Диоды

Диоды
Общие сведения о диодах. Характеристики диодов.
Диоды (Рис. 1) - блоки АC/AC и DC/DC преобразователей и различных схем современной
силовой электроники.
Полупроводниковый диод (П.д.), двухэлектродный электронный прибор на основе
полупроводникового (ПП) кристалла. Понятие «Полупроводниковый диод» объединяет
различные приборы с разными принципами действия, имеющие разнообразное
назначение. Система классификации П. д. соответствует общей системе классификации
полупроводниковых
приборов.
В
наиболее
распространённом
классе
электропреобразовательных полупроводниковых диодов различают: выпрямительные
диоды, импульсные диоды, стабилитроны, диоды СВЧ (в т. ч. видеодетекторы,
смесительные, параметрические, усилительные и генераторные, умножительные,
переключательные).
Рис. 1 Диоды
Среди
оптоэлектронных
полупроводниковых
диодов
светоизлучающие диоды и ПП квантовые генераторы.
выделяют
Выпрямительные диоды.
Rectifier Diodes
Рис. 2 Обозначение на схеме и внешний вид выпрямительных диодов.
Служат для выпрямления переменного тока в постоянный.
Достоинства: Высокое обратное напряжение – 1000-1500В (Si), 100-400 (Ge).
Выпрямительные диоды бывают:
фотодиоды,
1. Прямой ток до 0,3А – малая мощность
2. Прямой ток до 10А – средняя мощность
3. Прямой ток более 10А – силовые диоды.
Кремниевый диод (Si) и Диод (Ge)
Кремниевый диод (Si)
Рис. 3 Кремниевый диод (Si)
В случае с кремниевым диодом, ток резко растет при достижении порогового напряжения
0,7В
Рис. 4 Германиевый диод (Ge)
В случае с кремниевым диодом, ток резко растет при достижении порогового напряжения
0,3В
Рис. 5 Сравнительные характеристики Si и Ge диодов
В случае с германиевым диодом, ток начинает расти более медленно на более ранней
стадии при достижении порогового напряжения 0,3В
Сравнительные характеристики диодов: Характеристики диодов:
1. Значение обратного тока германиевых диодов на 2-3 порядка больше, чем у
кремниевых, при одинаковой площади перехода. Это объясняется различной
шириной их запрещенной зоны.
2. Допустимое обратное напряжение у кремниевых диодов больше, чем у
германиевых, за счет различной ширины их запрещенной зоны.
3. Падение напряжения на кремниевых диодов больше, при одинаковых токах
нагрузки, что обусловлено большим сопротивлением базовой области кремниевых
диодов.
4. При увеличении температуры на 10 градусов, обратный ток германиевых диодов
удваивается, а у кремниевых возрастает в два с половиной раза.
5. Абсолютная величина приращения обратного тока у германиевых диодов с ростом
температуры в несколько раз больше, чем у кремниевых, что приводит к
увеличению мощности, потребляемой диодом, и уменьшению напряжения
теплового пробоя.
6. У кремниевых диодов обратный ток мал и мала вероятность теплового пробоя, в
связи с чем в начале развивается электрический пробой, который при больших
обратных напряжениях может перерасти и в тепловой.
Диод Шоттки
Рис. 6 Шоттки-диод
Ток растет при достижении порогового напряжения 0,4В
1. очень малое время восстановления основных носителей заряда
переключениях;
2. более высокое напряжение пробоя, чем у кремниевых приборов;
3. высокая частота переключения (до 500 кГц);
Диоды нормально работают при максимальной температуре перехода 175°С.





при
очень малое (практически нулевое!) время восстановления основных носителей
заряда при переключениях;
более высокое напряжение про боя, чем у кремниевых приборов;
высокая температура функционирования (до 175°С);
высокая частота переключения (до 500 кГц), что позволяет уменьшить фильтр
электромагнитных помех и размеры других пассивных компонентов;
уменьшение или исключение активных или пассивных демпферных цепей.
Главное преимущество высоковольтных диодов Шоттки состоит в их исключительных
динамических характеристиках. Заряд обратного восстановления Qобр этих диодов
чрезвычайно низок (менее 20 нКл), поэтому емкость перехода не сохраняет заряд. Кроме
того, в отличие от кремниевых PiN-диодов скорость нарастания тока di/dt не зависит от
величины прямого тока и температуры. Диоды нормально работают при максимальной
температуре перехода 175°С. Сверхмалое значение заряда Qобр карбидокремниевых
диодов Шоттки приводит к уменьшению потерь на переключение в типичных
применениях импульсной силовой электроники.
Карбид кремния SiC — бинарное соединение с большой шириной запрещенной зоны:
2,8...3,1 эВ в зависимости от модификации. Карбид кремния является третьим по
твердости веществом после алмаза. Полупроводниковые приборы на основе карбида
кремния могут работать при высоких температурах вплоть до 600°С. Материал устойчив к
окислению при температуре до 1400°С. При комнатной температуре он не
взаимодействует ни с какими кислотами. Этим объясняется трудность изготовления
полупроводниковых приборов на его основе.
Сравнение с другими полупроводниками. Карбидокремниевые приборы способны
функционировать при высоких температурах, высокой мощности, устойчивы к радиации.
Все это определяет блестящие перспективы этого полупроводникового материала и
приборов на его основе. Карбид кремния обладает следующими преимуществами по
отношению к другим полупроводникам, например, кремнию или арсениду галлия (см.
рис. 7):






