Существуют, например, такие диоды, как стабилизаторы напряжения. Стабилизирующие диоды называются «стабилитроны». Принцип работы таких диодов основан на пробое p-n перехода при подаче на диод обратного (когда диод не проводит электрического тока) напряжения.

При определенном напряжении (Uпр) p-n переход пробивается, обратный ток резко возрастает а напряжение на диоде остается неизменным (смотрите график). Схема включения стабилитрона показана на рисунке.

Ограничительный резистор Ro включен в цепи для того, чтобы на нем создавалось падение напряжения Ur равное разности между входным напряжением Uвх и выходным напряжением Uвых: Ur = Uвх — Uвых. Очевидно, что стабилизатор напряжения на стабилитроне не может отдавать большую мощность в нагрузку, поэтому такие стабилизаторы применяют как источник образцового напряжения для более мощных стабилизаторов, например на мощных транзисторах. При снятии напряжения со стабилитрона свойства его p-n перехода восстанавливаются.
В справочниках для стабилитронов указывается ток пробоя p-n перехода Iст и напряжение стабилизации Uст.

Так же к обширному классу диодов относятся светоизлучающие диоды которые при прохождении через них небольшого прямого тока излучают световые волны (от инфракрасного излучения до фиолетового).

Используются светодиоды, в основном, как экономичные индикаторы в различных бытовых и промышленных приборах, а так же в пультах дистанционного управления (инфракрасные) для различной электронной аппаратуры (телевизоры, музыкальные центры и т.д.).
Итак, мы знаем, что применение диодов в радиоэлектронной аппаратуре очень разнообразно, это выпрямление переменного тока, детектирование сигналов, стабилизация напряжения, световые индикаторы и так далее. На рисунке показаны наиболее распространенные типы диодов.

Какое включение полупроводникового диода изображено на рисунке

Некоторые популярные диоды

Определение и типы диодов

Упрощенно диод можно понимать как активный электрический элемент проводящий ток только в одном направлении. Как клапан в гидравлике. Существует несколько типов диодов отличающихся как по физическому принципу работы, так и по базовому материалу. В очень общих чертах они делятся на полупроводниковые и вакуумные. Итак, диоды бывают:

— вакуумные (они же кенотроны);

— на основе p-n перехода между полупроводниками различных типов проводимости: кремниевые (Si) и карбидокремниевые (SiC) диоды;

— на основе контакта Шоттки между металлом и полупроводником.

Вакуумные диоды используются крайне редко, только в спецприложениях, например высоковольтной и высокочастотной технике. Наиболее популярными диодами являются кремниевые диоды и диоды Шоттки.

Кроме физической природы диоды классифицируются по функциональному назначению:

— выпрямительные диоды , используемые, как правило, для выпрямления сетевого напряжения низкой частоты (50 Гц). Как правило, это кремниевые, дешевые диоды. Они ставятся как непосредственно на входе безтрансформаторных импульсных источников питания, так и после трансформатора в трансформаторных источниках.

— быстродействующие кремниевые диоды — используются в составе импульсных источников питания при высоких значениях обратного напряжения (100-1000 вольт). Отличаются малым временем восстановления обратной проводимости, составляющим величину менее 200 нс. Внутри класса имеют условную подклассификацию Fast (500-150 нс), UltraFast (70-50 нс), HiperFast (35-20 нс).

— кремниевые импульсные диоды – используются в составе функциональных (не силовых) цепей. Типичный пример – диод 1N4148; Отличаются малыми рабочими токами (миллиамперы) и большим быстродействием (время обратного восстановления 1N4148 – 4 нс).

— высоковольтные диоды – представляют собой последовательное соединение нескольких (5-20 штук) кристаллов кремниевых диодов в одном корпусе. При этом максимальное обратное напряжение составляет единицы-десятки киловольт, а ток как правило – небольшой и не превышает 1 ампера. Используются в ряде специальных приложений. Быстродействие этих диодов, как правило, невысокое.

Отдельно следует выделить диоды Шоттки – которые используются и как функциональные (сигнальные) диоды и как силовые. Их отличительными чертами являются высокое быстродействие, малое падение напряжения (0,3-0,5 В) по сравнению с кремниевыми диодами (1-1,2 В). К недостаткам относят сравнительно малое обратное напряжение (20-100 В) чувствительность к перенапряжению, значительный обратный ток. Диоды Шоттки часто используются в качестве выпрямительных диодов высокочастотных преобразователей с малым выходным напряжением.

Здесь не рассматриваются диоды чисто радиочастотных применений СВЧ, варикапы, смесительные и т.д. поскольку это вы ходит за рамки данного повествования.

Условное обозначение диода представлено на рисунке VD.1

Рисунок VD.1 – Условное обозначение диода на основе p-n перехода и диода Шоттки

Электрод, в который втекает ток, называется анодом, а электрод из которого ток вытекает – катодом. Исторические названия эти связаны с вакуумными диодами, в которых электроны эмитировались накальным катодом и принимались анодом. Символически диод обозначает собой направление протекания тока.

