Лекции по электронике2. Е. Ю. Салита

• Название: Е. Ю. Салита
• Анкор: Лекции по электронике2.doc
• Дата: 13.05.2017
• Размер: 10.66 Mb.
• Имя файла: Лекции по электронике2.doc
• Тип: Конспект; #7498
• Категория: Электротехника. Связь. Автоматика
• страница: 3 из 11

2.3. Электронно-дырочный переход (ЭДП)
Контакт между полупроводниками p- и n-типа проводимости называется электронно-дырочным переходом (ЭДП) или p-n-переходом.

ЭДП нельзя осуществить путем простого соприкосновения двух разнородных полупроводниковых пластин, т.к. при этом неизбежен промежуточный слой воздуха или поверхностных пленок.

ЭДП получают путем введения разнородных примесей в соседние области одного монокристалла различными технологическими способами, из которых для кремниевых вентилей применяют сплавной, диффузионный, диффузионно-сплавной и др.

Исходным материалом для изготовления кремниевого ЭДП является сверхчистый монокристаллический кремний, обладающий электронной проводимостью с удельным сопротивлением 1,0-1,2 Омм.
2.3.1. Технологии изготовления ЭДП
2.3.1.1. Сплавная технология
Монокристалл кремния разрезают на пластины толщиной 0,5-0,7 мм, из которых вырезают диски. Диаметр дисков выбирают из расчета плотности тока 0,5-1,0 А/мм². Шлифуют, протравливают, промывают, а затем вместе с легирующими примесями располагают между вольфрамовыми дисками и помещают в графитовые кассеты. В кассете на нижний вольфрамовый диск накладываются: пластина из сплава сурьмы, серебра и свинца, затем кремниевый диск, пластина из сплава алюминия с кремнием и верхний вольфрамовый диск.

Кассеты помещают в вакуумные печи и нагревают до температуры 800-850 ^С несколько минут. В процессе сплавления в кремниевом диске образуются высоколегированные зоны p и n с глубиной проникновения 30-40 мкм, создающие p-n-переходы. Вольфрамовые диски, обладающие одинаковым с кремнием коэффициентом объемного расширения, служат основаниями и употребляются для уменьшения механических напряжений в кремнии, возникающих из-за нагрева кремниевых пластин.

После охлаждения вентильного элемента по окружности кремниевого диска снимается фаска, а диск по торцу покрывается специальной эмалью для защиты ЭДП от пробоя по поверхности. Для защиты от влаги, загрязнений и механических повреждений вентильный элемент помещают в герметичный корпус, состоящий из медного основания и металлостеклянной или металлокерамической крышки (стакана) с гибким выводом. При сборке вентиля нижний вольфрамовый диск припаивают к массивному медному основанию, обеспечивающему хороший отвод тепла, а верхний вольфрамовый диск – к внутренней части гибкого вывода, служащего электродом вентиля.
2.3.1.2. Диффузионная технология
На поверхность отшлифованного и очищенного диска кремния n-типа наносится раствор азотнокислого алюминия и борной кислоты. После просушки диск помещают в печь, где при температуре 1300 ^С в течение 8-10 часов происходит диффузия алюминия и бора в кремний на глубину 80-100 мкм, в результате чего создается зона p-проводимости.

После остывания диск с одной стороны шлифуют для удаления p-слоя и химическим никелированием образуют контакты с обеих сторон пластины. Затем полученный p-n-переход припаивают к вольфрамовым дискам и при изготовлении вентилей обрабатывают так же как и при сплавной технологии. Диффузионная технология применяется шире, так как при этом можно получать более равномерные p-n-переходы.

Также применяется и диффузионно-сплавная технология.

