1.3.СИЛОВОЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЙ ДИОД

Силовой полупроводниковый выпрямительный диод (далее просто диод) представляет собой полупроводниковую структуру, состоящую из двух граничащих между собой слоев полупроводника дырочного р- и электронного -типов, образующих один электронно-дырочный переход (рис. 1.4). Стороны слоев полупроводниковой структуры, противоположные сторонам, образующим переход, соединены с металлическими контактами, образующими внешние контактные выводы диода. Вывод, соединенный с -слоем структуры, называется анодным выводом диода А, а вывод, соединенный с -слоем структуры, — катодным выводом диода К. На этом же рисунке приведено символическое изображение диода.

В зависимости от полярности приложенного к внешним выводам диода напряжения он может находиться в одном из двух устойчивых состояний: непроводящем состоянии переход смещен в обратном направлении) и проводящем состоянии 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 перехода изменяется с прямого на обратное) и в динамическом состоянии включения (смещение перехода меняется с обратного на прямое). Реальный силовой диод имеет структуру, показанную на рис. 1.4, 6. Рассмотрим (упрощенно) процессы, происходящие в диоде при различной полярности приложенного к нему напряжения.

Непроводящее состояние силового диода.

Под воздействием обратного напряжения в диоде происходит расширение ООЗ, которое продолжается до тех пор, пока падение напряжения в ООЗ не станет равным , при этом особенность силовых диодов такова, что расширение ООЗ происходит в основном в сторону низкоомной -области, называемой базой диода.

В связи с тем что ширина ООЗ связана с величиной известным соотношением [1.5]

где выражена в микрометрах, — удельное сопротивление материала -базы дано в омах на сантиметр и вольтах, становится ясно, что чем более высоковольтным является диод, тем толще он должен быть. Существует ряд факторов, ограничивающих максимально возможное обратное напряжение, которое может быть приложено к диоду. Одним из важнейших для силовых диодов оказывается явление лавинного пробоя. Суть его состоит в следующем. По мере увеличения прикладываемого к диоду напряжения растет не только ширина ООЗ, но и максимальное электрическое поле внутри этой области. Когда напряженность этого поля начинает превосходить некоторые критические значения [обычно лежащие в диапазоне , возникает лавинное умножение носителей. (Физически этот процесс обусловлен тем, что энергия, приобретаемая подвижным носителем заряда под действием поля за время свободного пробега, становится достаточной для генерации электронно-дырочной пары. В свою очередь, возникшие электрон и дырка вновь разгоняются и рождают еще по паре носителей и т. д.) В результате лавинного умножения ток через диод лавинообразно нарастает (см. рис. 1.3, участок III). Обычно явление лавинного умножения описывают, вводя коэффициенты размножения дырок и электронов , определяемые по довольно сложным формулам [1.6].

Другими важными факторами, ограничивающими напряжение, которое может быть приложено к диоду, являются процессы, происходящие на его поверхности. Дело в том, что, если не принимать специальных мер, пробой вблизи поверхности полупроводника наступает значительно раньше, чем в его объеме. Чтобы избежать этого, силовые диоды имеют специальный профиль поверхности — фаску (рис. 1.5), которая позволяет избежать наступления поверхностного пробоя.

Ток через диод , к которому приложено обратное напряжение, складывается в общем случае из трех компонент: диффузионного тока , тока генерации в и тока поверхностной утечки :

Каждая из компонент по-разному зависит от таких внешних факторов, как напряжение и температура. Кроме того, если для диффузионного и генерационного токов их теоретические зависимости от температуры и напряжения известны [1.6], то построить такую зависимость для поверхностного тока пока не удалось.

Рис. 1.4. Структура и обозначение (в) силового диода

Рис. 1.5. Геометрия реального высоковольтного диода

Среди причин этого следует указать на тот факт, что в ток входят токи утечек через неконтролируемые примеси на поверхности диода. К этому следует добавить, что все теоретические формулы позволяют рассчитать плотности соответствующих токов, однако для расчета полного тока надо еще знать площадь, через которую соответствующий ток протекает. К сожалению, эта величина обычно не известна, так как есть веские основания считать, что ток может протекать не по всей площади диода. Все это приводит к тому, что ток рассматривают обычно как сугубо экспериментальную характеристику диода. Его температурную зависимость чаще всего аппроксимируют выражением [1.2]

где — ток при температуре полупроводника, равной Т; а коэффицент, лежащий в диапазоне .

В отличие от ВАХ, показанной на рис. 1.3, в реальных высоковольтных диодах часто не наблюдают резкого излома ВАХ при переходе от участка II к участку III, т. е. зависимость тока от напряжения имеет вид, показанный на рис. 1.3 пунктиром. ВАХ такого вида называют «мягкой» характеристикой.