Тема 2.  ПолуПроводниковые диоды

2.1 Силовые диоды.

      Силовыми или выпрямительными диодами называют устройства с одним  p-n -  переходом, предназначенные для преобразования переменного напряжения в постоянное в мощных электротехнических установках. Это плоскостные диоды с относительно большой площадью  p-n -  перехода.

Их основные параметры:  

I_{пр maX –} максимальный прямой ток;

Vпр - падение напряжения на диоде при прямом смещении и заданном токе;

I_обр — ток через диод при обратном сме­щении и заданном напряжении;

V_{обр mах} —максимальное обратное напряжение;

?f    — диапазон частот, в котором выпрямленный ток не снижается меньше заданного уровня.

     По величине выпрямленного тока выпрямительные диоды делятся на диоды малой (I_пр<0,3А), средней (0,3А<I_Пр<10А) и большой (I_Пр>10А) мощности. Для создания выпрямительных диодов применяются пло­скостные p-n -переходы, полученные сплавлением и диффузией. Высокие значения I_Пр обеспечиваются ис­пользованием p-n - переходов с большой площадью. По­этому выпрямительные диоды имеют большие значения диффузионной (С_д ) и зарядной (С₃ ) ёмкостей, а следовательно, могут работать только на низ­ких частотах, так как на высоких частотах большая часть тока протекает через емкости и выпрямление от­сутствует. Частотный диапазон выпрямительных диодов не превышает 2кГц, в то время как у высокочастотных диодов он составляет сотни мегагерц.

     Большие значения V_{обр maх} достигаются использова­нием в качестве базы диода материала с высоким удельным сопротивлением. Наибольшие значения V_{о6p maх} могут быть получены при использовании р—i—п- диода, так как ширина области объемного заряда в нем наибольшая, а следовательно, наибольшее и значение напряжения пробоя. Так как с изменением температуры V_{обр mах} изменяется, то его значение дается для опреде­ленной температуры (обычно комнатной). При больших I_Пр в диоде, вследствие падения напря­жения на нем, выделяется тепло. Поэтому выпрямитель­ные диоды отличаются от остальных типов диодов боль­шими размерами корпуса и внешних выводов (рис.2.1) для улучшения теплоотвода.

Рис2.1. конструкция сплавного маломощного (а) и мощного (б) диодов:1—припой. 2 — кристалл, 3 — электрический вывод, 4 — кристаллодержатель, 5 — корпус, 6 — стеклянный изолятор, 7 — выводы

      Выпрямительные диоды изготавливают в настоящее время в основном из кремния и германия. кремниевые диоды позволяют получать высокие обратные напряже­ния пробоя, так как удельное сопротивление собствен­ного кремния (? ~ 10⁵ Ом.см) много больше удельного сопротивления собственного германия (? ~ 50 Ом.см).

     Кроме этого, кремниевые диоды оказываются работоспо­собными в большем интервале температур (—60 ... ...+125°С), поскольку ширина запрещенной зоны в кремнии (1,12 эВ) больше, чем в германии (0,72 эВ), а следовательно, обратный ток меньше.

     Германиевые диоды работоспособны в меньшем интервале температур (—60 ...+85°с), однако их вы­годнее применять при выпрямлении низких напряжений, так как v_пр для германиевых диодов (0,3 ... 0,8 в) меньше, чем для кремниевых (до 1,2в). следовательно, меньше будет и мощность, рассеиваемая внутри герма­ниевого диода.

    Перспективным является использование для выпрямительных диодов гетеропереходов. В гомопереходах при больших прямых токах происходит значительное выделение тепла, обусловленное потерями на омическом сопротивлении базы и безызлучательной рекомбинацией инжектированных носителей в базе диода.если для выпрямительного диода использовать р—i—n-структуру, в кото­рой р- и n-области изготовлены из широкозонных полупроводников, а i-область из узкозонного, то при включении в прямом направле­нии происходит инжекция электронов и дырок в i-слой. Благодаря наличию гетеропереходов (р—i и i—n) достигается высокий уровень инжекции носителей в i-слой, что приводит к уменьшению его сопротивления. В качестве i-слоя выбирается полупроводник, в котором рекомбинация излучательная. При соот­ветствующей конструкции диода  это излучение может быть выведено наружу, следовательно, в р—i—n-диоде с гетероперехо­дами снижаются оба вида потерь, что приводит к уменьшению теп­ловыделения. Поэтому такой диод может пропускать значительно большие плотности тока в прямом направлении, чем обычный. Об­ратное напряжение пробоя такой структуры так же велико, как и для обычного р—i—n-диода.   

    При необходимости выпрямления тока большего, чем i_{пр mах} одного диода, несколько диодов соединяют па­раллельно. Поскольку сопротивления различных диодов одного типа при прямом смещении r_пр, всегда немного отличаются друг от друга, то для выравнивания токов через диоды последовательно с каждым диодом вклю­чают добавочное сопротивление r_доб. Для удовлет­ворительного выравнивания токов величина r_доб должна быть немного больше  r_пр. 

     Если необходимо выпрямлять напряжение большее, чем V_{обр mах} одного диода, то несколько диодов соеди­няют последовательно. Так как обратное сопротивление диодов r_обр одного типа также неодинаково, то внешнее напряжение распределяется неравномерно между дио­дами. Для выравнивания падений напряжений на дио­дах применяют шунтирование каждого диода парал­лельно включенным сопротивлением r_ш. Величина r_ш выбирается обычно немного меньше значения r_обр.