Применение пайки для присоединения ЭДП к выводам в ряде случаев ограничивает допустимую температуру элементов вентиля и снижает его надежность. Для мощных вентилей с большим диаметром выпрямительных элементов получили распространение таблеточные конструкции с прижимными контактами, обеспечивающие меньшие механические напряжения и двухсторонний отвод тепла от полупроводникового элемента.
2.3.2. ЭДП при отсутствии внешнего напряжения
До соприкосновения двух полупроводников с различными типами проводимости электроны, дырки и неподвижные ионы были распределены равномерно.

При образовании ЭДП через плоскость контакта возникают диффузионные потоки основных носителей заряда, вызванные их неравномерной концентрацией: электронов из n-слоя в слой p и дырок из p-слоя в n-слой.

Диффундирующие электроны и дырки, попадая в области, где они являются неосновными носителями зарядов, интенсивно рекомбинируют. Вследствие этого концентрация свободных носителей зарядов в области, прилегающей к плоскости контакта, резко снижается до собственной. Это приводит к образованию на границе ЭДП тонкого (несколько микрометров), так называемого запорного (запирающего) слоя, обладающего высоким сопротивлением.

Уход основных носителей из приграничной области приводит к тому, что избыточные электрические заряды неподвижных доноров и акцепторов, связанных с решетками полупроводника, оказываются нескомпенсированными, то есть по обе стороны границы раздела двух полупроводников создаются объемные заряды различных знаков.

В области n положительный электрический заряд образован главным образом положительно заряженными атомами донорной примеси и в небольшой степени пришедшими в эту область дырками.

В области p отрицательный объемный заряд образован отрицательно заряженными атомами акцепторной примеси и отчасти пришедшими электронами.

Между образовавшимися объемными зарядами возникают контактная разность потенциалов и электрическое поле. Таким образом возникает потенциальный барьер, препятствующий диффузионному переходу носителей (рис. 2.8).



Рис. 2.8. Схема образования p-n-перехода при отсутствии внешнего

напряжения и его потенциальная диаграмма
На рис. 2.8 обозначено: контактная разность потенциалов _к = _n - _p, вектор напряженности электрического поля Е_к, толщина p-n-перехода l. Высота потенциального барьера на p-n-переходе определяется контактной разностью потенциалов _к, которая в свою очередь зависит от концентрации примесей в этих областях:

(2.3)

где – тепловой потенциал,

, (2.4)

где к – постоянная Больцмана (к = 1,3810^-23 Дж/К = 8,610^-5 эВ/К);

Т – абсолютная температура, К;

q – заряд электрона (q = 1,610^-19 Кл);

n_n, n_p – концентрация электронов и дырок в n- и p-областях;

n_i – концентрация носителей в нелегированном полупроводнике.

Чем больше концентрация примесей, тем больше концентрация основных носителей и тем большее их число диффундирует через границу. Плотность объемных зарядов возрастает, увеличиваются _к и высота потенциального барьера, при этом l уменьшается, так как соответствующие объемные заряды образуются в приграничных слоях меньшей толщины. Для германия, например, при средней концентрации примесей _к = 0,3-0,4 В и l = 10^-4-10^-5 см, а при больших концентрациях, создаваемых в некоторых приборах, _к ≈ 0,7 В и l1=110^-6 см.

Одновременно с диффузионным перемещением основных носителей через границу происходит и обратное перемещение носителей под действием электрического поля контактной разности потенциалов (дрейф). Движение носителей под действием электрического поля называется дрейфом носителей. Это поле перемещает дырки из n-слоя в p-слой, и наоборот, электроны из p-слоя обратно в n-слой, т.е. происходит движение неосновных носителей.

При постоянной температуре p-n-переход находится в состоянии динамического равновесия, при котором i_др = i_диф.

Таким образом, в p-n-переходе возникает слой, называемый запирающим и обладающий большим сопротивлением по сравнению с сопротивлением остальных объемов p- и n-полупроводников.
2.3.3. ЭДП при прямом напряжении
Пусть источник внешнего напряжения подключен положительным полюсом к полупроводнику p-типа, а отрицательным полюсом – к полупроводнику n-типа (рис. 2.9).