Функциональные применения диода

— выпрямление переменного тока в составе тех или иных выпрямителей (включая умножители напряжения);

— защита от превышения напряжения в схемах ограничения уровня и снабберах;

— в пиковых детекторах на операционных усилителях;

— в низковольтных стабилизаторах напряжения (используется прямое падение напряжения);

— в схемах на переключаемых конденсаторах, включая схемы бустрепного питания;

— схемах реализации логических операций ИЛИ (рисунок VD.3 ).

Ниже представлено несколько примеров использования диодов.

Рисунок VD.2 — Схема двухполупериодного выпрямителя

Рисунок VD.3 — Схема реализации логических операций ИЛИ

— схемах ограничения амплитуды сигнала (рисунок VD.4).

Рисунок VD.4 — Схема ограничения амплитуды сигнала

Характеристики диодов

Основной характеристикой диода является его ВАХ – вольтамперная характеристика – зависимость тока пропускаемого диодом от напряжения на нем. Она не линейна и имеет фактически экспоненциальный характер.

Форма кривой ВАХ диода (рисунок VD.5) зависит от температуры: при нагреве уменьшается прямое падение напряжения и возрастает обратный ток, снижается напряжение пробоя.

Рисунок VD.5. Форма вольтамперной характеристики диода

Из вольтамперной характеристики следуют её производные:

— прямое падение напряжение на диоде V_F (при заданных токе и температуре);

— обратный ток утечки I_RM (при заданном обратном напряжении и температуре);

— максимальное обратное напряжение V_R (при заданной температуре).

Площадь p-n перехода, размер кристалла, конструкция теплоотвода определяют мощностные характеристики диода:

— максимальный постоянный рабочий ток;

— максимальный импульсный ток (при заданной длительности импульса);

— максимальная отводимая (рассеиваемая мощность);

— тепловое сопротивление корпуса.

Динамическими характеристиками диода, определяющими его быстродействие, являются:

— время восстановления при резкой смене напряжения с прямого на обратное;

На рисунках VD.6 — VD.8 представлены экспериментально измеренные ВАХ распространенных типов диодов (для сравнения представлены ВАХ кремниевых диодов и диода Шоттки).

Рисунок VD.6 — Экспериментально измеренная вольтамперная характеристика кремниевого диода 1N4148

Рисунок VD.7 Экспериментально измеренная вольтамперная характеристика кремниевого диода FR157

Рисунок VD.8 Экспериментально измеренная вольтамперная характеристика диода Шоттки 1N5819

Основные параметры реальных диодов

1. Максимальное импульсное обратное напряжение (Peak Repetitive Reverse Voltage) V_RRM– максимальная величина прикладываемого к диоду импульсного обратного напряжения.

2. Максимальное рабочее обратное напряжение (Working Peak Reverse Voltage) V_RWM – максимальная величина прикладываемого к диоду обратного напряжения в рабочем режиме.

3. Максимальное блокирующее напряжение (DC Blocking Voltage) V_R – максимальная величина прикладываемого к диоду постоянного напряжения. Выше этого напряжения начинается пробой. Соответствует началу пробоя на обратной ветви ВАХ.

NB: На практике все перечисленные типы напряжения равны между собой и при проектировании схем необходимо, не допускать превышения напряжения на диоде данной величины.

4. Максимальное среднеквадратичное обратное напряжение (RMS Reverse Voltage) V_R(RMS) – максимальная величина действующего (среднеквадратичного) напряжения в цепи переменного тока, превышение которой приводит к пробою диода. Фактически подразумевается переменное напряжение синусоидальной формы.

5. Средний рабочий ток (Average Rectified Output Current) I_O – максимальное среднеквадратичное значение тока проходящего через диод в стационарном режиме.

6. Максимальный импульсный ток (Repetitive peak forward current) I_FRM — максимальная амплитуда импульсного периодического тока проходящего через кристалл диода. Как правило, указывается длительность импульсов и частота повторения.

7. Максимальный импульсный непериодический ток (Non-Repetitive Peak Forward SurgeCurrent) I_FSM — максимальная амплитуда импульсного непериодического тока проходящего через кристалл диода. Как правило, указывается длительность импульса.

8. Прямое падение напряжения на диоде (Forward Voltage) V_FM – падение напряжения на диоде при прямом смещении (в открытом состоянии). Как правило, указывается при конкретной величине прямого тока.

9. Максимальный обратный ток (Peak Reverse Current) I_RM – максимальный обратный ток через диод. Указывается при максимальном обратном напряжении на диоде и при конкретном значении температуры.

10. Ёмкость p-n перехода (Typical Junction Capacitance) C_j – паразитная емкость p-nперехода диода. Сильно зависит от приложенного обратного напряжения, поэтому в datasheetкроме усредненной величины, как правило, приводят зависимость емкости от обратного напряжения.

