Электронно-дырочный переход
В основе принципа действия большинства полупроводниковых приборов лежат явления и процессы, возникающие на границе между двумя областями полупроводника с различными типами электрической проводимости – электронной (n-типа) и дырочной (р-типа). В области n-типа преобладают электроны, которые являются основными носителями электрических зарядов, в р-области таковыми являются положительные заряды (дырки). Граница между двумя областями с различными типами проводимости называется р-п-переходом.
Функционально диод (рис. 1.) можно считать неуправляемым электронным ключом с односторонней проводимостью. Диод находится в проводящем состоянии (замкнутый ключ), если к нему приложено прямое напряжение.
Рис. 1. Условно-графическое обозначение диода
Ток через диод iF определяется параметрами внешней цепи, а падение напряжения на полупроводниковой структуре имеет небольшое значение. Если к диоду приложено обратное напряжение, то он находится в непроводящем состоянии (разомкнутый ключ) и через него протекает небольшой ток. Падение напряжения на диоде в этом случае определяется параметрами внешней цепи.
Защита силовых диодов
Наиболее характерными причинами электрического повреждения диода являются высокая скорость нарастания прямого тока diF/dt при его включении, перенапряжения при выключении, превышение максимального значения прямого тока и пробой структуры недопустимо большим обратным напряжением.
При высоких значениях diF/dt возникает неравномерная концентрация носителей заряда в структуре диода и, как следствие этого, локальные перегревы с последующим повреждением структуры. Основной причиной высоких значений diF/dt является малая индуктивность в контуре, содержащем источник прямого напряжения и включенный диод. Для снижения значений diF/dt последовательно с диодом включается индуктивность, которая ограничивает скорость нарастания тока.
Для уменьшения амплитудных значений напряжений, прилагаемых к диоду при отключении цепи, используется соединённые последовательно резистор R и конденсатор C – так называемая RC-цепь, подключаемая параллельно диоду.
Для защиты диодов от токовых перегрузок в аварийных режимах используются быстродействующие электрические предохранители.
Основные типы силовых диодов
По основным параметрам и назначению диоды принято разделять на три группы: общего назначения, быстровосстанавливающиеся диоды и диоды Шоттки.
Диоды общего назначения
Эта группа диодов отличается высокими значениями обратного напряжения (от 50 В до 5 кВ) и прямого тока (от 10 А до 5 кА). Массивная полупроводниковая структура диодов ухудшает их быстродействие. Поэтому время обратного восстановления диодов обычно находится в диапазоне 25-100 мкс, что ограничивает их использование в цепях с частотой выше 1 кГц. Как правило, они работают в промышленных сетях с частотой 50 (60) Гц. Прямое падение напряжения на диодах этой группы составляет 2,5-3 В.
Силовые диоды выпускаются в различных корпусах. Наибольшее распространение получили два вида исполнения: штыревой и таблеточный (рис. 2 а, б).
Рис. 2. Конструкция корпусов диодов: а – штыревая; б – таблеточная
Быстровосстанавливающиеся диоды. При производстве этой группы диодов используются различные технологические методы, уменьшающие время обратного восстановления. В частности, применяется легирование кремния методом диффузии золота или платины. Благодаря этому удается уменьшить время обратного восстановления до 3-5 мкс. Однако при этом снижаются допустимые значения прямого тока и обратного напряжения. Допустимые значения тока составляют от 10 А до 1 кА, обратного напряжения - от 50 В до 3 кВ. У наиболее быстродействующих диодов время обратного восстановления составляет 0,1-0,5 мкс. Такие диоды используются в импульсных и высокочастотных цепях с частотами 10 кГц и выше. Конструкции диодов этой группы подобны конструкциям диодов общего назначения.
Диоды Шоттки
Принцип действия диодов Шоттки основан на свойствах области перехода между металлом и полупроводниковым материалом. Для силовых диодов в качестве полупроводника используется обедненный слой кремния n-типа. При этом в области перехода со стороны металла имеет место отрицательный заряд, а со стороны полупроводника – положительный.
Особенностью диодов Шоттки является то, что прямой ток обусловлен движением только основных носителей – электронов. Отсутствие накопления неосновных носителей существенно уменьшает инерционность диодов Шоттки. Время восстановления составляет обычно не более 0,3 мкс, падение прямого напряжения примерно 0,3 В. Значения обратных токов в этих диодах на 2-3 порядка выше, чем в диодах с p-n-переходом. Предельное обратное напряжений обычно не более 100 В. Они используются в высокочастотных и импульсных цепях низкого напряжения.