3. Диоды

Диоды-полупроводники, которые пропускают ток в одном направлении. Выводы диода называются анодом А и катодом К. На рис. 3.1 показано условное обозначение диода. Если приложено положительное напряжение то диод работает в прямом направлении.

Рис. 3.1. Услрвное обозначение диода.

При отрицательном напряжении диод заперт. Обратный ток всегда на несколько порядков меньше, чем прямой.

3.1. ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ

Режим работы диода определяется его характеристикой Типовая характеристика диода представлена на рис. 3.2. Прямой ток резко возрастает при малых положительных напряжениях Однако он не должен превышать определенного максимального значения так как иначе произойдет перегрев и диод выйдет из строя. Приближенно ход характеристики может быть описан значениями прямого напряжения при токах порядка Для германия находится в пределах от 0,2 до 0,4 В, для кремния - от 0,5 до 0,8 В.

Из рис. 3.2 видно, что обратный ток при напряжениях возрастает до значений, соизмеримых с прямым током. Обычные диоды в этой области не могут работать, так как в них происходит локальный перегрев, приводящий к выходу их из строя. Максимальное обратное напряжение определяется конструкцией диода и находится в пределах 10 В

Рис. 3.2. Характеристика диода.

Характеристику диода можно аппроксимировать с помощью экспоненциальной функции [3.1]:

где теоретический обратный ток, термический потенциал. При комнатной температуре

Поправочный коэффициент, учитывает отклонение от теории диода Шокли. Он находится в пределах 1-2.

Уравнение (3.1) описывает характеристику реального диода только в прямом направлении и для небольших токов. Реальный обратный ток диода значительно больше, чем а обратное напряжение необходимо определять на основании поверхностного эффекта.

На рис. 3.3 показаны характеристики, рассчитанные согласно формуле (3.1) для кремниевого и германиевого диодов со следующими типовыми данными: германиевый диод:

Рис. 3.3. Характеристика диода в линейном масштабе.

кремниевый диод: Для прямого напряжения при токе значения напряжения составят соответственно 0,35 и 0,62 В, что хорошо согласуется с экспериментальными данными.

Величина часто определяется как прямое напряжение диода в точке перегиба прямой ветви характеристики. Но в действительности перегиб прямой ветви характеристики является кажущимся, что видно из рассмотрения этой характеристики в полулогарифмическом масштабе (рис. 3.4). Перегиб появляется вследствие линейного масштаба представления экспоненциальной функции. Поэтому его положение полностью зависит от этого масштаба.

Рис. 3.4. Характеристики диода в полулогарифмическом масштабе.

С помощью формулы (3.1) несложно рассчитать, что прямое напряжение достигает значений при возрастании прямого тока в 10 раз. Поскольку и зависят от температуры, то прямое напряжение для фиксированного значения тока также зависит от температуры. Эта зависимость описывается приближенным соотношением

Пропорциональное уменьшение прямого напряжения с температурой при постоянной величине тока означает, что с увеличением температуры ток возрастает по экспоненциальному закону, если приложенное напряжение постоянно.

Экспоненциальную температурную зависимость имеет и обратный ток. Он удваивается при увеличении температуры на 10 К При достижении температуры 100 К обратный ток соответственно возрастет в тысячу раз.

Динамический режим

Переключение диода из проводящего состояния в закрытое происходит не мгновенно, так как при этом р-n-переход должен освободиться от накопленного заряда. Эффект накопления заряда можно пояснить на схеме простого выпрямителя, изображенной на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Схема экспериментального определения времени накопления.

В качестве входного напряжения используется представленное на рис. 3.6 напряжение прямоугольной формы. Когда входное напряжение положительно, диод открывается и выходное напряжение равно прямому напряжению на диоде.

Рис. 3.6. Влияние времени накопления на выходное напряжение.

Когда отрицательно, диод закрывается и Из рис. 3.6 видно, что это происходит по истечении времени накопления которое тем больше, чем больше прямой ток -перехода. Обычно значение времени накопления для маломощных диодов составляет 10-100 нс. Для мощных диодов эта величина находится в диапазоне микросекунд.

Из рис. 3.6 видно, что период колебаний входного напряжения должен быть

больше времени накопления; в противном случае теряются выпрямительные свойства диода.

Для уменьшения времени переключения можно использовать диоды Шоттки. Эти диоды имеют переход металл-полупроводник, который тоже обладает выпрямительным эффектом. Накопление заряда в переходе этого типа весьма мало. Поэтому время переключения может быть уменьшено до значений порядка Другой особенностью этих диодов является малое (по сравнению с обычными кремниевыми диодами) прямое напряжение, составляющее около 0,3 В.

Условное обозначение диода Шоттки показано на рис. 3.7.

Рис. 3.7. Диод Шоттки.