Краткие лекции по ЭиМ (Методичка по темам из ЭиМ), страница 9

2.1): а) с р-п-переходом или гетеропереходом, втакой структуре кроме выпрямляющего перехода, должно быть два омическихперехода, через которые соединяются выводы диода; б) с выпрямляющимпереходом в виде контакта «металл - полупроводник», имеющей всего одинРис. 2.1. Структуры полупроводниковых диодов: с выпрямляющим р-п-переходом (а); с выпрямляющимпереходом на контакте «металл - полупроводник> (б); Н - невыпрямляющий электрический (омический)переход; В - выпрямляющий электрический переход; М - металломический переход.В большинстве случаев полупроводниковые диоды с р-п-переходамиделают несимметричными, т.е.

концентрация примесей в одной из областейзначительно больше, чем в другой. Поэтому количество неосновных носителей,инжектируемых из сильно легированной (низкоомной) области, называемойэмиттером диода, в слабо легированную (высокоомную) область, называемуюбазой диода, значительно больше, чем в противоположном направлении.Классификация диодов производится по различным признакам: по типуполупроводникового материала - кремниевые, германиевые, из арсенида галлия;по назначению - выпрямительные, импульсные, стабилитроны, варикапы и др.;по технологии изготовления электронно-дырочного перехода - сплавные,диффузионные и др.; по типу электронно-дырочного перехода - точечные иплоскостные. Основными классификационными признаками являются типэлектрического перехода и назначение диода.Взависимостиотгеометрическихразмеровр-п-переходадиодыподразделяют на плоскостные и точечные.Плоскостными называют такие диоды, у которых размеры, определяющиеплощадь р-п-перехода, значительно больше его ширины.

У таких диодовплощадь р-п-перехода может составлять от долей квадратного миллиметра додесятков квадратных сантиметров.Плоскостные диоды (рис. 2.2) изготавливают методом сплавления илиметодом диффузии. Плоскостные диоды имеют сравнительно большую величинубарьерной емкости (до десятков пикофарад), что ограничивает их предельнуючастоту до 10 кГц.Рис. 2.2. Структура плоскостного диода,изготовленного методом сплавленияПромышленностьюРис. 2.3. Структура точечного диодавыпускаютсяплоскостныедиодывширокомдиапазоне токов (до тысяч ампер) и напряжений (до тысяч вольт), что позволяетих использовать как в установках малой мощности, так и в установках средней ибольшой мощности. Точечные диоды имеют очень малую площадь р-п-перехода,причем линейные размеры ее меньше толщины р-п-перехода.

Точечные р-ппереходы (рис. 2.3) образуются в месте контакта монокристалла полупроводникаи острия металической проволочки - пружинки. Для обеспечения болееОглавлениенадежного контакта его подвергают формовке, для чего уже через собранныйдиод пропускают короткие импульсы тока.В результате формовки из-за сильного местного нагрева материал острияпружинки расплавляется и диффундирует в кристалл полупроводника, образуяслой иного типа электропроводности, чем полупроводник. Между этим слоем икристаллом возникает р-п-переход полусферической формы. Благодаря малойплощади р-п-перехода барьерная ёмкость точечных диодов очень незначительна,что позволяет использовать их на высоких и сверхвысоких частотах.По аналогии с электровакуумными диодами, ту сторону диода, к которойпри прямом включении подключается отрицательный полюс источника питания,называют катодом, а противоположную - анодом.Выпрямительные диодыВыпрямительный диод - это полупроводниковый диод, предназначенныйдля преобразования переменного тока в постоянный.Выпрямительные диоды, помимо применения в источниках питания длявыпрямления переменного тока в постоянный, также используются в цепяхуправления и коммутации, в ограничительных и развязывающих цепях, в схемахумножения напряжения и преобразователях постоянного напряжения, где непредъявляются высокие требования к частотным и временным параметрамсигналов.Рис.

2.4. Выпрямительные диоды: дискретное исполнение (а);диодные мосты (б) и конструкция одного из маломощных диодов (в)Конструктивно выпрямительные диоды оформляются в металлических,пластмассовых или керамических корпусах в виде дискретных элементов (рис.2.4, а) либо в виде диодных сборок, к примеру, диодных мостов (рис. 2.4, б)выполненных в едином корпусе.На (рис.

2.4, в) приведена конструкция выпрямительного маломощногодиода, изготовленного методом сплавления. В качестве полупроводниковогоматериала использован германий. Изготовление германиевых выпрямительныхдиодов начинается с вплавления индия 1 в исходную полупроводниковуюпластину (кристалл германия) 2 п-типа. Кристалл 2 припаивается к стальномукристаллодержателю 3. Основой конструкции является коваровый корпус 6,приваренный к кристаллодержателю.

