Випрямляючі діоди

 

Випрямляючі діоди призначені для перетворення змінного струму пониженої частоти в постійний і вони розподіляються на випрямляючі діоди I_випр < 10 А та силові вентилі (I_сер > 10 А). Гранична робоча частота випрямляючих діодів не перевищує 5…20 кГц. Останнім часом в нашій країні розроблені та серійно випускаються силові вентилі типу ВЧ, що працюють на частотах 200 кГц.

Основою випрямляючого діода є напівпровідникова прямокутна або круглої форми пластина з p-n переходом. На пластину з двох сторін наносять металеві контакти, до яких під’єднуються зовнішні електроди. Отриманий випрямляючий елемент розміщзують в корпус, що забезпечує необхідну механічну міцність та захист від дії навколишнього середовища.

Мінімальна товщина напівпровідникової пластини залежить від її механічної міцності. Завдяки цьому ширина базової області p-n переходу набагато більше ширини емітерної області. Для виготовлення діодів як вихідний матеріал використовують напівпровідники n -типу, і тому базова область діода має електронну провідність і концентрація домішок в базі набагато менша, ніж в емітері, тому опір бази набагато більший за опір емітера і приблизно рівний по величині опору p-n переходу. Площа p-n переходу залежить від допустимої величини струму, але максимальна величина площі визначається механічною міцністю напівпровідникової пластини, яка в свою чергу залежить від якості контактів металевих електродів та напівпровідників, які мають різні коефіцієнти лінійного розширення. Тому в процесі експлуатації при багаторазових циклах нагріву (за рахунок протікання прямого струму) та охолодження можливе розтріскування напівпровідниковіх пластинок великої площі через явище стомлювання.

ВАХ та параметри випрямлюючого діоду відрізняються від аналогічних для ідеального p-n переходу завдяки впливу ширини базової області, якості контактів та поверхні напівпровідника.

Ця різниця показана на рис. 2.8 де приведена ВАХ ідеального переходу (крива 1) і реального діода (крива 2). Прямі гілки ВАХ відрізняються на величину ∆U, що являє собою суму падінь напруги на контактах U_К в областях емітера U_Е і бази U_Б: ∆U = U_К +U_Е + U_Б.

Для наближених розрахунків можна знехтувати падінням напруги в області емітера та на контактах, опір яких набагато менший опору бази.

Рисунок 2.8 – Вольт-амперна характеристика випрямляючого діода

 

З урахуванням цього припущення ВАХ діода можливо описати рівнянням

 

,

 

яке справедливе для невеликих ділянок ВАХ, що характеризуються низькими значеннями прикладеноїнапруги (прямої і зворотної).

При підвищенні прямої напруги потенціальний бар’єр p-n переходу дещо знижується і практично перестає впливати на прямий струм діода, значення якого в основному залежить від опору базової області. Внаслідок цього струм діоду лінійно залежить від напруги.

Цей відрізок прямої гілки ВАХ, що називається омічним, описується наближеним рівнянням

 

І = (U – U₀)/R_д ,

 

де U₀ – напруга відсікання, рівна відрізку, що відсікається на осі напруг лінійною частиною характеристики;

R_д – динамічний опір, що характеризує нахил лінійної частини характеристики (рис. 2.9).

Опір R_д збільшується при підвищенні температури. Про це свідчить зменшення кута нахилу з підвищенням температури. Параметри U₀ і R_д знаходяться з ВАХ (рис. 2.9) або приймаються рівними U₀ =(0,4...0,7)φ₀ , R_д = r_б .

На кривій зворотного струму І_зв діода відсутня дільниця насичення, характерна для ідеального діода з p-n переходом. Ріст струму зумовлений ефектами генерації і лавинного розмноження носіїв заряду в об’ємі p-n переходу, а також впливом поверхневих струмів втечі.

 

Рисунок 2.9 – Вольт-амперна характеристика випрямляючого діода

 

Рівняння для зворотного струму має вигляд

 

I_ЗВ = М(I₀ + І_T)+I_вт ,

 

де М – коефіцієнт лавинного розмноження носіїв заряду, який залежить від властивостей напівпровідникових областей, що створюють p-n перехід , а також від величини зворотної напруги;

I₀ – струм насичення, зумовлений генерацією носіїв заряду за межами області p-n переходу;

I_T – струм термогенерації, зумовлений генерацією носіїв заряду в області p-n переходу;

I_вт – струм втечі, зумовлений поверхневою електропровідністю поверхні напівпровідника у p-n переході.

Вітчизняною промисловістю випускається широка номенклатура германієвих і кремнієвих випрямляючих діодів на струми до 500 А і на зворотні напруги до 1000 В.