11. Тепловое сопротивление кристалл – воздух (Typical Thermal Resistance Junction toAmbient) R_θJA – тепловое сопротивление между кристаллом (p-n переходом) диода и окружающим воздухом. Зависит от типа корпуса.

12. Максимальная рабочая температура (Maximum DC Blocking Voltage Temperature) T_A – максимальная рабочая температура при которой сохраняется указанное значение максимального обратного напряжения.

13. Максимальная рассеиваемая мощность (Total power dissipation) P_tot – максимальная мощность рассеиваемая корпусом диода.

14. Параметр максимальной энергии поглощаемой кристаллом без разрушения (Rating for fusing) I 2 t – произведение квадрата максимального импульсного тока через диод на его длительность. Это соотношение, измеряемое в А 2 с (ампер в квадрате на секунду) используется при выборе защитных цепей от перегрузки (предохранителей).

15. Время восстановления обратной проводимости (Reverse recovery time) t_rr – время за которое диод после приложения обратного напряжения переходит в закрытое состояние (обратная проводимость).

Максимальные ток и мощность диода

Режим постоянного тока

Полупроводниковый диод – нелинейный элемент мощность, рассеиваемая на диоде равна произведению напряжения на диоде V_VD и тока через него I_VD:

Для практических расчетов в качестве V_VD можно брать падение напряжения при номинальном токе, указываемое в справочных листках. Поскольку напряжение на диоде составляет величину порядка 1,0-1,5 В (для кремниевого диода, для Шоттки меньше) и слабо изменяется с ростом тока, то в первом приближении можно считать, что рассеиваемая на диоде мощность прямо пропорциональна току через него:

Это существенно отличает нелинейный диод от линейного резистора, мощность которого пропорциональна квадрату тока. В справочных листках указывается максимальное значение постоянного тока через диод. Этот ток задает максимальное значение отводимой от кристалла диода тепловой мощности.

Представленная формула описывает потери на кристалле диода при прямом смещении, то есть при протекании прямого тока через диод. Потери при обратном смещении, то есть при реверсном токе обычно пренебрежимо малы, однако в ряде случаев их необходимо учитывать (об этом ниже).

Режим импульсного тока

Импульсный ток через диод может в разы превышать максимальное значение для постоянного тока. В режиме импульсных токов на первое место выходит максимальная энергия рассеивания кристалла диода, определяющая предельные режимы импульсных нагрузок при которых еще не происходит термическое разрушение кристалла. В справочных листках обычно приводят номограммы произведения длительности токового импульса на его величину.

Динамические характеристики диода. Восстановление обратной проводимости. Барьерная емкость диода

Быстродействие диода, то есть свойство быстро восстанавливать обратную проводимость, является важной характеристикой для диодов, работающих в условиях быстрой смены полярностей напряжения прикладываемого к диоду – в высокочастотных выпрямителях, схемах бустрепного питания, детекторных схемах и ряде других.

На рисунке VD.9 представлен один из типовых фрагментов электрических схем с диодами и полупроводниковыми ключами. Эта схема описывает жесткий режим восстановления обратной проводимости диода. На примере этой схемы поясним процесс восстановленияобратной проводимости диода [EE33D — Power Electronic Circuits ссылка], [2 Reasons Why Soft-Recovery Trr is Important in High Voltage Diodes ссылка], [Understanding Diode Reverse Recovery and its Effect on Switching Losses. Peter Haaf, Jon Harper. Fairchild Power Seminar 2007]. Временные диаграммы токов и напряжений, описывающих процессы в представленной схеме представлены на рисунке VD.10.

Рисунок VD.9. Электрическая схема включения диода для пояснения эффекта обратного восстановления

Рисунок VD.10. Временные диаграммы напряжений и токов схемы поясняющие процесс восстановления обратной проводимости диода

Для упрощенного понимания процессов выключения диода примем индуктивность L в схеме достаточно большой, чтобы она фактически играла роль источника тока. В начальный момент времени полупроводниковый ключ закрыт, и ток индуктивности полностью замыкается через диод. После подачи управляющего импульса на затвор транзистора и превышения им некоторого порогового напряжения происходит постепенный рост тока через ключ I_SW, начиная с момента времени t_switch. При этом ток, протекающий через диод I_Dпостепенно уменьшается, поскольку ток индуктивности начинает частично «сливаться» через открывающийся ключ. В некоторый момент времени (начало интервала t_A) когда ток индуктивности полностью замкнется через ключ (I_L = I_SW) ток через диод изменит свое направление. В первой половине импульса реверсного тока (период t_A) происходит разряд емкости p-n перехода при этом напряжение на диоде некоторое время остается положительным а обратный ток достигает максимума. Далее обратный ток через диод начинает снижаться (период t_B), а обратное напряжение возрастает до напряжения источника V_DC.

Практически важной характеристикой является форма кривой обратного тока в момент восстановления обратной проводимости (рисунок VD.10). По кривой определяется время восстановления и «мягкость восстановления». Кривая реверсного тока имеет два характерных периода:

— период t_A – время от начала импульса реверсного тока (пересечение током нулевой линии) до максимального значения обратного тока I_RRM . Соответствует разряду зарядов накопленных в так называемой обеднённой области p-n перехода.