Напряжение, полярность которого совпадает с полярностью основных носителей, называется прямым.

Электрическое поле, создаваемое прямым напряжением, действуют навстречу полю, создаваемому контактной разностью потенциалов _к. Вектор напряженности электрического поля Е_пр направлен встречно вектору Е_к. Результирующее поле становится слабее, разность потенциалов уменьшается, уменьшается высота потенциального барьера, возрастает диффузионный ток, так как пониженный барьер может преодолеть большее число основных носителей.

Ток дрейфа при этом почти не изменяется, так как он зависит от числа неосновных носителей, которые попали за счет своих тепловых скоростей на p-n-переход из p- и n-областей.



Рис. 2.9. Схема p-n-перехода и потенциальная диаграмма его

при приложении к нему прямого напряжения
Напряжение на переходе становится равным разности _к – u_пр (если не учитывать падение напряжения на сопротивлениях самих p- и n-областей).

При прямом напряжении i_диф > i_др, следовательно i_пр= i_диф – i_др  0.

Если барьер значительно понижен, то i_диф  i_др и можно считать, что i_пр  i_диф.

Введение носителей заряда через пониженный потенциальный барьер в области, где эти носители являются неосновными, называется инжекцией носителей заряда («инжекция» – введение, впрыскивание).

Область, из которой инжектируются заряды у полупроводникового прибора, называется эммитерной, в которую заряды инжектируются – базой.

При прямом напряжении не только уменьшается высота потенциального барьера, но и уменьшается толщина запирающего слоя l (l _пр < l).

Если внешнее напряжение u_пр  _к, то потенциальный барьер можно уничтожить. Тогда прямое сопротивление R_пр p-n-перехода будет достаточно мало (единицы-десятки Ом) и большое значение прямого тока можно получить при небольшом прямом напряжении. Прямой ток в этом случае возрастет и будет зависеть только от сопротивления p- и n-областей.
2.3.4. ЭДП при обратном напряжении
Пусть источник внешнего напряжения подключен положительным полюсом к n-области, отрицательным – к p-области (рис. 2.10).



Рис. 2.10. Схема p-n-перехода и потенциальная диаграмма его

при приложении к нему обратного напряжения
Поле, создаваемое _к, складывается с полем, образованным u_обр. Результирующее поле усиливается, увеличивается высота потенциального барьера (_к + u_обр). Под действием u_обр протекает небольшой обратный ток

i_обр = i_др – i_диф. (2.5)

При небольшом повышении барьера диффузия прекращается, т.к. собственные скорости носителей малы для преодоления барьера и i_диф = 0, и, как следствие, i_обр = i_др.

Ток проводимости остается неизменным и определяется главным образом числом неосновных носителей, попадающих на p-n-переход из p- и n-областей.

Выведение неосновных носителей заряда через p-n-переход ускоряющим электрическим полем, созданным обратным напряжением, называется экстракцией носителей зарядов («экстракция» – извлечение, выдергивание). Обратный ток представляет собой ток проводимости, вызванный перемещением неосновных носителей зарядов.
2.3.4.1. Механизм установления обратного тока при приложении

к p-n-переходу обратного напряжения
В этом случае сначала возникает переходный процесс, связанный с движением основных носителей (электронов из n-области к положительному полюсу источника и дырок из p-области – к отрицательному), которые удаляются от ЭДП.

У отрицательного электрода дырки рекомбинируют с электронами, которые приходят из проводника, соединяющего этот электрод с отрицательным полюсом источника.

Так как из n-области уходят электроны, она заряжается положительно, p-область заряжается отрицательно, так как ее дырки заполняются приходящими электронами. Толщина запорного слоя l увеличивается.

Такое движение кратковременно, а ток подобен зарядному току конденсатора. Вся система представляет собой конденсатор с плохим диэлектриком, в котором есть ток утечки (его роль выполняет i_обр). Но ток утечки конденсатора в соответствие с законом Ома пропорционален приложенному напряжению, а обратный ток мало зависит от u_обр.

