Основные параметры диодов

Вольт-амперная характеристика диода. Наиболее полное представле­ние о работе полупроводниковых диодов при стационарном режиме дает вольт-амперная характеристика (рис. 4), т. е. графическая зависимость тока, проходящего через диод, от приложенного к нему напряжения. Вид вольт-амперной характеристики определяется в основном свойства­ми электронно-дырочного перехода. При включении диода в прямом, т. е. проводящем, направлении (правый верхний квадрант) вольт-ампер­ная характеристика имеет круто восходящий участок. При изменении тока, проходящего через диод, падение напряжения в нем при таком включении изменяется мало и при номинальном токе составляет для диодов различных типов от 0, 3 до 3 В. Следовательно, оно значительно меньше, чем в ртутных вентилях, что обусловливает более высокий к.п.д. полупроводниковых выпрямителей.

При включении диода в обратном, т. е. в непроводящем, направле­нии через него протекает малый обратный ток (единицы или десятки миллиампер). Этот ток мало изменяется при возрастании обратного напряжения. Однако при достижении обратным напряжением некоторого максимального значения U _проб (напряжения пробоя) обратный ток резко возрастает. В этом случае происходит электрический пробой дио­да, т. е. пробой его электронно-дырочного перехода.

Для большей наглядности прямую и обратную ветви вольт-амперной характеристики обычно строят в разных масштабах (прямой ток в ампе­рах, а обратный - в миллиамперах, прямое падение напряжения в долях вольта, а обратное напряжение - в вольтах).

Вольт-амперную характеристику диода упрощенно можно рассматри­вать состоящей из трех областей: области насыщения 2 и двух областей пробоя 1 и 3.. В области насыщения ток, проходящий через диод, очень мал и практически не зависит от напряжения, его называют током насыщения I_нас. У диодов ток насыщения равен обратному току I_обр. В двух областях пробоя (в прямом и обратном направлениях) ток через диод нарастает очень быстро при повышении положительного или отри­цательного напряжения. Ток насыщения создается теми носителями электричества, которые при данной температуре способны преодолеть потенциальный барьер. При включении диода в прямом направлении пробой происходит, когда приложенное напряжение превышает некото­рое напряжение отсечки U _о (или пороговое напряжение), при включении в обратном направлении, когда приложенное напряжение больше U _проб.При прямом включении наименьшее падение напряжения при одинаковом токе имеют германиевые диоды и наибольшее — кремниевые. Одна­ко обратный ток в кремниевых диодах в сотни раз меньше, чем в германиевых, и в тысячу раз меньше, чем в селеновых. Кроме того, крем­ниевые вентили могут работать при значительно большем обратном на­пряжении, чем германиевые и особенно селеновые диоды, и при более высокой температуре.

Вольт-амперная характеристика диода может быть использована для определения его основных параметров. По прямой ветви можно определить падение напряжения в диоде при номинальном токе, по обратной ветви - максимально допустимое обратное напряжение и обратный ток при этом напряжении.

Рис. 4. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода

Рис. 5. Схема включения диода (a), кривые выпрямленного тока i, напряже­ния и при нормировании полупроводни­кового прибора по номинальному току и треугольник тока для определения джоулевого интеграла (б)

В ряде случаев в паспортных данных на полупроводниковые диоды, рассчитанные на различные токи, не приводится их вольт-амперная ха­рактеристика, а указываются только отдельные точки этой характерис­тики: прямое падение напряжения при определенном токе (обычно но­минальном), обратный ток при определенном обратном напряжении (обычно при максимально допустимом напряжении).

Предельный ток. Предельным называют ток, который может быть длительно пропущен через полупроводниковый диод, определяемый допустимой температурой его структуры (для кремния 140 °С) и усло­виями охлаждения. При включении диода в прямом направлении потери мощности D Р = I_прU_пр отдаляются прямым током I _пр и падением напряжения в его структуре U. Эти потери называют мощностью рассеяния; она выделяется в виде тепла, которое необходимо отводить от диода. Чем больше ток, тем сильнее нагревается диод. Если мощ­ность D Р мала, то выделяющееся тепло равномерно рассеивается по всей массе диода и температура р-п -перехода возрастает незначительно. Но если мощность рассеяния велика, то возникает недопустимый нагрев структуры и диод выходит из строя. Поэтому для каждого полупровод­никового диода существует предельный ток продолжительного режима. Согласно стандартам этот ток представляет собой максимально допус­тимое среднее за период значение I_пр выпрямленного тока i в однофазной однополупериодной схеме (рис. 5, а) при частоте 50 Гц и работе на активную нагрузку R, который может продолжительно протекать через диод V, не вызывая его недопустимого нагрева и необратимого изме­нения характеристик. При нагрузке диода предельным током перегрузки недопустимы.

