Включение диода в прямое направление

Выпрямительные диоды

 

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный. Частотный диапазон их работы невелик. При преобразовании промышленного переменного тока рабочая частота составляет 50 Гц, а верхняя граница рабочих частот – так называемая предельная частота выпрямительных диодов – как правило, не превышает 500Гц – 20кГц.

Особое место в силовой (энергетической) полупроводниковой электронике занимают силовые диоды (с предельным средним и предельным действующим током 10А и более). Силовые полупроводниковые диоды имеют несколько отличающуюся систему классификации и систему обозначений. По нагрузочной способности в области пробоя силовые диоды подразделяются на выпрямительные, лавинные выпрямительные с контролируемым пробоем.

Для силовых выпрямительных диодов работа в области пробоя недопустима. В соответствии с действующими стандартами (техническими условиями) к этим диодам даже кратковременно не разрешается прикладывать обратные напряжения, приводящие к лавинному пробою p-n переходов.

Лавинные выпрямительные диоды могут в течение ограниченного интервала времени рассеивать импульс приложенной энергии в области пробоя при работе на обратной ВАХ, т.е работать в качестве ограничителя напряжения.

Лавинные выпрямительные диоды с контролируемым пробоем предназначены для работы в установившемся режиме в области пробоя, т.е. могут работать в качестве стабилитронов, в отдельных случаях – в качестве ограничителей напряжения.

Для характеристики выпрямительных диодов используют следующие параметры: максимально допустимое постоянное обратное напряжение U_обр.max – напряжение, которое может быть приложено к диоду длительное время без опасности нарушения его работоспособности (обычно U_обр.max ≈ 0,5 0,8 U_проб , где U_проб – напряжение пробоя); максимально допустимый постоянный прямой ток I_{пр max} ; постоянное прямое напряжение U_пр при заданном прямом токе I_пр = I_пр.max ; максимально допустимый постоянный обратный ток I_обр.max – обратный ток утечки диода при приложении к нему напряжения U_обр.max ; частота без снижения режимов – верхнее значение частоты, при которой обеспечиваются заданные токи и напряжения.

По максимально допустимому выпрямленному току диоды разбиты на три группы: диоды малой мощности (I_пр 0,3А), диоды средней мощности (0,3А < I_пр <10А) и мощные силовые диоды (I_пр 10А).

Иногда в паспорте диода указывают средний выпрямленный ток I_пр.ср , средний обратный ток I_обр.ср , а также импульсный прямой ток I_пр.и или его максимально допустимое значение.

В состав параметров диодов входит диапазон температур окружающей среды (для кремниевых диодов обычно от – 60 до +125° С) и максимальная температура корпуса.

Подавляющее большинство кремниевых диодов имеет p⁺-n-n⁺ структуры, т.е. изготавливаются на основе высокоомного кремния n-типа электропроводности. Это связано с тем, что стабильность обратных токов p⁺-n переходов выше, чем у n⁺-p переходов. Подвижный заряд положительных ионов металла в защитных слоях на поверхности кремния дрейфует в область ОПЗ низколегированной p-базы и со временем образует канальные области.

В настоящее время производятся выпрямительные диоды на предельные токи до 1600 А, повторяющееся импульсное обратное напряжение от 100 до 4000 В (для отдельных типов диодов), лавинные выпрямительные диоды на предельные токи от 10 до 320 А и повторяющееся импульсные напряжения от 400 до 1500 В, быстродействующие диоды на предельные токи от 80 до 630 А и повторяющееся импульсное обратное напряжение от 500 до 1400 В. Тенденции одновременного увеличения предельного тока, напряжения, повышения быстродействия и снижения прямого напряжения препятствуют физические ограничения. Например, при повышении быстродействия диодов необходимо снижать время жизни неосновных носителей зарядов в базе диода путем введения примесей с глубокими уровнями, при этом, как было показано выше, растет прямое падение напряжения и уменьшается предельно допустимое обратное напряжение диода.

В низковольтных источниках питания в качестве выпрямительных диодов используются диоды Шоттки, имеющие значительно меньшее прямое падение напряжения, чем у кремниевых диодов на основе p-n перехода.

 

Импульсные диоды

Импульсный диод – это полупроводниковый диод, имеющий малую длительность переходных процессов и предназначенный для применения в импульсных режимах работы. Импульсные диоды используют в качестве ключевых элементов схем, работающих с сигналами длительностью вплоть до наносекундного диапазона.