Изменение высоты потенциала барьера, при подаче на него напряжения и изменение ширины ЭДП часто называют “смещением перехода”.
3. Полупроводниковые диоды
3.1. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода
Полупроводниковым диодом называется прибор с одним p-n-переходом и двумя выводами, в котором используются свойства ЭДП.

ВАХ любого прибора представляет собой зависимость между током, протекающим через прибор и приложенным напряжением.

Если сопротивление прибора постоянно, то связь между током и напряжением выражается по закону Ома:

. (3.1)

График зависимости i=f(u) называется вольт-амперной характеристикой. Для прибора, подчиняющегося закону Ома, ВАХ линейна. Приборы, имеющие такую зависимость – линейны.

Но существуют нелинейные приборы.

ЭДП представляет собой диод. Его нелинейные свойства видны из его ВАХ (рис. 3.1).



Рис. 3.1. Вольт-амперная характеристика диода
Прямая и обратная ветви строятся в различных масштабах. Вследствие этого в кривой обратной ветви ВАХ в начале координат имеется излом. Характеристика для прямого тока вначале имеет значительную нелинейность, так как при увеличении u_пр сопротивление запирающего слоя уменьшается, поэтому кривая идет с все большей крутизной. Но при u_пр в несколько десятых долей вольта (при достижении U₀) запирающий слой практически исчезает и остается только сопротивление p-n-областей, которое приблизительно можно считать постоянным. Поэтому далее характеристика становится почти линейной. Небольшая нелинейность объясняется тем, что при увеличении тока p- и n-области нагреваются и от этого их сопротивление уменьшается.

Обратный ток при увеличении обратного напряжения резко возрастает. Это вызвано резким уменьшением тока диффузии i_диф вследствие повышения потенциального барьера.

Так как i_обр = i_др – i_диф, то его значение увеличивается.

Далее рост тока происходит незначительно за счет нагрева перехода током, за счет утечки по поверхности, а также за счет лавинного размножения зарядов, то есть увеличения числа носителей заряда вследствие ударной ионизации.

Это явление состоит в том, что при более высоком обратном напряжении электроны приобретают большую скорость и, ударяя в атомы кристаллической решетки, выбивают из них новые электроны и т.д. Такой процесс усиливается при увеличении обратного напряжения.

ВАХ диода может быть использована для определения его основных параметров. По прямой ветви можно определить U_пр при номинальном токе, по обратной ветви – U_{макс доп} и обратный ток I_обр при этом напряжении.
3.2. Параметры полупроводниковых диодов
Параметры силовых полупроводниковых приборов (СПП) подразделяются на две группы:

– предельно допустимые значения;

– характеризующие параметры.

Предельно допустимое значение – это значение, которое определяет либо предельную способность, либо предельное условие, при превышении которых прибор может быть поврежден.

Характеризующий параметр – значение электрической, механической или тепловой величины, которое характеризует свойство прибора.

Все параметры приборов обозначаются буквами латинского алфа­вита: основные буквы прописные (для импульсных, средних, посто­янных и действующих значений) и строчные (для мгновенных значе­ний, изменяющихся во времени), индексы в основном прописными буквами (исключение составляют обозначения предельных значений max – максимальное, min – минимальное, crit – критическое и некоторых других).

Перечень основных параметров диодов и их обозначения приведе­ны ниже.

По напряжению

U_RRM – предельное повторяющееся импульсное обратное напря­жение;

U_RSM – предельное неповторяющееся импульсное обратное напря­жение;

U_FM – импульсное прямое напряжение (характеризующее значе­ние);

U_(T0) – пороговое напряжение (характеризующее значение).

По току

I_F(AV)max – предельный максимально допустимый средний прямой ток;

I_FSM – предельный ударный неповторяющийся прямой ток;

I_RRM – повторяющийся импульсный обратный ток (характеризую­щее значение).