Промышленность выпускает полупроводниковые 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 записывают в маркировке диода, например диоды В200 имеют предельный ток 200 А, В320 - 320 А.

Ток, который можно безопасно пропустить через диод, всегда ниже предельного. Чтобы его увеличить, стремятся повысить интенсивность

охлаждения диодов. Для этого их снабжают охладителями, способ­ствующими отводу тепла в окружающую среду, обдувают их потоком воздуха, охлаждают водой или маслом.

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

При кратковременных перегрузках выделяющаяся в структуре энергия сравнительно быстро распространяется по всей массе полупро­водника и температура его не успевает значительно возрасти. При увели­чении же продолжительности прохождения тока эта энергия не может быстро рассеяться и структура полупроводника сильно нагревается. Следовательно, чем выше ток перегрузки, тем меньшее время он должен проходить через полупроводниковый диод. Например, для диодов В200 и В320 можно допустить перегрузку на 25 % в течение 30 с, двойную -в течение 1 с.

Перегрузочную способность диодов часто определяют по ампер-секундной характеристике (рис. 6). Эта характеристика представляет собой зависимость степени перегрузки (отношения максимального тока 1_max, проходящего через диод, к номинальному I_ном) от времени проте­кания максимального тока 1_max, в течение которого температура струк­туры достигает максимально допустимого значения.

Для предохранения структуры диода от недопустимого нагрева при кратковременных перегрузках необходимо, чтобы охладитель наряду с развитой охлаждающей поверхностью и хорошей теплопроводностью имел бы еще достаточно большую теплоемкость. В силовых диодах для этой цели применяют довольно массивные охладители из меди или си­лумина (алюминиевый сплав).

Перегрузочная способность диодов в аварийном режиме характери­зуется одиночным допустимым значением импульса ударного тока сину­соидальной формы 1_УД продолжительностью 10 мс при заданной началь­ной температуре структуры, соответствующей предельному току. После прохождения такого импульса обратное напряжение к диоду не должно прикладываться. Для диода В320, например, допускается перегрузка одиночным импульсом 6500 А при температуре структуры 140 С⁰.

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 площади S (см. рис. 5, б) равнобедренного треугольника с высотой 1_УД ² и основанием 10мс. Этот параметр называют джоулевым интегралом. Так, для диода В320 этот параметр составляет 255 000 А² с при температуре структуры 25° С.

Номинальное напряжение. Напряжение, подаваемое на диод, не должно превосходить некоторого максимального значения U_проб

(см. рис. 12), при котором происходит пробой электронно-дырочного

Рис. 6 Ампер-секундная характеристи­ка

полупроводникового прибора:

1 - после работы с номинальной нагрузкой;

2 - после работы с малым током

пе­рехода Различают четыре разновидности пробоя: зеннеровский, лавин­ный, тепловой и поверхностный.

Зеннеровский пробой возни­кает при высоких значениях напря­женности электрического поля в электронно-дырочном переходе (обычно свыше 7× 10⁵ В/см). Под действием такого сильного электрического поля электроны по­лупроводника могут вырываться из своих связей с атомами в крис­таллической решетке вследствие чего образуется большое число -пар электрон - дырка. При этом резко увеличивается число неос­новных носителей электричества и возрастает создаваемый ими обрат­ный ток через переход. Этот процесс называется эффектом Зеннера; он аналогичен холодной эмиссии электронов из металла под действием сильного электрического поля.

Лавинный пробой возникает при значительно меньших напряженностях электрического поля в переходе и является следствием ударной ионизации атомов полупроводника. При определенных значениях напря­женности поля энергия неосновных носителей электричества, движущих­ся через переход, оказывается достаточной для того, чтобы при столкно­вении их с атомами кристаллической решетки происходил разрыв валентных связей этих атомов со своими электронами. В результате удар­ной ионизации появляются новые свободные электроны и дырки, кото­рые в свою очередь разгоняются полем и создают всевозрастающее число носителей электричества. Этот процесс носит лавинообразный характер и приводит к значительному возрастанию обратного тока через переход. Лавинный пробой происходит обычно в приборах с широким электрон­но-дырочным переходом, при прохождении которого неосновные носи­тели успевают приобрести достаточно высокую скорость.