— период t_B – время между моментом соответствующим максимуму обратного тока I_RRM и моментом когда ток уменьшится на 25% от максимального достигнутого значения.

Время восстановления обратной проводимости (reverse recovery time) t_RR определяется по осциллограмме обратного тока (рисунок VD.10) как время между пересечением тока нулевой отметки (начало реверсного тока) и моментом когда величина реверсного тока спадает на 25% от своего максимально достигнутого значения. Время восстановления – интуитивно понятный параметр, характеризующий время, за которое диод восстанавливает свои непроводящие свойства. Время восстановления обратной проводимости t_RR равно сумме времен периодов t_A и t_B:

Максимальное значение реверсного тока I_R связано с длительностью периода t_A и скоростью спада тока:

Критерий «мягкости восстановления» (softness factor) SF – критерий определяющий скорость обрыва обратного тока. Если обрыв тока происходит слишком резко, то это может стать причиной нежелательных перенапряжений обусловленных паразитными индуктивностями контуров. Иногда этот эффект используют в генераторах импульсов на основе специализированных SOS-диодов. В качестве критерия «мягкости» использую так называемы «фактор мягкости» SF определяемый как отношение длительностей периодов t_B к t_A :

Для обычных диодов t_A много больше t_B , для импульсных «мягких» диодов наоборот t_Bмного больше t_A. «Фактор мягкости» SF можно определить из datasheet диодов исходя из представленных временных осциллограмм восстановления обратной проводимости. Обычно для импульсных силовых диодов класса «ultrafast» характерное значение SF равно 1, для обычных диодов величина SF может составлять 0,2-0,6.

Заряд обратного восстановления (Reverse Recovery Charge) Q_RR – это реверсный заряд, который должен пройти через переход диода для перевода его из состояния проводимости в закрытое состояние. Заряд обратного восстановления является базовым параметром диода, определяющим его динамические характеристики. Исходя из формы импульса реверсного тока этот заряд равен:

Откуда максимальный ток определяется из соотношения:

Приравнивая выражения для I_R получаем:

Преобразуя это выражение получаем:

Учитывая, что t_A и t_B связаны через «фактор мягкости» SF:

Откуда выразим t_A:

Откуда получаем практически важные соотношения:

— для расчета времени восстановления обратной проводимости t_RR :

— и для расчета максимальной величины обратного тока I_RRM :

Используя представленные выражения, рассчитываются динамические характеристики диода.

Барьерная емкость диода — собственное значение емкости p-n перехода находящегося в обратном смещении (закрытом состоянии). В дополнение к выше описанному инерционному процессу «переключения» диода в непроводящее состояние диод, когда к нему приложено обратное напряжение он (диод) обладает собственным значением барьерной емкости, которая зависит от напряжения, что важно также учитывать при расчете динамических режимов. Емкость пропорциональна площади p-n перехода, на практике это означает, что более мощные диоды с большим номинальным током будут иметь и большее значение емкости. Реально величина емкости не является постоянной и существенно зависит от приложенного напряжения.

Расчет тепловых потерь в диоде на переключение

В момент восстановления проводимости к диоду приложено обратное напряжение и через него протекает некоторый импульс тока длительностью t_rev. Таким образом, в кристалле диода выделяется некоторая энергия:

Общая выделяемая тепловая мощность пропорциональна частоте импульсов f.

Основное выделение энергии происходит в периода t_B когда напряжение на диоде имеет величину существенно большую по сравнению с прямым падением напряжения (как в период t_A). Полагая линейную форму спада тока и роста обратного напряжения получим:

Выражение для напряжения на диоде будет иметь вид:

Выражение для тока через диод будет иметь вид:

Выражение для выделяющейся мощности на диоде будет иметь вид:

Перемножая V_VD(t) и I_VD(t), получаем:

Упрощая которое получаем выражение для мощности динамических потерь P_{VD_trans}«на переключение»:

V_DC – обратное напряжение, (напряжения источника питания);

f — рабочая частота;

I_RRM — максимальная величина обратного тока, вычисляемая по формуле:

здесь: Q_RR заряд обратного восстановления (Reverse Recovery Charge) – представлен в datasheet-ах, скорость спада тока di/dt определяется характеристиками схемы, а «фактор мягкости» SF можно определить из datasheet диодов исходя из представленных временных осциллограмм восстановления обратной проводимости. Обычно для импульсных диодов характерное значение SF равно 1.

t_B — время между моментом соответствующим максимуму обратного тока I_RRM и моментом когда ток уменьшится на 25% от максимального достигнутого значения. Учитывая связь t_A и t_B через «фактор мягкости» SF получаем:

Отсюда t_B может быть вычислено по соотношению:

Учитывая, что в большинстве случаев SF≈1, то в первом приближении t_B может быть определено как:

Объединим в итоговое выражение для мощности динамических потерь диода P_{VD_trans} «на переключение»:

Упростим данное соотношение:

Результирующее выражение для мощности динамических потерь P_{VD_trans} «на переключение» имеет вид:

Q_RR — заряд обратного восстановления;

V_DC – обратное напряжение, (напряжения источника питания);

f — рабочая частота;

SF — «фактор мягкости» диода (в первом приближении может быть принят равным 1).