По сопротивлению

г_т – дифференциальное сопротивление (характеризующее значе­ние).

По коммутационным явлениям

Q_rr – заряд восстановления (характеризующее значение);

t_rr – время обратного восстановления (характеризующее значение).

По тепловым явлениям

Т_jm – предельная максимально допустимая температура р-n-перехода;

R_thjc – тепловое сопротивление "переход-корпус" (характеризую­щее значение).

По механической нагрузке к основным параметрам диодов отно­сятся предельные крутящий момент и осевое усилие сжатия (для таб­леточных), по надежности – вероятность безотказной работы в тече­ние 25 000 ч.

Рассмотрим некоторые из них подробнее.

3.2.1. Предельный ток I_F(AV)max (I_{пр.ср.макс}) – это ток, который может быть длительно пропущен через полупроводниковый диод. Его значение определяется значением максимально допустимой температурой Т_jm структуры диода (для кремниевых вентилей Т_jm  140 С) и условиями охлаждения.

При включении диода в прямом направлении потери мощности (мощность рассеяния) P определяется

P = U_F  I_F(AV) = U_пр I_пр.ср., (3.2)

где U_F(U_пр) – падение напряжения в структуре вентиля;

I_F(AV)(I_пр.ср.) – прямой ток.

Мощность рассеяния выделяется в виде тепла, которое необходимо отводить от диода.

Чем больше значение I_пр.ср., тем сильнее греется диод. Если ∆P мала, то выделяющееся тепло равномерно рассеивается по всей массе диода и температура p-n-перехода возрастает незначительно. Если ∆P велика, то возникает недопустимый нагрев структуры и диод выходит из строя. Для каждого полупроводникового диода существует I_пр.ср. продолжительного режима.

Значение тока I_F(AV)max (I_{пр.ср.макс}) представляет собой максимально допустимое среднее за период значение прямого тока в однофазной однополупериодной схеме выпрямления при частоте f = 50 Гц и работе на активную нагрузку R, который может продолжительно протекать через диод VD, не вызывая его недопустимого нагрева и необратимого изменения характеристик.



а б

Рис. 3.2. Схема включения диода (а) и диаграммы электромагнитных процессов при работе однополупериодного выпрямителя

на активную нагрузку (б)
При нагрузке диода током I_F(AV)max (I_{пр.ср.макс}) перегрузки недопустимы.

Промышленность выпускает диоды на токи от нескольких миллиампер до нескольких тысяч ампер. На силовые кремниевые полупроводниковые диоды установлена следующая шкала предельных токов: 10; 12,5; 16; 20; 25; 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160; 200; 250; 320; 400; 500; 630; 800; 1000; 1250; 1600; 2000; 2500 А.

Предельный ток записывается в маркировке диода. Например: диод ДЛ133-500, В 200, В 320, ВЛ 200, ВК2-200 и т.д.

Ток, который можно безопасно пропустить через диод всегда меньше предельного. Чтобы его повысить, нужно увеличить интенсивность охлаждения. Для этого диоды снабжают охладителями, способствующими отводу тепла в окружающую среду, обдувают их потоком воздуха. Ранее применялось охлаждение водой или маслом (вентильные конструкции типа ВКМБ). Например, на тяговых подстанциях электрических железных дорог постоянного тока применялись и применяются вентильные конструкции с различным видом охлаждения. Так, у вентильных конструкций УВКЭ-1(1М) и ПВЭ-3(3М) – принудительное воздушное охлаждение, у конструкций ПВКЕ-2 и ПВЭ-5 – естественное воздушное охлаждение, у конструкций В-ТПЕД и силовых блоков БСЕ (БДС) – естественное воздушное охлаждение с применением тепловых трубок (испарительно-конденсатная система).

3.2.2. Перегрузочная способность. Нагрев структуры диода при прохождении тока определяется потерями мощности, временем прохождения тока и начальной температурой структуры, предшествующей перегрузке.