Основным параметром, характеризующим свойства импульсного диода, является время восстановления обратного сопротивления диода t_вос , представляющее собой интервал времени от момента подачи импульса обратного напряжения до момента, когда обратный ток диода уменьшается до заданного значения. Для быстродействующих импульсных диодов t_вос = 0,1 10 мкс, а для сверхбыстродействующих t_вос < 0,1 мкс. Время установления прямого сопротивления диода t_уст – это интервал времени от начала импульса прямого тока до момента, когда напряжение на диоде упадет до 1,1 установившегося значения. Параметры импульсов сигналов, при которых производят измерения t_вос и t_уст , указываются в технических условиях и справочных данных на импульсный диод.

Помимо времени установления и времени восстановления специфическими параметрами импульсных диодов являются максимальное сопротивление r_имп , определяемое отношением максимальной амплитуды импульса прямого напряжения на диоде к току через него, и максимальный ток восстановления – наибольший обратный ток через диод после переключения напряжения на нем с прямого направления на обратное. В некоторых случаях указывается заряд переключения, представляющий собой интеграл от обратного тока в течение времени восстановления обратного сопротивления.

Импульсные диоды, как правило, имеют малую емкость С_д, измеряемую как емкость между выводами диода при заданном обратном напряжении. Для импульсных диодов указываются также следующие параметры: постоянное прямое напряжение U_пр (при протекании постоянного тока I_пр) и обратный ток I_обр (при заданном обратном напряжении). Предельные режимы работы импульсных диодов характеризуются максимальным значением обратного напряжения U_обр.max любой формы и периодичности и максимальным значением прямого импульса тока I_{пр, имп.max} .

 

 

6.2.1. Переходные процессы в диодах с p-n переходом

 

Различают переходные процессы включения, переключения диода из прямого смещения в обратное и выключения диода. Инерционность протекающих процессов связана с накоплением и рассасыванием ННЗ в базе диода, а также перезарядом барьерной емкости p-n перехода.

При переключении диода из прямого смещения в обратное последний в начальный момент (единицы, десятки мкс) проводит большой обратный ток в отличие от стационарного случая (рисунок 6.1). Причиной такого поведения является накопленный заряд неравновесных носителей в базе p-n перехода при прямом смещении. Для диода с полубесконечной базой,

.

 

В момент t₀ при переключении будет наблюдаться выброс I_обр, причем величина его будет определяться сопротивлением цепи генератора обратного напряжения, включая сопротивления базы,

, (6.1)

где r_Д(t) – переходное сопротивление p-n перехода, близкое к нулю в момент t₀ .

В идеальном случае (R_Г = 0) I_обр(t₀) , что соответствует (рисунок 6.2, а).

I(t) P

I t_o R_Г = 0

t U_Д(t)а) t_вос

U

I_пр

t б) а)

t_o P

t_o

U_обр

в)

U

б)

 

C г) Рисунок 6.2 - Распределение концентрации дырок

в базе при переключении:

а) R_Г = 0; б) R_Г > 0

 

U_обр

Рисунок 6.1 - Схема переключения (а),

диаграммы токов (в) и напряжения (г)

 

В реальных случаях выброс обратного тока ограничен сопротивлением цепи, чему соответствует постоянный градиент концентрации дырок в базе до момента t₁ (рисунок 6.2, б).

Процесс восстановления обратного сопротивления обусловлен рассасыванием накопленного заряда обратным током и рекомбинацией носителей заряда. Природа обратного тока – диффузия дырок из n-области в p⁺-область под действием градиента концентрации, возникающим за счет экстракции неосновных носителей заряда при подаче обратного смещения (t₀) .

Переходный процесс при конечном сопротивлении цепи (R_Г > 0) протекает в две фазы. Первая фаза (t₁) характеризуется постоянным обратным током и прямым смещением p-n перехода, что обусловлено ограничением тока сопротивлением цепи и избыточной концентрацией дырок в плоскости p-n перехода.

.