В ряде случаев в datasheet не приводится значение заряда обратного восстановления Q_RR, а приводятся:

— зависимости тока восстановления обратной проводимости от I_RRM от скорости спада тока di/dt;

— зависимости времени восстановления обратной проводимости t_RR от скорости спада тока di/dt.

В этом случае мощности динамических потерь P_{VD_trans} вычисляется по соотношению:

V_DC – обратное напряжение, (напряжения источника питания);

I_RRM(di/dt) — ток восстановления обратной проводимости от I_RRM при заданной скорости спада тока di/dt;

t_RR(di/dt) — зависимости времени восстановления обратной проводимости t_RR при заданной скорости спада тока di/dt.

SF — SF — «фактор мягкости» диода (в первом приближении может быть принят равным 1);

f — рабочая частота.

Обратная ветвь ВАХ – напряжение пробоя, обратный ток

По мере увеличения прикладываемого к диоду обратного напряжения монотонно возрастает и обратный ток. При этом для каждого диода существует обратное напряжение, при достижении которого резко возрастает обратный ток и напряжение на диоде быстро падает. При этом пороговом напряжении происходит пробой диода – в большинстве случаем необратимое изменение внутренней структуры диода, сопровождаемое нарушением целостности p-n перехода. Следствием пробоя является выход диода из строя. Исключением являются лавинные диоды, пробой которых носит обратимый характер.

Обратный ток возрастает с увеличением температуры, также с увеличением температуры снижается напряжение пробоя.

Для кремниевых диодов, эксплуатируемых при нормальной температуре тепловой мощностью, выделяемой при приложенном обратном напряжении можно пренебречь. Однако при более жестком температурном режиме и больших значениях обратного напряжения эта мощность может иметь значительную величину, сопоставимую с мощностью потерь в проводящем состоянии.

Для диодов Шоттки обратный ток существенно больше, чем для кремниевых диодов и его необходимо учитывать в расчетах в любом случае.

Мощность, рассеиваемая на диоде при обратном смещении равна произведению напряжения приложенного к диоду V_{VD_rev} и протекающего под действием этого напряжения обратного тока через него I_{VD_rev}:

— для диода MUR1100E при температуре 100 °С обратный ток составляет величину порядка 600 мкА, если к диоду приложено обратное напряжение 800 В то выделяющаяся тепловая мощность равна 0,48 Вт!

— для диода серии US1 максимальный обратный ток составляет 150 мкА (при температуре 100 °С) и при обратном напряжении 1000 В выделяющаяся тепловая мощность составляет 0,15 Вт.

Важно то, что здесь работает принцип положительной обратной связи: с ростом температуры выделяемая мощность увеличивается, что в свою очередь приводит к росту температуры.

Итак, тепловой режим диода работающего в условиях тока переменной полярности складывается из мощности, выделяемой при прохождении прямого тока, мощности выделяемой в диоде при смене направления тока и мощности выделяемой при обратном смещении:

P_{VD_total} – общая мощность, рассеиваемая на диоде;

P_{VD_stat+} – мощность, выделяемая при прохождении прямого тока;

P_{VD_stat-} – мощность, выделяемая при прохождении обратного тока;

P_{VD_trans} – мощность, выделяющаяся на диоде в результате переходных процессов.

Последовательное и параллельное включение диодов

Последовательное включение

Последовательное включение диодов используют для увеличения максимального обратного напряжения V_R (рисунок VD.11). При этом необходимо помнить, что увеличивается прямое падение напряжения на диодной сборке.

Рисунок VD.11 — Последовательное включение диодов для увеличения максимального обратного напряжения

При приложении обратного напряжения к сборке падения напряжения на диодах распределяются в соответчики с обратной ВАХ каждого из диодов. Из за разброса ВАХ может возникнуть ситуация в которой к некоторым диодам сборки будет приложено напряжение превышающее максимальное и возникнет пробой одного диода сборки. После этого общее приложенное напряжение перераспределится между оставшимися диодами и при этом напряжение на каждом из них возрастет. Это с высокой долей вероятности может привести к постепенному выгоранию всех диодов сборки. Для повышения надежности применяют выравнивающие резисторы, сопротивление которых выбирается таким образом, чтобы ток через резистор был в 2-5 раз больше максимального тока утечки диода:

V_R – максимальная величина прикладываемого к диоду постоянного напряжения.

I_RM – максимальный обратный ток через диод. В расчетах необходимо учитывать ток при температуре соответствующей рабочей температуре эксплуатации.

