Випрямними діодами називають напівпровідникові прилади з одним p-n-переходом, що мають два висновки і призначені для випрямлення змінного струму. Другим елементом позначення цих діодів є буква «Д» (КД202А). Умовне графічне зображення випрямного діода показано на рис. 2.1.
Мал. 2.1. Графічне зображення випрямного діода (Іпр - напрямок прямого струму)
Вольт - амперна характеристика (ВАХ) випрямного діода є залежність струму, що протікає в зовнішньому ланцюзі діода, від значення і полярності напруги, що прикладається до нього. Цю залежність можна отримати експериментально або розрахувати за допомогою рівняння вольт - амперної характеристики ідеалізованого p-n-переходу
де: I 0 - зворотний струм насичення;
# 966; Т - температурний потенціал, рівний (0,026 В) при кімнатній температурі (Т = 300 К);
U - напруга, що прикладається до діода.
Теоретичний графік ВАХ випрямного діода, розрахований за допомогою виразу (2.1), представлений на рис. 2.2, а. При збільшенні зворотної напруги Uобр зворотний струм Iобр. протікає через p-n-перехід діода, досягає граничного значення I 0уже при Uобр = 0,1 ... 0,2 В. Слід зазначити, що чим більше ширина забороненої зони напівпровідника і чим вище в ньому концентрація домішок, тим менше величина I 0.
Мал. 2.2. Вольт - амперні характеристики випрямного діода:
а - теоретична; б - експериментальна
При виведенні рівняння (2.1) враховувалися тільки дифузійні компоненти струму, що протікає через pn-перехід, і не враховувалися такі явища, як термогенерации носіїв зарядів в замикаючому шарі pn-переходу, поверхневі витоку струму, падіння напруги на опорі нейтральних областей напівпровідника, а також наявність пробою при підвищенні зворотної напруги. Тому теоретичний графік ВАХ випрямного діода відрізняється від графіка ВАХ, знятого експериментально (рис. 2.2, б).
У реальному діоді при деякому зворотній напрузі спостерігається різке зростання зворотного струму. Це явище називають пробоєм p-n-переходу. Існують три види пробою: тунельний, лавинний і тепловий. Для випрямних діодів найбільше значення має тепловий пробій p-n-переходу, так як він призводить до виходу діода з ладу.
Тепловий пробій діода обумовлений катастрофічним порушенням його теплового режиму. Підводиться до p-n-переходу потужність P = Iобр Uобр витрачається на його нагрівання. Утворені при цьому однойменні носії заряду збільшують зворотний струм, що призводить до збільшення виділеної потужності і подальшого розігріву переходу. При поганих умовах відводу тепла від кристала процес приймає лавиноподібний характер і закінчується руйнуванням кристала, тобто виходом діода з ладу. Збільшення числа носіїв зарядів при нагріванні p-n-переходу приводить до зменшення його опору і виділяється на ньому напруги. Внаслідок цього при тепловому пробої на зворотній галузі ВАХ з'являється ділянку з негативним диференціальним опором (ділянка АВ на рис. 2.2). Так як число носіїв (а значить, і зворотний струм, і виділяється в переході потужність) різко (за експоненціальним законом) збільшуються зі збільшенням температури, то для виключення теплового пробою температура p-n-переходу повинна бути менше допустимої температури переходу. яка для германієвих діодів складає (70-80) о С, а кремнієвих - (120-150) про С. У малопотужних діодах для цього достатньо виконати умову. У потужних діодах крім цього може знадобитися штучне охолодження. Величина є найважливішим параметром діода і наводиться у відповідних довідниках. Зі збільшенням температури зростає зворотний струм діода, і погіршуються умови відводу тепла, тому зі збільшенням температури величина помітно зменшується.
При прямому включенні випрямного діода відмінності теоретичної ВАХ від ВАХ, знятої експериментально, в основному обумовлені опором R 1 електронної та доречний областей за межами замикаючого шару. Якщо опір замикаючого шару позначити через Rзс. то кристал напівпровідника із замикаючим шаром можна представити у вигляді послідовного з'єднання резисторів Rзс і R 1 (рис. 2.3).