При кратковременных перегрузках выделяющаяся в структуре энергия ∆P быстро распространяется по структуре, и температура не успевает значительно возрасти. При длительных перегрузках энергия быстро рассеяться не может и температура сильно повышается. Поэтому, чем больше значение тока перегрузки, тем меньшее время он должен протекать. Например, для диодов В1200 и В 320 можно допустить перегрузку на 25 % в течение 30 с, двойную – в течение 1 с. Перегрузочную способность диодов часто определяют по амперсекундной характеристике (АСХ), то есть зависимости степени перегрузки вентиля I_макс / I_ном от времени протекания t максимального тока, в течение которого температура структуры Т_j достигает максимально допустимого значения (рис. 3.3).

Перегрузочная способность диодов в аварийном режиме характеризуется одиночным допустимым значением импульса ударного тока синусоидальной формы I_FSM (I_пр.уд) продолжительностью 10 мс при заданной начальной температуре структуры, соответствующей предельному току. Обычно I_FSM (I_пр.уд) = (15-20) I_F(AV)max. Для диода В 320 I_FSM = 6000 А при Т_jm = 140 С.


Рис. 3.3. Амперсекундная характеристика
Значение I_FSM (I_пр.уд) используется для проверки допустимости применения данного вентиля путем сравнения значения тока I_FSM с расчетными значениями максимальных аварийных токов, возникновение которых возможно в процессе эксплуатации.

Поскольку количество тепла, выделяемого при прохождении импульса аварийного тока, согласно закону Джоуля-Ленца, пропорционально квадрату этого тока и времени его прохождения, то в технических данных силовых диодов обычно приводится значение Джоулева интеграла, численно равного площади S равнобедренного треугольника (рис. 3.4):

. (3.3)



Рис. 3.4. Значение джоулевого интеграла
Эта величина характеризует максимальное количество тепла, которое может быть воспринято вентилем без повреждения структуры в условиях нормального охлаждения. Например, для вентиля В 200 S = 80000 А²с, для вентиля В 320 S = 255000 А²с при Т_j = 25 С.

3.2.3. Номинальное напряжение. Напряжение, подаваемое на диод, не должно превышать некоторого максимального значения U_BR (U_{обр макс}), при котором происходит пробой p-n-перехода. Напряжение U_BR прикладывают к диодам только при испытаниях.

В реальных сетях питающее напряжение несинусоидально. Несинусоидальное напряжение характеризуется повторяющимися и не повторяющимися напряжениями.

К ним относятся (см. рис. 3.5 и 3.6):

U_RWM(U_р) – импульсное рабочее (рекомендуемое) обратное напряжение. Это наибольшее мгновенное значение обратного напряжения, исключая все повторяющиеся напряжения:

U_RWM(U_р) = (0,6-0,8) U_RRM;

U_RRM(U_п) – повторяющееся импульсное обратное напряжение. Это наибольшее мгновенное значение обратного напряжения, включая все повторяющиеся, но исключая все неповторяющиеся напряжения:

U_RRM(U_п) = (0,75-0,85) U_BR.

Иногда напряжение U_RRM(U_п) называют напряжением класса, так как число сотен вольт повторяющегося обратного напряжения определяет класс диода

.

Значение U_RRM определяется коммутационными процессами в самом преобразователе;

U_RSM(U_н,п) – неповторяющееся импульсное обратное напряжение. Это наибольшее мгновенное значение любого неповторяющегося обратного напряжения, прикладываемого к диоду:

U_RSM(U_н,п) = (1,16-1,25) U_RRM.

Значение U_RSM определяется разовыми перенапряжениями, которые могут возникнуть при грозовом разряде или в момент отключения индуктивных цепей автоматическим выключателем.



Рис. 3.5. Обратная ветвь вольт-амперной характеристики


Рис. 3.6. Возможные виды перенапряжений
Диод выбирают так, чтобы амплитуда питающего синусоидального напряжения не превышала значения U_RWM ( U_пит ≤ U_RWM).