Рисунок VD.12 — Последовательное включение диодов с резисторами, выравнивающими падение обратного напряжения на диодах

Параллельное включение

Параллельное включение диодов можно использовать для диодов с положительным (например на основе карбида кремния SiC) или небольшим отрицательным температурным коэффициентом более 2 мВ/К, но при условии их термического соединения (размещение на одном радиаторе). Это необходимо для того чтобы токи, протекающие через диоды выравнивались. На практике при параллельном соединении двух кремниевых диодов или диодов Шоттки максимальные рабочий ток не удваивается, а увеличивается на 50-70 %. Это обусловлено разницей хода ВАХ диодов, так что один диод будет нагружен по максимуму, а второй будет ему «помогать». Физика этого эффекта объясняется наличием положительной обратной связи: если через какой-либо из диодов протекает несколько больший, чем через другой, то он нагревается больше. При нагреве кремниевых диодов ВАХ изменяется таким образом, что при постоянном приложенном напряжении ток возрастает. Это приводит еще большему увеличению доли общего тока через этот диод. Уменьшить эту положительную обратную связь можно путем организации термической связи между диодами, то есть разместить их на одном радиаторе охлаждения. В этом случае «лидирующий» по току диод будет подогревать «отстающий» и увеличивать долю тока через него. В целом на практике целесообразно параллельно соединять лишь диоды, расположенные на одном кристалле в одном корпусе.

Рисунок VD.13 — Параллельное включение диодов для увеличения максимального рабочего тока

Какое включение полупроводникового диода изображено на рисунке

Полупроводниковый диод самый простой полупроводниковый прибор, состоящий из одного PN перехода. Основная его функция — это проводить электрический ток в одном направлении, и не пропускать его в обратном. Состоит диод из двух слоев полупроводника типов N и P (Рисунок 1.2.1)

Рисунок 1.2.1 Строение диода

На стыке соединения P и N образуется PN-переход. Электрод, подключенный к P, называется анод. Электрод, подключенный к N, называется катод. Диод проводит ток в направлении от анода к катоду, и не проводит обратно.

Диод в состоянии покоя.

Диод находится в состоянии покоя, когда ни к аноду, ни к катоду не подключено напряжения (Рисунок 1.2.2).

Рисунок 1.2.2 Диод в состоянии покоя

В части N имеются в наличии свободные электроны – отрицательно заряженные частицы. В части P находятся положительно заряженные ионы – дырки. В результате, в том месте, где есть частицы с зарядами разных знаков, возникает электрическое поле, притягивающее их друг к другу.

Под действием этого поля свободные электроны из части N дрейфуют через PN переход в часть P и заполняют некоторые дырки. В итоге получается очень слабый электрический ток, измеряемый в наноамперах. В результате, плотность вещества в P части повышается и возникает диффузия (стремление вещества к равномерной концентрации), толкающая частицы обратно на сторону N.

Обратное включение диода.

Теперь рассмотрим, как у полупроводникового диода получается выполнять свою основную функцию – проводить ток только в одном направлении. Подключим источник питания — плюс к катоду, минус к аноду (рисунок 1.2.3)

Рисунок 1.2.3 Обратное включение диода

В соответствии с силой притяжения, возникшей между зарядами разной полярности, электроны из N начнут движение к плюсу и отдалятся от PN перехода. Аналогично, дырки из P будут притягиваться к минусу, и также отдалятся от PN перехода. В результате, плотность вещества у электродов повышается. В действие приходит диффузия и начинает толкать частицы обратно, стремясь к равномерной плотности вещества.

Как мы видим, в этом состоянии диод не проводит ток. При повышении напряжения, в PN переходе будет все меньше и меньше заряженных частиц.

Прямое включение диода.

Меняем полярность источника питания – плюс к аноду, минус к катоду.

Рисунок 1.2.4 Прямое включения диода

В таком положении, между зарядами одинаковой полярности возникает сила отталкивания. Отрицательно заряженные электроны отдаляются от минуса и двигаются сторону pn перехода. В свою очередь, положительно заряженные дырки отталкиваются от плюса и направляются навстречу электронам. PN переход обогащается заряженными частицами с разной полярностью, между которыми возникает электрическое поле – внутреннее электрическое поле PN перехода. Под его действием электроны начинают дрейфовать на сторону P. Часть из них рекомбинируют с дырками (заполняют место в атомах, где не хватает электрона). Остальные электроны устремляются к плюсу батарейки. Через диод пошел ток I_D.

1.2.1 Выпрямительные диоды

Выпрямительный диод — это полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования переменного тока в постоянный.

В основе работы выпрямительных диодов лежит свойство односторонней проводимости рn-перехода, которое заключается в том, что последний хорошо проводит ток (имеет малое сопротивление) при прямом включении и практически не проводит ток (имеет очень высокое сопротивление) при обратном включении.

