Расчет и проектирование диода на основе кремния (стр. 2 из 5)
Рисунок 1.2. - Принцип устройства точечного диода
Принцип устройства точечного диода показан на рис. 1.2. Тонкая заостренная проволочка (игла) с нанесенной на нее примесью приваривается при помощи импульса тока к пластинке полупроводника с определенным типом электропроводности. При этом из иглы в основной полупроводник диффундируют примеси, которые создают область с другим типом электропроводности. Этот процесс называется формовкой диода. Таким образом, около иглы образуется миниатюрный n-р-переход полусферической формы. Следовательно, разница между точечными и плоскостными диодами заключается в площади n - перехода [6] .
1.2 Параметры полупроводниковых диодов
Рабочий интервал температур.
При повышении температуры растет собственная электропроводность проводника (увеличивается генерация пар носителей заряда электрон-дырка), растет ток насыщения и растет вероятность пробоя p-n перехода.
Максимально допустимая температура перехода тем больше, чем шире запрещенная зона полупроводника. Так для германиевых диодов допустимый интервал температур окружающей среды лежит в пределах
, а для кремниевых в пределах 
. При понижении температуры увеличивается сопротивление диода как прямое, так и обратное, а также появляется вероятность механических повреждений кристалла из-за увеличивающейся хрупкости.Допустимое обратное напряжение
Обычно за допустимое обратное напряжение принимается величина:
где
- напряжение, при котором возникает пробой p-n перехода.Значение
зависит от температуры и от удельного сопротивления полупроводника 
. Последнее объясняется тем, что напряженность поля p-n перехода, а значит и напряжение пробоя зависят от ширины перехода, которая в свою очередь зависит от концентрации примесей, т.е. от удельного сопротивления полупроводника. Так как p-n переход тем шире, чем больше удельное сопротивление полупроводника, то и будет тем больше, чем больше удельное сопротивление исходного материала.Если требуется получить большое выпрямленное напряжение, при котором к диоду будет приложено обратное напряжение большее, чем допустимое, применяют последовательное включение диодов. Так как величины обратных сопротивлений диодов не одинаковы, то обратные напряжения при последовательном включении распределяются между диодами неравномерно и диод, имеющий большее обратное сопротивление, может быть пробит. Во избежание этого каждый из последовательно включенных диодов шунтируют сопротивлением такой величины, чтобы распределение напряжений на диодах в основном определялось этими сопротивлениями.
Допустимый выпрямленный ток
Так как при протекании тока возрастает температура перехода, то величина допустимого тока ограничивается допустимой температурой перехода. Для того, чтобы получить выпрямленный ток больше допустимой величины, можно включить несколько диодов параллельно. Так как диоды обладают разным прямым сопротивлением, то токи распределяются равномерно и может оказаться, что ток, протекающий через диод с наименьшим сопротивлением, превысит допустимое значение. Во избежание этого последовательно с каждым из диодов включается сопротивление.
Предельно допустимая мощность рассеивания
.Предельно допустимая мощность рассеивания зависит от конструкции диода, так и от температуры окружающей среды, т.е. от условий охлаждения.
Очевидно, что рабочие режимы в схемах надо выбирать так, чтобы:
где I - ток, протекающий через диод,
U - напряжение, приложенное к диоду.
1.3 Силовые полупроводниковые выпрямительные диоды
Силовой (мощные) полупроводниковый выпрямительный диод (далее просто диод) представляет собой полупроводниковую структуру, состоящую из двух граничащих между собой слоев полупроводника дырочного р- и электронного n-типов, образующих один электронно-дырочный переход (рис. 1.3). Стороны слоев полупроводниковой структуры, противоположные сторонам, образующим р-n-переход, соединены с металлическими контактами, образующими внешние контактные выводы диода. Вывод, соединенный с р-слоем структуры, называется анодным выводом диода А, а вывод, соединенный с n-слоем структуры, катодным выводом диода К. На этом же рисунке приведено символическое изображение диода.