Корпус изолирован от внешнего выводастеклянным проходным изолятором 5. Внутренний вывод 4 имеет специальныйизгиб для уменьшения механических напряжений при изменении температуры.Внешняя поверхность стеклянного изолятора покрывается светонепроницаемымлаком для предотвращения попадания света внутрь прибора, для устранениягенерации пар «электрон - дырка» и увеличения обратного тока р-п-перехода.ОглавлениеКонструкция ряда маломощных кремниевых диодов практически неотличается от конструкции маломощных германиевых диодов. Кристаллымощных выпрямительных диодов монтируются в массивном корпусе, которыйимеет стержень с резьбой для крепления диода на охладителе (радиаторе) (рис.2.5), для отвода выделяющегося при работе прибора тепла.Рис. 2.5.

Мощные выпрямительные диоды: дискретное исполнение (а); диодный силовой модуль (б); конструкцияодного из диодов (в)Для получения р-п-переходов кремниевых выпрямительных диодоввплавляют алюминий в кристалл кремния п-типа или же сплава золота с сурьмойв кремний р-типа. Для получения переходов также используют диффузионныеметоды.Выпрямительные диоды должны иметь как можно меньшую величинуобратного тока, что определяется концентрацией неосновных носителей зарядаили, в конечном счете, степенью очистки исходного полупроводниковогоматериала.

Типовая вольт-амперная характеристика выпрямительного диодаописывается уравнением (1.16) и имеет вид, изображенный на рис. 2.6.По вольт-амперной характеристике выпрямительного диода можноопределить следующие основные параметры, влияющие на его работу:Номинальный средний прямой ток Iпр ср ном среднее значение тока,проходящего через открытый диод и обеспечивающего допустимый его нагревпри номинальных условиях охлаждения.Номинальное среднее прямое напряжение Uпр ср ном - среднее значениепрямого напряжения на диоде припротекании номинального среднегопрямогоявляетсятока.Этоточеньпараметрважнымдляобеспечения параллельной работынесколькихдиодовводнойэлектрической цепи.Напряжение отсечки U0 ,Рис 2.6. Вольт-амперная характеристика выпрямительногодиодаопределяемое точкой пересечениялинейного участка прямой ветви вольт-амперной характеристики с осьюнапряжений.Пробивное напряжение Uпроб - обратное напряжение на диоде,соответствующее началу участка пробоя на вольт-амперной характеристике,когда она претерпевает излом в сторону резкого увеличения обратного тока.Номинальное обратное напряжение Uпроб ном рабочее обратноенапряжение на диоде; его значение для отечественных приборов составляет0,5Uпроб .

Этот параметр используется для обеспечения последовательноговключения нескольких диодов в одну электрическую цепь.Номинальное значение обратного тока Iобр ном - величина обратного токадиода при приложении к нему номинального обратного напряжения.Статическое сопротивление диода:U прRст  tgI пр,(2.1)где Iпр - величина прямого тока диода; Uпр - падение напряжения на диодепри протекании тока Iпр.ОглавлениеСтатическое сопротивление диода представляет собой его сопротивлениепостоянному току. Кроме рассмотренной системы статических параметров вработе диодов важную роль играет система динамических параметров:Динамическое (дифференциальное) сопротивление Rдин :U прRдин  tgI пр,(2.2)гдеI пр- приращение прямого тока диода;U прнапряжения на диоде при изменении его прямого тока на- приращение паденияI прДинамическое сопротивление играет важную роль и в рассмотрениипроцессов при обратном включении диода, например, в стабилитронах.

Тамдинамическое сопротивление определяется через приращение обратного тока иобратного напряжения.diСкорость нарастания прямого тока dt . Этот параметр является оченьважным при включении силовых диодов в цепи, где возможно очень быстроенарастание прямого тока (например, в цепях, имеющих ёмкостный характер).Если ток через диод не превышает допустимого значения, но имеет очень крутойфронт нарастания, то в полупроводниковом кристалле возможно возникновениеявления, называемого шнурованием тока, когда ток в первый момент времени иззанеоднородностейвр-п-переходесосредоточится в узкой области р-п-перехода,имеющей наименьшее сопротивление, образуятак называемый «токовый шнур». Плотностьтока в «шнуре» может оказаться недопустимобольшой, что приведет к проплавлениюполупроводниковойструктурыивыходуприбора из строя.

Поэтому для силовых диодовРис. 2.7. Способ уменьшения скорости нарастания прямоготокаэтот параметр часто нормируется в паспортных данных с указанием егопредельного значения.Для защиты силовых диодов от выхода из строя из-за большой скоростинарастания тока можно последовательно с диодом включить небольшой дроссельL (рис.

2.7, а). Наличие дросселя L в цепи приводит к затягиванию фронтанарастания тока с величины t до безопасной величины t (рис. 2.7, б).duСкорость нарастания обратного напряжения dt . Если фронт нарастанияобратного напряжения на силовом диоде будет очень крутой (это характерно дляцепей с индуктивным характером), то импульс обратного тока диода с учётомсобственной ёмкости р-п-перехода Cбар будет равен:iCdU cбар dt ,(2.3)dUcгде dt - скорость нарастания обратного напряжения.Даже при сравнительно небольшой величинеёмкости Сбар импульс тока может представлятьсобойопасностьдляполупроводниковойструктуры, если второй сомножитель в выражениибудет достаточно большим. Для защиты силовыхРис.