В момент t₁ P(t₁) = P_n0, и U_j(t₁) = 0 (рисунок 6.1, г) после этого момента обратный ток уменьшается (часть заряда рассосалась, и сопротивление r_Д(t) (6.1) – увеличилось), а напряжение на переходе изменяет знак (P(t) < P_n0), и возрастает до U_обр за время t₂. Суммарное время (t₁ + t₂) характеризует время восстановления обратного сопротивления (рисунок 6.1, в), форма начального участка напряжения (рисунок 6.1, г) зависит от величины прямого тока. При малых уровнях инжекции реактивность p-n перехода емкостная, поэтому напряжение отстает от тока (возрастает со временем). При БУИ характер реактивности меняется (индуктивный), поэтому наблюдается опережение напряжением тока (напряжение уменьшается со временем), обусловленное эффектом модуляции проводимости базы. При некотором промежуточном токе импеданс p-n перехода чисто активный, и форма напряжения будет соответствовать форме импульса тока.

Механизмы, протекающие при переключении диода.

1. Инжекция и накопление заряда в базе при прямом смещении.

2. Экстракция ННЗ на границе ОПЗ-n-база при подаче обратного смещения.

3. Диффузия дырок из n-базы (рассасывание заряда обратным током).

4. Рекомбинация избыточного заряда в базе.

5. Перезаряд барьерной емкости p-n перехода.

Для количественной оценки длительности переходных процессов необходимо решить нестационарное уравнение непрерывности

 

, (6.2)

со стационарными условиями:

 

– ( кривая t₀ , рисунок 6.2);

 

– (кривая t_вос , рисунок 6.2).

Решение (6.2) для случая R_г = 0 ( ) , имеет вид:

, (6.3)

;

где – нормированное время.

.

Для диода с полубесконечной и ограниченной базой, как следует из (6.3), в момент t = 0, ток стремится к бесконечности, далее спадая по экспоненциальному закону. Время восстановления обратного сопротивления оценивается по значению обратного тока, указанного в технических условиях на данный тип диода, например, 0,1I_пр.

f Дополнительный интеграл ошибок (рисунок 6.3)

1 erf y erfc y = 1 – erf y; erf y = .

В реальном случае R_г > 0, решение (6.2)

erfc y разбивается на два этапа.

y Первый этап характеризуется условиями

Рисунок 6.3 - Вид функций erf y и erfc y , , при t ≤ t₁.

Для первой фазы решение (6.2) имеет вид:

. (6.4)

Длительность второй фазы определяется как разность двух времен, определенных из (6.3), для значений обратного тока восстановления сопротивления и обратного тока рассасывания t₂ = t₂ (I_{обр.вос.}) – t₂ ( ) .

Время восстановления обратного сопротивления определяется суммой

t_вос = t₁ + t₂.

Влияние барьерной емкости на инерционность переходного процесса незначительно в связи с тем, что постоянная времени перезаряда значительно меньше времени жизни неосновных носителей заряда.

 

Включение диода в прямое направление

Рассмотрим переходные процессы при прохождении через диод прямого импульса тока большой амплитуды (рисунок 6.4). При крутом переднем фронте в момент t = 0 за время релаксации Максвелла напряжение выделяется на немодулированном сопротивлении базы, U_mВ = I₀·r_B , так как на переходе из-за зарядной емкости напряжение близко к нулю.

Это напряжение соответствует прямому импульсному падению напряжения. По мере заряда барьерной емкости происходит инжекция ННЗ в базу с последующей нейтрализацией ОНЗ, приводящая к модуляции (уменьшению) сопротивления базы и падения напряжения на ней до величины U_B (рисунок 6.4, в).

 

 

Рисунок 6.4 - Диаграммы тока и напряжения диода при прохождении импульса тока

 

В результате появляется индуктивный выброс напряжения на диоде. Постоянная времени установления напряжения на диоде определяется длительностью пролета базы (диод с ограниченной базой) либо временем жизни (диод с полубесконечной базой). Параметр время установления прямого сопротивления t_уст соответствует интервалу времени изменения напряжения от максимального до 1,1U_д0 установившегося значения (рисунок 6.4, г).

При выключении импульса тока в момент t_u напряжение на базе за время Максвелла (мгновенно) уменьшается до нуля. На эту величину скачком уменьшается падение напряжения на диоде (рисунок 6.4, г). Близкое к линейному падение напряжения на p-n переходе объясняется рассасыванием накопленного заряда только рекомбинационным процессом,

.

Прологарифмировав это выражение, получаем

, (6.5)

где t отсчитывается от момента t_u .

Длительность послеинжекционной ЭДС эквивалентна длительности первой фазы переключения диода из прямого направления в обратное при нулевом обратном токе (холостой ход).

Переходные характеристики при выключении (6.5) и переключении (6.4) используются для измерения времени жизни ННЗ в базе диода при условии, если толщина базы превышает три диффузионные длины.