Тепловой пробой возникает при значительно более низких обратных напряжениях, когда не обеспечивается необходимый отвод тепла от электронно-дырочного перехода. В этом случае переход может нагреться до такой температуры, при которой возможен разрыв валентных связей атомов кристаллической решетки со своими электронами за счет тепло­вой энергии. Это приводит к увеличению числа неосновных носителей, возрастанию обратного тока через переход и, как следствие, к еще боль­шему нагреву и дальнейшему росту тока. Тепловой пробой обычно происходит при значительных перегрузках. Однако при плохом отводе тепла он возникает даже при небольших токах нагрузки и малых обрат­ных напряжениях.

Неоднородность кристаллической структуры диода способствует возникновению теплового пробоя, так как в результате этого прямой ток распределяется неравномерно по площади электронно-дырочного перехода, вызывая местный недопустимый нагрев.

Поверхностный пробой является следствием неудовлетворительного состояния поверхности диода. В реальных условиях пробой диода возни­кает в результате одновременного действия нескольких факторов. При пробое электронно-дырочный переход теряет свои вентильные свойства: сопротивление его резко падает, а обратный ток сильно возрастает. В нелавинных диодах пробой электронно-дырочного перехода приводит к выходуих из строя из-за резкого повышения температуры. Для каждо­го диода существует определенное номинальное обратное напряжение U_обр, при котором он может работать длительное время без опасности пробоя.

Кремниевые диоды имеют значительно большее пробивное напряжение, чем германиевые, и могут поэтому работать при больших номиналь­ных обратных напряжениях. Объясняется это тем, что в кремнии для разрыва валентной связи между атомами и образования пары электрон — дырка требуется затратить примерно в 1, 5 раза большую энергию, чем в германии. Следовательно, для того чтобы в кремниевых вентилях неос­новные носители электричества могли накопить энергию, достаточную для разрыва этих связей и образования лавинного пробоя, требуется приложить соответственно большее обратное напряжение.

При пробое в результате приложения обратного напряжения диод выходит из строя даже тогда, когда рассеянная в нем мощность в сотни раз меньше той мощности, которую он выдерживает без всякого вреда при протекании тока в прямом направлении. Это объясняется тем, что при подаче прямого напряжения электрическое сопротивление р-п- перехода распределяется более или менее равномерно по всей его площа­ди, что приводит к равномерному распределению в нем тока и равно­мерному выделению тепла. При обратном же напряжении ток сосредото­чивается только в отдельных точках перехода — в местах, где в крис­таллической решетке имеются структурные дефекты (дислокации). В результате обратный ток проходит не по всей площади перехода, а по отдельным микроканалам (микроплазмам), в которых и происходит выделение всего образовавшегося тепла. Поэтому диод пробивается при мощности рассеяния в сотни раз меньше той, которую он мог бы выдер­жать при равномерном распределении обратного тока. В выпрямительных установках, работающих при высоких напряжениях, это обстоя­тельство заставляет принимать специальные меры для предотвращения пробоя диодов. Однако существуют и такие диоды, для которых про­бой не представляет опасности, так как после пробоя они полностью сохраняют свои вентильные свойства. Эти диоды называются лавинными. Лавинные диоды нашли широкое применение на электрическом подвиж­ном составе.

Имеются также диоды, для которых режим пробоя является норма­льным рабочим режимом. Их называют стабилитронами, или опорными диодами. Значение обратного тока в этих диодах в режиме пробоя выби­рают таким, чтобы не происходило недопустимого местного нагрева структуры.

В реальных сетях, питающих выпрямительные установки, форма напряжения отличается от синусоидальной, поскольку на не­го влияют различные коммутационные процессы. Такое несинусоидаль­ное напряжение характеризуется повторяющимся амплитудным значе­нием и неповторяющимся. Значение повторяющегося напряжения определяется коммутационными процессами в самом преобразователе. Неповторяющиеся напряжения возникают в результате коммутационных процессов, протекающих в электрооборудовании, питающемся от той же сети, к которой подклю­чена выпрямительная установка. Так, например, в момент отключения индуктивных цепей автоматическим выключателем может возникнуть разовое неповторяющееся напряжение. Все повышения напряжения выше значения амплитуды питающего напряжения могут вызвать уве­личение обратного тока и, как следствие, пробой р-п -перехода.