3.2.4. Повторяющийся импульсный обратный ток (I_RRM). Амплитудным значением тока I_RRM называют ток, протекающий через диод в обратном (запирающем) направлении при приложении к нему повторяющегося импульсного обратного напряжения U_RRM (рис. 3.7).

В соответствии с ГОСТ 24461-90 (СТ СЭВ 1656-79) и Инструкцией по техническому обслуживанию и ремонту тяговых подстанций (ЦЭ-936) одним из параметров-критериев годности диодов является импульсный обратный ток I_RRM, т. е. значение обратного тока в момент времени, который соответствует амплитуде максимально допустимого повторяющегося импульсного обратного напряжения U_RRM. При этом форма напряжения должна быть однополупериодная синусоидальная с длительностью импульса не более 10 мс (рис. 3.7). Диод считается выдержавшим испытание, если значение повторяющегося импульсного обратного тока не превышает нормы.



Рис. 3.7. Кривые обратного напряжения и повторяющегося импульсного

обратного тока

Условия измерения импульсного обратного тока: максимально допустимая температура перехода T_jm или T_j = (25  10) °C; максимально допустимое повторяющееся импульсное обратное напряжение U_{RRM .}

Германиевые диоды при прочих равных условиях имеют большие значения тока I_RRM. Меньшие значения тока I_RRM в кремниевых диодах объясняются тем, что из-за большей энергии, требуемой для образования пары “электрон – дырка”, число основных носителей в кремнии (при одинаковой температуре) меньше, чем в германии. Следовательно, меньше будет и концентрация неосновных носителей, определяющая обратный ток. Поэтому кремниевые диоды имеют лучшие вентильные свойства, чем германиевые.

3.2.5. Прямое падение напряжения (прямое импульсное напряжение) U_FM1(U_пр). За номинальное значение U_FM1(U_пр) принимают падение напряжения на диоде при прохождении импульса тока, равного 3,14 () значения предельного тока I_F(AV)max при температуре T_j = 25 C (рис. 3.8). Для силовых кремниевых диодов это значение в среднем составляет U_FM (U_пр) = (1,07-1,8) В (в зависимости от типа диода).



Рис. 3.8. Определение прямого падения напряжения по прямой ветви

вольтамперной характеристики
3.2.6. Статическое и динамическое сопротивления. Полупроводниковый диод представляет собой нелинейное сопротивление, которое зависит от напряжения и тока.

Статическое сопротивление характеризует сопротивление диода постоянному току (рис. 3.9).



Рис. 3.9. Определение статического сопротивления по прямой ветви вольт-амперной характеристики диода
Статическое сопротивление определяется по прямой ветви вольт-амперной характеристики диода (рис. 3.9) по выражениям:

(3.4)

или

, (3.5)

гдеk – коэффициент, учитывающий единицы величин, входящих в формулу.

Динамическое сопротивление характеризует свойства диода по отношению к малым приращениям или переменным составляющим, наложенным на относительно большие постоянные токи или напряжения (рис. 3.10).



Рис. 3.10. Определение динамического сопротивления по прямой ветви вольт-амперной характеристики диода
Динамическое сопротивление определяется по прямой ветви вольт-амперной характеристики диода (рис. 3.10) по выражениям:

, (3.6)

(3.7)

3.2.7. Температурный режим. Свойства p-n-перехода существенно зависят от температуры. Проводимость его в прямом направлении высока даже при низких температурах (– 60^С), так как для отрыва валентных электронов требуется небольшая энергия.

При повышенной температуре сильнее проявляется собственная проводимость полупроводника и тем меньше сказывается примесная проводимость. В результате концентрация электронов и дырок по обе стороны от места контакта двух полупроводников p- и n-типа выравнивается, электрическое поле в этом месте исчезает и p-n-переход при высоких температурах теряет свои вентильные свойства.

