Выпрямительные диоды

Полупроводниковые компоненты

Полупроводниковые диоды

Выпрямительные диоды

В выпрямительных диодах используется вентельное свойство электронно-дырочного перехода, т.е. при прямом напряжении сопротивление р-n-перехода мало, а при обратном напряжении – велико.

Широко распространены низкочастот­ные выпрямительные диоды, предназна­ченные для выпрямления переменного тока с частотой до единиц килогерц (иногда до 50 кГц). Эти диоды приме­няются в выпрямительных устройствах для питания различной аппаратуры. Низкочастотные диоды являются плоскостными и изготовляются из гер­мания или кремния .Они предназначены для выпрямления переменного тока с постоянным или сред­ним значением не более 10А.

Все параметры диодов обычно указываются для работы при температу­ре окружающей среды 20±5°С.

Германиевые диоды изготовляются, как правило, вплавлением индия в гер­маний n-типа. Они могут допускать плотность тока до 100 А /см² при пря­мом напряжении до 0,8 В. Предельное обратное напряжение у них не превы­шает 400 В, а обратный ток обычно бывает не более единиц миллиампер. Рабочая температура этих диодов от – 60 до + 75^оС. Если диоды работают при температуре окру­жающей среды выше 20°С, то необхо­димо снижать обратное напряжение. При пониженном атмосферном давлении или неудовлетворительном охлаждении воз­можен перегрев диодов. Чтобы не до­пускать его, следует снижать выпрямлен­ный ток.

Мощные германиевые диоды рабо­тают с естественным охлаждением. Они изготовляются на выпрямленный ток до 1000 А и обратное напряжение до 150 В.

Выпрямительные кремниевые диоды в последнее время получили особенно большое распространение. Они изготов­ляются вплавлением алюминия в крем­ний n-типа, а также сплава олова с фос­фором или золота с сурьмой в кремний р-типа. Применяется и диффузионный метод. По сравнению с германиевыми кремниевые диоды имеют ряд преи­муществ. Предельная плотность прямого тока у них до 200 А/см², а предельное обратное напряжение может быть до 1000 В. Рабочая температура от –60 до +125 °С (для некоторых типов даже до +150 °С). Прямое напряжение у крем­ниевых диодов доходит до 1,5 В, т. е. несколько больше, чем у германиевых диодов. Обратный ток у кремниевых диодов значительно меньше, чем у гер­маниевых.

Для выпрямления высоких напряже­ний выпускаются кремниевые столбы в прямоугольных пластмассовых корпу­сах, залитых изолирующей смолой. Они бывают рассчитаны на ток до сотен ампер и обратное напряжение до нескольких киловольт. Для более удоб­ной сборки различных выпрямительных схем, например, мостовых служат кремниевые выпрями­тельные блоки. В них имеется несколь­ко столбов, от которых сделаны отдель­ные выводы. Мощные кремниевые дио­ды выпускаются на выпрямленный ток от 10 до 500 А и обратное напряжение от 50 до 1000 В.

В выпрямительных диодах применяются также и p-i-перехо­ды, использование которых позволяет снизить напряженность электрического поля в p-n-переходе и повысить значение обратного напряжения, при котором начинается пробой (p-i-n диоды). Для этой же цели иногда используют р⁺–р или n ⁺– n переходы. Для их получения методом эпитаксии на поверхности исходного полупроводника наращивают тонкую высокоомную пленку. На ней методом вплавления или диффузии создают p-n переходы, в результате чего получается структура гипа р⁺–р – n или n ⁺– n – р. В таких диодах успешно разрешаются противоречивые требова­ния, состоящие в том, что, во-первых, для получения малых обратных токов, малого падения напряжения в открытом состоянии и температурной стабильности характеристик необ­ходимо применять материал с возможно малым удельным сопротивлением; во-вторых, для получения высокого напряже­ния пробоя и малой емкости p-n перехода необходимо приме­нять полупроводник с высоким удельным сопротивлением.

Эпитаксиальные диоды обычно имеют малое падение напряжения в открытом состоянии и высокое пробивное напряжение.

Для выпрямительных диодов характерно, что они имеют малые сопротивления в проводящем состоянии и позволяют пропускать большие токи. Барьерная емкость их из-за большой площади p-n-переходов велика и достигает значений десятков пикофарад.

На рисунке 2.13 приведена вольт-амперная характеристики германиевого (а) и кремниевого (б) выпрямительных диодов малой мощности.

Здесь показано условное графическое обозначение выпрямительного диода (в). Вершина треугольника «стрелка» показывает направление прямого тока протекающего от большого потенциала «+» (анода) к меньшему потенциалу «–» (катоду).

Рисунок 2.13 - Вольт-амперная характеристики германиевого (а) и кремниевого (б) диодов

Из приведенных ВАХ видно, что для кремниевых диодов по сравнению с германиевым прямые ветви характеристик, построенных при одних и тех же температурах, смещены в право. Т.е для получения одинаковых прямых токов необходимо к кремниевым диодам прикладывать большее прямое напряжение, чем к германиевым. Это объясняется большим удельным сопротивлением кремния по сравнению с германием.