Для полупроводниковых приборов (диодов и тиристоров) норми­руется также значение рекомендованного рабочего напряжения синусои­дальной формы 3, которое ниже значений повторяющегося и неповто­ряющегося напряжений (составляет примерно 65 % от него).

Полупроводниковый диод выбирают так, чтобы амплитуда синусои­дального питающего напряжения не превосходила значения рекомендо­ванного рабочего напряжения.

В зависимости от допустимого повторяющегося напряжения диоды и тиристоры подразделяются на ряд классов; классы обозначаются циф­рами 1, 3, 5 и т. д.

Класс вентиля определяет число сотен вольт повторяющегося напря­жения. Например, диод класса 8 рассчитан на 800 В повторяющегося напряжения, диод класса 12 - на 1200 В. Повторяющееся обратное на­пряжение меньше напряжения U_проб, соответствующего началу загиба обратной ветви вольт-амперной характеристики (это напряжение прикла­дывают к диодам только при их испытаниях).Обычно повторяющееся обратное напряжение для нелавинных диодов составляет 0, 5 U_проб, a для лавинных -0, 8 U_проб.

Максимальный обратный ток. Амплитудным значением обратного тока называют ток, протекающий через диод в обратном (запирающем) направлении при приложении к нему повторяющегося напряжения. Этот ток зависит от класса диода и его типа (предельного тока). Максималь­ный обратный ток при наибольшей температуре для диодов, применяе­мых на э.п.с., не должен превышать 12 мА, а для тиристоров — 40 мА. Для лавинных диодов ограничивается также допустимая энергия импу­льса обратного тока, которая не должна превышать 1 Дж при длитель­ности 100 мкс и частоте подачи импульсов 0, 3 Гц.

Германиевые диоды при прочих равных условиях имеют значительно более высокое значение обратного тока. Меньшее значение обратного тока в кремниевых диодах объясняется тем, что из-за большей энергии, требуемой для образования пары электрон-дырка, число неосновных носителей электричества в кремнии (при одинаковой температуре) меньше, чем в германии. Следовательно, меньше будет и концентрация неосновных носителей, определяющая обратный ток. По этой причине кремниевые вентили имеют лучшие вентильные свойства, чем германиевые.

Прямое падение напряжения. За номинальное значение падения напряжения принимают амплитуду прямого падения напряжения на диоде при прохождении импульса тока, равного 3, 14 значения предельно­го тока (амплитуда тока в однофазной однополупериодной схеме по­казана на рис. 5) и температуре полупроводниковой структуры 25°С. Для силовых кремниевых диодов это напряжение не превышает 1, 07— 1, 8 В в зависимости от типа вентиля. Диоды, применяемые для паралле­льного включения (например, преобразователей электровозов), марки­руют также на группы по прямому значению падения напряжения D U. При замене поврежденного диода обязательно устанавливают диод той же группы.

Прямое и обратное сопротивления. Полупроводниковый диод представляет собой нелинейное сопротивление, которое зависит от при­ложенного напряжения и проходящего по вентилю тока. Поэтому следу­ет различать его статическое и динамическое сопротивления.

Статическое сопротивление характеризует сопротивление диода постоянному току. Оно равно отношению напряжения, приложенного к диоду, к протекающему по нему току при некотором заданном режи­ме (при неизменном токе). Прямое сопротивление R_пр = U_пр /I_пр = tga может быть определено из вольт-амперной характеристики по наклону прямой ОА, соединяющей точку О начала координат с точкой А, соответствующей заданному режиму работы вентиля при прямом вклю­чении (рис. 7, а).

Рис. 7. Определение статического (а) и динамического (б) сопротив­лений диода по вольт-амперной характеристике

Динамическое сопротивление характеризует свойства диода по отношению к малым приращениям или к переменным составляющим, наложенным на относительно большие постоянные токи или напряже­ния, и может резко отличаться от сопротивлений постоянному току. Прямое динамическое сопротивление равно отношению приращения напряжения DU_пр, приложенного к диоду, к приращению тока DI_пр, т.е. R_Д.пр=DU_пр/DI_пр

Из вольт-амперной характеристики динамическое сопротивление определяют по наклону касательной в данной точке А, соответствующей некоторому заданному режиму работы диода (рис. 7, б). Статическое и динамическое сопротивления диода сильно зависят от режима его ра­боты. При увеличении прямого напряжения эти сопротивления умень­шаются, при увеличении обратного напряжения возрастают. Обычно R_Д.пр определяют по углу наклона идеализированной характеристики (см. рис. 4) — прямой 4, проходящей через две точки с ординатами, равными 1, 57 I_пр и 4, 71 I_пр, и пересекающей ось напряжения в точке, соответствующей U₀. Напряжение U₀ называют пороговым: для различ­ных типов приборов оно составляет от 0, 8 до 1, 5 В.