в два-три раза большая ширина запрещенной зоны;
в 10 раз большее поле электрического пробоя;
способность работать при высоких температурах, до 600°С;
теплопроводность в 3 раза больше, чем у кремния, и почти в 10 раз больше, чем у
арсенида галлия;
устойчивость к воздействию радиации;
стабильность электрических характеристик под воздействием температуры и
времени.
Рис. 7 Физические свойства карбида кремния
Большая ширина запрещенной зоны обеспечивает работу при высоких температурах и, в
сочетании с очень высокой теплопроводностью, при очень больших плотностях тока.
Большая величина критической напряженности поля лавинного пробоя, высокая
насыщенная скорость дрейфа и довольно высокая подвижность электронов позволяют
значительно улучшить характеристики приборов силовой электроники.
Излучательные (свето-) диоды (LED диоды)
Светоизлучающий диод - интегральная схема, преобразующая электрический ток в свет.
Основу светодиода, составляет полупроводник с p-n переходом, в котором при
прохождении электрического тока возникает электромагнитное излучение с узкой
полосой частот.
Значение порогового напряжения выше, чем у кремниевого диода. Значение напряжения
затвора зависит от цвета света. Можно получить любые оттенки подбирая разные
структуры. В область p-n перехода при рекомбинации носителей выделяются кванты
энергии в виде тепла (инфракрасного излучения) и в виде света.
Рис. 8 Сравнительные характеристики красного и зелёного диодов
E  h
E – квант (порция энергии)
h – постоянная величина
ν – частота света
Излучение СД возникает в результате спонтанной излучательной рекомбинации
носителей заряда и поэтому является некогерентным, а следовательно относительно
широкополосным и слабонаправленным.
Длину волны излучения
0
определяют как значение,соответствующее максимуму

спектральн ого распределения мощности,а ширину излучаемого спектра 
0 ,5
- как
интервал длин волн, в котором спектральная плотность мощности составляет половину
максимальной. Огибающая спектрального распределения излучения светодиода имеет
примерно форму гауссовской кривой с
 0,5 = 20.....50 нм.

Быстродействие источников излучения оценивается временем нарастания
спада

C

H
и временем
мощности излучения при модуляции импульсами тока накачки прямоугольной
формы достаточной длительности ( t N   H ). Для оценки и обычно используют уровни
0,1 и 0,9 от установившегося значения мощности. Часто быстродействие определяется
максимальной частотой модуляции. Для светодиодов эта частота может достигать 200
Мгц.
Диод Зенера (стабилитрон)
Они обладают способностью начиная с некоторого напряжения проводить ток и в
обратном направлении. Поэтому они очень хорошо подходят для управления
(регулирования) напряжением. Если Z-диод подключить в обратном направлении
параллельно источнику тока, то он ограничивает напряжение на своем номинальном
значении. Стабилитроны изготавливают только из Кремния.
Пробой 3 типов:
1. туннельный (около 4В)
2. лавинный (рабочий)
3. тепловой (разрушение диода)
Ток растет при достижении порогового напряжения 0,7В
Рабочая точка 5В и 3mA
Напряжение пробоя 5В
Рис. 9 Рабочая точка имеет значения 5В и 3mA
Классификация диодов дана в таблице 1.
Таблица 1.
Динамические параметры определяются при переключении диода.
Рис. 10 Схема испытания диода
Рассмотрение процессов включения и выключения выпрямительного диода показывает,
что он не является идеальным ключом, и в определенных условиях обладает
проводимостью в обратном направлении.
Мощность потерь в диоде резко повышается при включении диода и, особенно, при
выключении. Для снижения этих потерь и обеспечения надежной работы диода
применяются схемы формирования динамических процессов – снабберы (snubbers).
Простейшей схемой снаббера является цепь, состоящая из последовательно включенных
сопротивления и емкости (см. Рис.10).
Функция снабберов – уменьшать электрические выбросы на силовых приборах в течение
переключения до уровня, который находится внутри диапазона:
1. ограничения напряжений, приложенных к ключу в течение процесса выключения
2. ограничения токов прибора и их скорости роста в течение включения.
Рис. 11 Снаббер, состоящий из последовательно включенных сопротивления и
емкости resistor-capacitor (RC) snubber circuit
Двунаправленный диод, который может быть включён в проводящее состояние при
достижении определенной величины напряжения, известен как diac.