Основными параметрами выпрямительных полупроводниковых диодов являются:

• прямой ток диода I_пр, который нормируется при определенном прямом напряжении (обычно U_пр=1…2В);
• максимально допустимый прямой ток I_пр.мах диода;
• максимально допустимое обратное напряжение диода U_{обр.мах}, при котором диод еще может нормально работать длительное время;
• постоянный обратной ток I_обр, протекающий через диод при обратном напряжении, равном U_{обр.мах};
• средний выпрямленный ток I_вп.ср, который может длительно проходить через диод при допустимой температуре его нагрева;
• максимально допустимая мощность P_мах, рассеиваемая диодом, при которой обеспечивается заданная надежность диода.

Для сохранения работоспособности германиевого диода его температура не должна превышать +85°С, кремниевые диоды могут работать при температуре до +150°С.

Вольт-амперная характеристика германиевого и кремниевого диода представлена на рисунке 1.2.1.1

Рисунок 1.2.1.1 Вольт-амперная характеристика германиевого и кремниевого диода: а−германиевый диод; б−кремниевый диод

Падение напряжения при пропускании прямого тока у германиевых диодов составляет U_пр=0,3…0,6В, у кремниевых диодов U_пр=0,8…1,2В.

Большие падения напряжения при прохождении прямого тока через кремниевые диоды по сравнению с прямым падение напряжения на германиевых диодах связаны с большей высотой потенциального барьера рn- переходов, сформированных в кремнии. С увеличением температуры прямое падение напряжения уменьшается, что связано с уменьшением высоты потенциального барьера. При подаче на полупроводниковый диод обратного напряжения в нем возникает незначительный обратный ток, обусловленный движением не основных носителей заряда через рn-переход. При повышении температуры рn-перехода число не основных носителей заряда увеличивается за счет перехода части электронов из валентной зоны в зону проводимости и образования пар носителей заряда электрон-дырка. Поэтому обратный ток диода возрастает. В случае приложения к диоду обратного напряжения в несколько сотен вольт внешнее электрическое поле в запирающем слое становится настолько сильным, что способно вырвать электроны из валентной зоны в зону проводимости (эффект Зенера). Обратный ток при этом резко увеличивается, что вызывает нагрев диода, дальнейшей рост тока и, наконец, тепловой пробой (разрушение) рn-перехода.

Большинство диодов может надежно работать при обратных напряжениях, не превышающих (0,7…0,8) U_проб. Допустимое обратное напряжение германиевых диодов достигает − 100…400В, а кремниевых диодов − 1000…1500В.

Выпрямительные диоды применяются для выпрямления переменного тока (преобразования переменного тока в постоянный); используются в схемах управления и коммутации для ограничения паразитных выбросов напряжений, в качестве элементов электрической развязки цепей и т.д.

1.2.2 Полупроводниковый стабилитрон

Полупроводниковый стабилитрон — это полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя слабо зависит от тока и который используется для стабилизации напряжения.

В полупроводниковых стабилитронах используется свойство незначительного изменения обратного напряжения на рn-переходе при электрическом (лавинном или туннельном) пробое. Это связано с тем, что небольшое увеличение напряжения на рn-переходе в режиме электрического пробоя вызывает более интенсивную генерацию носителей заряда и значительное увеличение обратного тока.

Низковольтные стабилитроны изготовляют на основе сильнолегированного (низкоомного) материала. В этом случае образуется узкий плоскостной переход, в котором при сравнительно низких обратных напряжениях (менее 6В) возникает туннельный электрический пробой. Высоковольтные стабилитроны изготавливают на основе слаболегированного (высокоомного) материала. Поэтому их принцип действия связан с лавинным электрическим пробоем.

Основные параметры стабилитронов:

• Напряжение стабилизации U_ст (U_ст=1…1000В);
• минимальный I_ст.міn и максимальный I_ст.мах токи стабилизации (I_ст.міn»1,0…10мА, I_ст.мах»0,05…2,0А);
• максимально допустимая рассеиваемая мощность Р_мах;
• дифференциальное сопротивление на участке стабилизации

Рисунок 1.2.2.1 Условно графическое обозначение стабилитрона а) не симметричный стабилитрон б) симметричный стабилитрон

Вольт-амперная характеристика стабилитрона на рисунке 1.2.2.2

Рисунок 1.2.2.2 Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Стабилитроны используют для стабилизации напряжений источников питания, а также для фиксации уровней напряжений в различных схемах.

Существуют также двухсторонние (симметричные) стабилитроны, имеющие симметричную ВАХ относительно начала координат. Стабилитроны допускают последовательное включение, при этом результирующее стабилизирующее напряжение равно сумме напряжений стабилитронов: Uст = Uст1 + Uст2 +…

1.2.3 Туннельный диод

Туннельный диод — это полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на вольт-амперной характеристике при прямом напряжении участка отрицательного дифференциального сопротивления.