Рисунок 1.3. - Структура (а, б) и обозначение (в) силового диода
Выпрямительные диоды применяются для преобразования переменного тока низкой частоты (до 50кГц) в ток одного направления (выпрямление переменного тока). Обычно рабочие частоты выпрямительных ПД малой и средней мощности не превышают 20 кГц, а диодов большой мощности - 50 Гц.
Возможность применения p-n перехода для целей выпрямления обусловлено его свойством проводить ток в одном направлении (ток насыщения очень мал).
В связи с применением выпрямительных диодов к их характеристикам и параметрам предъявляются следующие требования:
а) малый обратный ток
;б) большое обратное напряжение;
в) большой прямой ток;
г) малое падение напряжения при протекании прямого тока.
Для того чтобы обеспечить эти требования, выпрямительные диоды выполняются из полупроводниковых материалов с большой шириной запрещенной зоны, что уменьшает обратный ток, и большим удельным сопротивлением, что увеличивает допустимое обратное напряжение. Для получения в прямом направлении больших токов и малых падений напряжения следует увеличивать площадь p-n перехода и уменьшать толщину базы.
Выпрямительные диоды изготавливаются из германия (Ge) и кремния (Si) с большим удельным сопротивлением, причем Si является наиболее перспективным материалом.
Кремниевые диоды, в результате того, что Si имеет большую ширину запрещенной зоны [1] , имеют во много раз меньшие обратные токи, но большее прямое падение напряжения, т.е. при равной мощности, отдаваемой в нагрузку, потеря энергии у кремниевых диодов будет больше. Кремниевые диоды имеют большие обратные напряжения и большие плотности тока в прямом направлении.
Зависимость вольтамперной характеристики кремниевого диода от температуры показана на рис.2.2.
Рисунок 1.4 - Вольтамперная характеристика полупроводникового диода
Из рисунка 1.4 следует, что ход прямой ветви вольтамперных характеристик при изменении температуры изменяется незначительно. Это объясняется тем, что концентрация основных носителей заряда при изменении температуры практически почти не изменяется, т.к. примесные атомы ионизированы уже при комнатной температуре.
Количество неосновных носителей заряда определяется температурой и поэтому ход обратной ветви вольтамперной характеристики сильно зависит от температуры, причем эта зависимость резко выражена для германиевых диодов. Величина напряжения пробоя тоже зависит от температуры. Эта зависимость определяется видом пробоя p-n перехода. При электрическом пробое за счет ударной ионизации
возрастает при повышении температуры. Это объясняется тем, что при повышении температуры увеличиваются тепловые колебания решетки, уменьшается длина свободного пробега носителей заряда и для того, чтобы носитель заряда приобрел энергию достаточную для ионизации валентных связей, надо повысить напряженность поля, т.е. увеличить приложенное к p-n переходу обратное напряжение. При тепловом пробое при повышении температуры уменьшается.В некотором интервале температур для германиевых диодов пробой чаще всего бывает тепловым (ширина запрещенной зоны Ge невелика), а для кремниевых диодов - электрическим. Это определяет значения
при заданной температуре. При комнатной температуре значения для германиевых диодов обычно не превышают 400В, а для кремниевых - 1500В.В зависимости от полярности приложенного к внешним выводам диода напряжения он может находиться в одном из двух устойчивых состояний: непроводящем состоянии (р-n переход смещен в обратном направлении) и проводящем состоянии (р-n переход смещен в прямом направлении), при условии, что значения приложенного напряжения и протекающего тока будут находиться в допустимых пределах. При изменении полярности напряжения, приложенного к внешним выводам, диод может находиться в динамическом состоянии выключения (смещение р-n перехода изменяется с прямого на обратное) и в динамическом состоянии включения (смещение р-n перехода меняется с обратного на прямое). Реальный силовой диод имеет структуру, показанную на рис. 2.1, б. Рассмотрим (упрощенно) процессы, происходящие в диоде при различной полярности приложенного к нему напряжения.