При увеличении температуры прямая ветвь характеристик становится более крутой. Обратный ток в кремниевых диодах меньше, чем у германиевых.

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

1. Максимально допустимое обратное напряжение диода U_{обр max} — значение напряжения, приложенного в обратном на­правлении, которое диод может выдержать в течение длитель­ного времени без нарушения его работоспособности (десятки — тысячи В).

2. Средний выпрямленный ток диода I_{вп ср} — среднее за период значение выпрямленного постоянного тока, протека­ющего через диод (сотни мА — десятки А).

3. Импульсный прямой ток диода I_при— пиковое значение импульса тока при заданной максимальной длительности, скважности и формы импульса.

4. Средний обратный ток диода I_{oбр ср} — среднее за период значение обратного тока (доли мкА — несколько мА).

5. Среднее прямое напряжение диода при заданном среднем значении прямого тока U_{пр ср} (доли В).

6. Средняя рассеиваемая мощность диода Р_срд — средняя за период мощность, рассеиваемая диодом, при протекании тока в прямом и обратном направлениях (сотни мВт—десятки и более Вт).

7. Дифференциальное сопротивление диода r_диф — отношение приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока (единицы — сотни Ом).

Система параметров не допускает работу выпрямительных диодов в области электрического пробоя. Разновидностью выпрямительных диодов, допускающих в течение длительного интервала времени работу в области электрического лавинного пробоя на обратной ветви ВАХ,являются лавинные диоды. Эта особенность лавинных диодов позволяет эффективно применять их в качестве элементов цепей аппаратуры от импульсных перегрузок по напряжению.

На рисунке 2.14 показана конструкция кремниевых диффузионных выпрямительных диодов 2Д204А,Б,В, КД204А,Б,В. Диоды предназначены для преобразования переменного напряжения частотой до 50кГц. Выпускаются в металлостеклянном корпусе с жёсткими выводами. Тип диода и схема соединения диодов с выводами приводятся на корпусе. Масса диодов не более 6г.

На рисунке 2.15 показана конструкция кремниевых эпитаксиально-диффузионных диодов 2Д245А, 2Д245Б,В. Диоды предназначены для преобразования переменного напряжения частотой до 200 кГц во вторичных источниках электропитания. Выпускаются в металлопластмассовом корпусе с гибкими выводами. Положительный электрод соединён с металлическим основанием корпуса. Тип диода приводится на корпусе. Масса диода не более 4г.

Рисунок 2.14 - Конструкция кремниевых диффузионных выпрямительных диодов 2Д204А,Б,В, КД204А,Б,В

Рисунок 2.15 - Конструкция кремниевых, эпитаксиально-диффузионных диодов 2Д245А,Б,В

Выпрямительные диоды широко применяются на высоких частотах (диапазон частот от 30 МГц до 300 МГц) для детектирования колебаний высокой частоты и используются в радиотехнической, телевизионной и другой аппаратуре.

По технологии изготовления они могут быть точечными, диффузионными или иметь мезаструктуру. В качестве высокочастотных выпрямительных диодов используется диод Шотки [4].

Диоды Шотки характеризуются наибольшим быстродей­ствием (единицы нс) и малыми значениями прямого падения напряжения (обычно при номинальном токе составляют 0,5... 0,6 В). Основной недостаток диодов Шотки заключается в малой величине обратного напряжения (до 70 В). Увеличение обратного напряжения сопровождается ростом тока утечки и прямого падения напряжения.

Быстродействие высокочастотных диодов характеризуется временем обратного восстановления (временем восстановления обратного сопротивления) диода (τ_{вост обр}). Это время переключения диода с заданного прямого тока на заданное обратное напряжение от момента прохождения тока через нулевое значение до момента достижения обратным током заданного значения.

Эпитаксиальная технология позволяет создавать быстро­действующие диоды на большие обратные напряжения (200... 1200 В), но с повышенным значениями прямого падения на­пряжения до 1,2 В и времени обратного восстановления до 20...100 нс. Пониженные значения токов утечки и емкости переходов обеспечивают их преимущества перед диодами Шотки при работе в высокочастотных схемах.

Диффузионная технология позволяет повысить обратные напряжения быстродействующих диодов до значений выше 1200 В, но приводит к еще большим значениям прямого паде­ния напряжения до 1,4...1,5 В и времени обратного восстано­вления до 200...500 нс.

Основу конструкции высокочастотных диодов составляет стеклянный или металлокерамический патрон, в торцах которого установлены металлические контакты, имеющие выводы.

На рисунке 2.16 показана конструкция германиевых микросплавных высокочастотных диодов ГД403А, ГД403Б, ГД403В, предназначенные для применения в качестве детекторов амплитудно-модулированных сигналов в радиовещательных приёмниках. Они выпускаются в металлостеклянном корпусе с гибкими выводами. Тип диода и схема соединения электродов с выводами приводится в корпусе. Масса диода не более 0,6г.

Рисунок 2.16 - Конструкция германиевых микросплавных высокочастотных диодов ГД403А, ГД403Б, ГД403В

Рисунок 2.17 – Конструкция кремниевых высокочастотных диодов