Туннельный диод изготовляется из германия или арсенида галлия с очень большой концентрацией примесей, т.е. с очень малым удельным сопротивлением. Такие полупроводники с малым сопротивлением называют вырожденными. Это позволяет получить очень узкий рn-переход. В таких переходах возникают условия для относительно свободного туннельного прохождения электронов через потенциальный барьер (туннельный эффект). Туннельный эффект приводит к появлению на прямой ветви ВАХ диода участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Основные параметры туннельных диодов:

• Пиковый ток I_п – прямой ток в точке максимума ВАХ;
• ток впадины I_в − прямой ток в точке минимума ВАХ;
• отношение токов туннельного диода I_п/I_в;
• напряжение пика U_п – прямое напряжение, соответствующее пиковому току;
• напряжение впадины U_в − прямое напряжение, соответствующее току впадины;

Туннельные диоды используются для генерации и усиления электромагнитных колебаний, а также в быстродействующих переключающих и импульсных схемах.

Вольт-амперная характеристика туннельного диода и его УГО представлена на рисунке 1.2.3.1

Рисунок 1.2.3.1 Вольт-амперная характеристика туннельного диода и его УГО

1.2.4 Обращенный диод

Обращенный диод — диод на основе полупроводника с критической концентрацией примесей, в котором проводимость при обратном напряжении вследствие туннельного эффекта значительно больше, чем при прямом напряжении.

Принцип действия обращенного диода основан на использовании туннельного эффекта. Но в обращенных диодах концентрацию примесей делают меньше, чем в обычных туннельных. Поэтому контактная разность потенциалов у обращенных диодов меньше, а толщина рn-перехода больше. Это приводит к тому, что под действием прямого напряжения прямой туннельный ток не создается. Прямой ток в обращенных диодах создается инжекцией не основных носителей зарядов через рn-переход, т.е. прямой ток является диффузионным. При обратном напряжении через переход протекает значительный туннельный ток, создаваемый перемещение электронов сквозь потенциальный барьер из р-области в n-область. Рабочим участком ВАХ обращенного диода является обратная ветвь. Таким образом, обращенные диоды обладают выпрямляющим эффектом, но пропускное (проводящее) направление у них соответствует обратному включению, а запирающее (непроводящее) – прямому включению.

Вольт-амперная характеристика обращенного диода и его УГО представлена на рисунке 1.2.4.1

Рисунок 1.2.4.1 Вольт-амперная характеристика обращенного диода и УГО

Обращенные диоды применяют в импульсных устройствах, а также в качестве преобразователей сигналов (смесителей и детекторов) в радиотехнических устройствах.

1.2.5 Варикапы

Варикап — это полупроводниковый диод, в котором используется зависимость емкости от величины обратного напряжения и который предназначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой емкостью. Полупроводниковым материалом для изготовления варикапов является кремний.

Основные параметры варикапов:

• номинальная емкость С_в– емкость при заданном обратном напряжении (С_в=10…500 пФ);
• коэффициент перекрытия по емкости (отношение емкостей варикапа при двух заданных значениях обратных напряжений.)

Варикапы широко применяются в различных схемах для автоматической подстройки частоты, в параметрических усилителях.

На рисунке 1.2.5.1 представлена вольт-амперная характеристика варикапа и его УГО

Рисунок 1.2.5.1 Вольт-амперная характеристика варикапа и УГО

1.2.6 Светоизлучающие диоды

Светодиодами называются маломощные полупроводниковые источники света, основой которых является излучающий рп—переход. Свечение рn-перехода вызвано рекомбинацией носителей заряда. При подаче прямого напряжения электроны из n-области проникают в p-область, где рекомбинируют с дырками и излучают освободившуюся энергию в виде света.

Светодиоды изготавливаются из карбида кремния, арсенида или фосфида галлия. Свечение может быть весьма интенсивным и лежит в инфракрасной, красной, зеленой и синей частях спектра. Светодиод начинает испускать свет, как только подается прямое напряжение, причем с ростом тока интенсивность свечения увеличивается.

Основными параметрами светодиодов являются:

• Р_излуч – полная мощность излучения (до 100 мВт).
• U_np – постоянное прямое напряжение (порядка единиц вольт) при — const.
• I_пр. – постоянный прямой ток (до 110 мА).
• Цвет свечения.

Прямая ветвь ВАХ светодиода и его условное обозначение показаны на рисунке 1.2.6.1

Рисунок 1.2.6.1 ВАХ светодиода и его УГО

Светодиоды применяют в устройствах визуального отображения информации.

1.2.7 Фотодиоды

Фотодиод — это полупроводниковые приборы, принцип действия которых основан на внутреннем фотоэффекте, состоящем в генерации под действием света электронно-дырочных пар в рп—переходе, в результате чего увеличивается концентрация основных и неосновных носителей заряда в его объеме. Обратный ток фотодиода определяется концентрацией неосновных носителей и, следовательно, интенсивностью облучения. Вольт-амперные характеристики фотодиода (рисунок 1.2.7.1 (см. стр.28)) показывает, что каждому значению светового потока Ф соответствует определенное значение обратного тока. Такой режим работы прибора называют фотодиодным.