Для германиевых диодов T_jm  (70-90) C, для кремниевых диодов T_jm1 (125-140) C, так как для отрыва валентного электрона от атома требуется большая энергия. Наглядно это показывают ВАХ, полученные при различных значениях температуры p-n-перехода (рис. 3.11).



Рис. 3.11. Влияние температуры на вольт-амперную

характеристику диода
Увеличение обратного тока при возрастании температуры объясняется усилением генерации пар носителей. Для германиевых диодов обратный ток возрастает примерно в два раза при повышении температуры на каждые 101С.

Это можно выразить следующей формулой:

i_R(t) = i_{R(20 С)} 2^(t-20)/10 . (3.8)

К примеру, если температура повысилась с 20 до 70 С, то значение обратного тока увеличилось в 2⁵, то есть в 32 раза. Кроме того, с увеличением температуры у германиевых диодов снижается напряжение электрического пробоя.

У кремниевых диодов, при нагреве на 101С, обратный ток возрастает примерно в 2,5 раза, а напряжение пробоя при повышении температуры сначала несколько возрастает, а затем уменьшается.

Прямой ток при нагреве диода растет не так сильно, как обратный. Это объясняется тем, что прямой ток возникает главным образом за счет примесной проводимости, а концентрация примесей не зависит от температуры.

3.2.8. Емкость ЭДП и частотные характеристики. ЭДП можно рассматривать как эквивалентный конденсатор, состоящий из обкладок, разделенных областью, обедненной носителями зарядов и обладающей повышенным сопротивлением. Емкость этого конденсатора определяется как отношение приращения заряда на переходе к приращению падения напряжения на нем, то есть:

(3.9)

Емкость перехода зависит от значения и полярности внешнего приложенного напряжения. При обратном напряжении на переходе эта емкость называется барьерной.

(3.10)

где _к – контактная разность потенциалов;

U – обратное напряжение на переходе;

С_бар(0) – значение барьерной емкости при U = 0, которое зависит от площади p-n-перехода и свойств полупроводникового кристалла.

Теоретически барьерная емкость существует и при прямом напряжении на p-n-переходе, однако она шунтируется низким дифференциальным (динамическим) сопротивлением r_т. Зависимость барьерной емкости от приложенного напряжения приведена на рис. 3.12.

При прямом смещении p-n-перехода значительно большее влияние оказывает диффузионная емкость, которая зависит от значения прямого тока и времени жизни неосновных носителей _р. Эта емкость не связана с током смещения, но дает такой же сдвиг фазы между напряжением и током, что и обычная емкость. Значение диффузионной емкости определяется по выражению:

. (3.11)

Полная емкость ЭДП при прямом смещении определяется суммой барьерной и диффузионной емкостей:

С_пр = С_диф + С_бар, (3.12)

при обратном смещении ЭДП диффузионная емкость отсутствует и С_обр1=₁С_бар.


Рис. 3.12. Зависимость барьерной емкости от приложенного напряжения

Барьерная емкость вредно влияет на выпрямление переменного тока, так как шунтирует диод, и через нее на более высоких частотах протекает переменный ток. Это происходит вследствие уменьшения емкостного сопротивления на высоких частотах и возможности протекания обратного тока через емкость ЭДП. Это нарушает нормальную работу прибора, так как ЭДП теряет свои вентильные свойства. Поэтому для работы на высоких частотах используют так называемые точечные полупроводниковые приборы, у которых площадь ЭДП незначительна и собственная емкость мала. В паспортных данных обычно указывают наивысшую рабочую частоту диода. Силовые диоды, применяемые на электроподвижном составе и тяговых подстанциях, рассчитаны на работу в цепях с частотой до 500 Гц.

Свойства барьерной емкости используют при создании специальных типов диодов (варикапов и варакторов), которые применяют в качестве конденсаторов переменной емкости для настройки колебательных контуров (электронная настройка).

4. Виды пробоев ЭДП