Для диодов, работающих в импульсном режиме, в паспортных дан­ных указывают также прямое импульсное сопротивление — отношение максимального всплеска прямого напряжения к вызывающему его импульсу тока. Импульсное сопротивление может заметно превышать статическое сопротивление.

Температурный режим. Свойства р-п- перехода существенно зави­сят от температуры. Проводимость его в прямом направлении получает­ся достаточно высокой даже принизких температурах (-60° С), так как для отрыва валентных электронов основного полупроводника и элект­ронов-примесей от их атомов требуется сравнительно небольшая энергия.

При повышении температуры увеличиваются тепловые колебания электронов основного полупроводника и некоторые из них отрываются от своих атомов в кристаллической решетке. Поэтому в полупроводни­ке увеличивается число образующихся пар электрон - дырка, повыша­ется концентрация неосновных носителей электричества, отданных ато­мами основного полупроводника, и соответственно снижается концентрация носителей, обусловленных наличием атомов примесей. Следовате­льно, чем выше температура, тем 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 типов пир выравни­вается, электрическое поле в этом месте исчезает и р-п- переход при высоких температурах теряет свои выпрямляющие свойства. Для германиевых диодов верхний температурный предел, при котором они перес­тают нормально работать, составляет 70-90°С. У кремниевых диодов для отрыва валентного электрона от атома кремния требуется большая энергия, поэтому они могут работать при температуре 125—140° С.

В температурном диапазоне, где возможна нормальная работа полу­проводниковых диодов, все их характеристики существенно зависят от температуры. Например, ток проводимости, который определяет значе­ние обратного тока, проходящего через диод, сильно зависит от числа неосновных носителей, обусловленных электронами и дырками основно­го полупроводника. Так как число их растет с увеличением температуры, то соответственно возрастает и обратный ток диода. Прямой ток диода при повышении температуры также возрастает, что обусловливает умень­шение падения напряжения в диоде при заданном токе (сопротивление диода в прямом направлении уменьшается с ростом температуры).

Так как при повышении температуры ухудшается отвод тепла от р-п -перехода и возрастает обратный ток, в этом случае необходимо снижать допустимые значения номинального (прямого) тока диода и обратного напряжения.

Частотные характеристики. Эффективность работы полупроводни­ковых приборов в цепях переменного тока зависит в значительной степе­ни отих емкости. Электронно-дырочный переход обладает определенной емкостью, которая зависит от площади перехода, диэлектрической про­ницаемости полупроводника и концентрации в нем носителей электри­чества.

При работе на высоких частотах емкостное сопротивление уменьша­ется и обратный ток может пройти через емкость р-п- перехода, несмот­ря на его большое активное сопротивление. Это нарушает нормальную работу прибора, так как переход теряет свое свойство односторонней проводимости. Поэтому для работы при высоких частотах используют полупроводниковые приборы, у которых площадь р-п- перехода незна­чительна и собственная емкость мала.

В паспортных данных на выпрямительные диоды и силовые ти-ристоры обычно указывают наивысшую рабочую частоту, при которой может работать диод. Силовые диоды, применяемые на э.п.с., рассчитаны на работу в цепях с частотой до 500 Гц. Иногда указывается емкость диода (проходная емкость) или же выпрямленный ток на высокой час­тоте.

При работе диодов в цепях с импульсными токами электрический заряд, накопленный в диоде, исчезает не сразу после выключения прямо­го тока. Это приводит к тому, что большое обратное сопротивление диод также приобретает не мгновенно после подачи на него обратного напря­жения. В паспортных данных на некоторые диоды и тиристоры указыва­ют так называемое время восстановления — время от момента переклю­чения напряжения с прямого на обратное, по истечении которого обрат­ный ток уменьшается до определенного значения. Время восстановления для силовых кремниевых тиристоров составляет 70-250 мкс, для быстродействующих тиристоров - от 20 до 50 мкс.

Для работы в цепях с повышенной, частотой до 100 к Гц выпускают специальные частотные диоды (вентили высокочастотные - ВЧ). Благо­даря специальной технологии изготовления время запирания этих дио­дов составляет около 1 мкс, а р-п -переход обладает малой емкостью.