При проходженні прямого струму I пр на опорі R 1 падає частина напруги Uпр зовнішнього джерела і на замикаючому шарі діє напруга. У цьому випадку рівняння ВАХ може бути записано в наступному неявному вигляді:
Мал. 2.3. Спрощена еквівалентна схема p-n-переходу
з розподіленим опором напівпровідника
оскільки Uзс Зі збільшенням прямого напруги Uпр опір замикаючого шару Rзс зменшується внаслідок інжекції в нього основних носіїв заряду. При великому значенні Uпр. опором замикаючого шару Rзс можна знехтувати і подальше збільшення прямого струму обмежується розподіленим опором напівпровідників p- і n-типу за межами p-n-переходу. При цьому ВАХ діода переходить в пряму лінію. Основними параметрами випрямних діодів є: - - максимально-допустимий прямий струм, при якому температура діода досягає; - - максимально-допустима зворотна напруга, при якому не відбувається пробою p-n-переходу діода, зазвичай; - пряме і зворотне опору діода постійному струму, що визначаються за його ВАХ (рис. 2.2) з використанням наступних співвідношень: - пряме і зворотне диференціальні опору діода (опору змінному струмі), які визначаються з наступних співвідношень: При цьому значення збільшень струму # 916; I і напруг # 916; U визначаються на лінійній ділянці ВАХ в околиці заданої точки Х (рис. 2.2). Через нелінійності ВАХ діода і обидві ці величини залежать від робочої точки, тобто від величини постійної напруги, прикладеної до діода. Залежно від значення випрямляється струму розрізняють діоди малої. середньої і великої потужності. Діоди малої потужності можуть розсіювати виділяється на них теплоту своїм корпусом. Для розсіювання теплоти діоди середньої потужності розташовують на радіаторах охолодження, для діодів великої потужності може знадобитися і штучне охолодження. Характеристики та параметри випрямних діодів істотно залежать від напівпровідникового матеріалу, в першу чергу від ширини забороненої зони # 916; W. На рис. 2.4 представлені вольт - амперні характеристики германієвого (Ge) і кремнієвого (Si) випрямних діодів, що мають однакову конструкцію і призначених для роботи в одному і тому ж діапазоні струмів і напруг. Так як ширина забороненої зони у кремнію більше, ніж у германію, зворотний струм кремнієвих діодів значно (кілька порядків) менше. У германієвого діода на зворотній галузі ВАХ є яскраво виражений ділянку насичення, оскільки його зворотний струм визначається струмом екстракції, який описується рівнянням (2.1). Зворотний струм кремнієвого діода монотонно зростає зі збільшенням Uобр. так як у кремнієвих діодів струм екстракції дуже малий і зворотний струм визначається головним чином струмами термогенерации і витоку. Мал. 2.4. Вольт - амперні характеристики германієвого (Ge) і кремнієвого (Si) випрямних діодів При подальшому збільшенні зворотної напруги в діодах відбувається пробій. Внаслідок великого зворотного струму у германієвих діодів настає тепловий пробій, що приводить до руйнування кристала. У кремнієвих діодів через малого зворотного потоку ймовірність теплового пробою мала, і у них спочатку виникає електричний пробій, який може перейти в тепловий пробій при занадто великому збільшенні струму. Прямий струм напівпровідникового діода також залежить від # 916; W. так як збільшення # 916; W призводить до збільшення потенційного бар'єру в переході і, отже, до зменшення прямого струму. Порівняння германієвих і кремнієвих діодів легко провести за допомогою формули (2.1): внаслідок меншого значення I0 для кремнієвого діода його прямий струм, рівний току германієвого діода, досягається при більшому значенні прямого напруги. Тому при одних і тих же значеннях Іпр. потужність, що розсіюється германієвими діодами, менше ніж кремнієвими. З цієї ж причини у германієвих діодів істотно менше Uпор і Riпр. На характеристики діодів істотно впливає температура навколишнього середовища. З ростом температури стає інтенсивніше термогенерации носіїв зарядів, що призводить до збільшення як зворотного, так і прямого струму діода, проте причини цього зростання неоднакові. Зворотний струм є струмом неосновних носіїв зарядів, і збільшення їх концентрації в результаті посилення термогенерации безпосередньо веде до зростання зворотного струму. Прямий струм є струмом основних носіїв зарядів, концентрація яких в робочому діапазоні температур від температури не залежить. Однак збільшення концентрації неосновних носіїв зарядів при підвищенні температури призводить до зменшення висоти потенційного бар'єру переходу, що і викликає збільшення прямого струму. Для наближеної оцінки можна вважати, що зі збільшенням температури на 10 О С зворотний струм германієвих діодів зростає в 2, а кремнієвих - в 2,5 рази. Однак внаслідок того, що при кімнатній температурі зворотний струм у германієвого діода значно більше, ніж у кремнієвого, абсолютне значення приросту зворотного потоку у германієвого діода з ростом температури виявляється в кілька разів більше, ніж у кремнієвого. Це призводить до збільшення споживаної діодом потужності, його розігріву і зменшення напруги теплового пробою.