Найпростіша схема випрямляча на напівпровідниковому діоді має вигляд, наведений на рис. 2.10.

 

Рисунок 2.10 – Схема випрямляча на напівпровідниковому діоді

В селеновому випрямлячі p-n структуру складає дірковий полікристалічний селен, який знаходиться в стальній або алюмінієвій підкладці і покриваючий з зовнішньої сторони тонким шаром селеніда кадмія, який має електронну провідність.

2.6 Тунельні діоди

 

Тунельними діодами називаються напівпровідникові діоди, p-n перехід яких утворюється з двох вироджених напівпровідників. Виродженими називають напівпровідники з високою концентрацією носіїв заряду порядка 10¹⁹ См^-3 і більше

В 1958 році було встановлено, що такі напівпровідники мають аномальну ВАХ (рис. 2.11). На відміну від інших діодів вони добре проводять струм не тільки в прямому, але й в зворотньому напрямках, а на прямій гілці ВАХ має місце ділянка струму. Аномальний хід характеристики сильно легованих p-n структур зумовлений, як було встановлено, тунельним ефектом. Як відомо, частинка, що має енергію, недостатню для проходження через потенціальний бар’єр, може все ж таки пройти крізь нього, якщо з другої сторони цього бар’єру є такий же вільний енергетичний рівень, який займала частинка перед бар’єром. Це явище називається тунельним ефектом. В квантовій механіці показується, що ймовірність тунельного переходу тим вища, чим вужчий потенціальний бар’єр і чим менша його висота. Тунельний перехід здійснюється електронами без витрат енергії.

 

Рисунок 2.11 – Вольт-амперна характеристика тунельного діода

 

В звичайних діодах, які мають концентрацію домішок в менш легованій області 10¹⁷ 1/см³, товщина p-n переходу порівняно велика і ймовірність тунельного переходу мала.

В тунельних діодах завдяки високій концентрації товщина p-n переходу становить 0,01 мкм, тобто бар’єр є дуже вузьким. В цих умовах ймовірність тунельного переходу електронів через бар’єр виявляється значною, що і призводить до зміни вигляду його характеристики.

Розглянемо енергетичну діаграму сильно легованої p-n структури при різних значеннях прикладеної до неї напруги. Внаслідок високої концентрації домішок локальні рівні в такій структурі перетворюються в суцільну зону, а рівень Фермі зміщується в зону провідності в n–області і в валентну зону p-області. Напівпровідники такого типу називаються виродженими. Енергетична діаграма тунельного діоду при нульовому зміщенні приведено на рис. 2.12. Штриховкою показані енергетичні рівні, які заповнені електронами. В цьому випадку електрони можуть здійснювати тунельні переходи в обох напрямках; в стані рівноваги сумарний струм дорівнює нулю.

 

 

Рисунок 2.12 – Енергетична діаграма тунельного діода

 

Якщо на тунельний діод подано зворотню напругу, то енергетичні зони зміщуються таким чином, що напроти заповнених рівнів валентної зони p-області розміщуються вільні рівні зони провідності n-області (рис. 2.13). При цьому домінуючим буде потік електронів, які здійснюють тунельний перехід із валентної зони p-області в зону провідності n-області, що приведе до зростання зворотнього струму діода. Нагадаємо, що в звичайних діодах зворотній струм невеликий, оскільки він створюється за рахунок екстракції неосновних носіїв, які мають малу концентрацію.

Якщо на тунельний діод подано пряме зміщення, то заповнені рівні зони провідності n-області розміщуються напроти пустих рівнів валентної зони p- області і починає домінувати тунельний перехід електронів із зони провідності n-області в валентну зону p-області (рис. 2.14).

 

 

Рисунок 2.13 – Енергетична діаграма тунельного діода при подачі зворотної напруги

 

Рисунок 2.14 – Енергетична діаграма тунельного діода при прямому зміщенні

 

Тунельний струм, який створюється за рахунок цих переходів, має значно більшу величину ніж звичайний дифузійний струм, який показаний на характеристиці пунктиром (рис. 2.15). Він досягає максимального значення коли рівень Фермі p-області співпадає з верхнім рівнем валентної зони p-області, що відповідає напрузі на діоді порядка 40…50 мВ для германієвих діодів і 100…150 мВ для діодів із арсенід галію. При подальшому збільшенні прямого зміщення перекриття заповнених і пустих рівнів зменшується і тунельний струм падає. Коли зона провідності n-області повністю встане навпроти забороненої зони p-області, тунельний струм повинен впасти до нуля і в діоді повинна залишитись лише дифузійна складова струму. Однак в цьому режимі через діод тече надлишковий струм, який визначається локальними рівнями в забороненій зоні.