Контрольные задания

1.Дать определение идеального диода, привести его условное обозначение и объяснить характеристики.

2.Определить связь между выпрямляемым напряжением, а также напряжениями и токами в резистивной нагрузке однополупериодного выпрямителя на идеальных диодах.

3.Определить связь между напряжением и током в резистивной нагрузке и выпрямляемым напряжением в двухдиодном и мостовом двухполупериодных выпрямителях на идеальных диодах.

4.Определить токи, обтекающие диоды, а также напряжения, наблюдаемые на них в одно- и двухполупериодных схемах.

5.Определить действующие, греющие токи во вторичных обмотках трансформатора в случае резистивных нагрузок одно- и двухполупериодных выпрямителей.

2. Полупроводниковые диоды и их характеристики

Полупроводниковые диоды наиболее близки по своим характеристикам к идеальным диодам. Здесь используется свойство их практически односторонней проводимости. Как известно, полупроводниковый кристалл, образованный двумя слоями полупроводника разного типа проводимости – дырочной p и электронной n, если граница между слоями выполнена на атомном уровне, проводит ток при прямом приложенном к нему напряжении Uп, (рис. 6) и практически не проводит при обратном

Uоб.

Рис. 6

Такой кристалл заключается в корпус и тем самым образуется двухвыводовый прибор – диод.

Вольт-амперные характеристики полупроводниковых диодов существенно отличаются от характеристик идеальных приборов. Они определяются известным соотношением

12

		Uп				Uп
		q kT
Iп = I0				= I0		ϕт		,	(1)
	e		−1		e		−1

где I0 – обратный ток насыщения p-n-перехода, наблюдаемый при обратном напряжении на нем и теоретически не зависящий от величины обратного напряжения; Uп – напряжение, прикладываемое к p-n-переходу; Iп – ток, обтекающий переход при напряжении на нем Uп; q – заряд электрона; k – постоянная Больцмана; T – абсолютная температура p-n-перехода;

ϕТ = kqT ≈ 0,025 В при комнатной температуре.

При прямом напряжении на переходе Uпр > 0,1 соотношение (1) имеет вид

Iп = I0eUпр /ϕТ ,

(2)

т. е. ток через переход увеличивается достаточно быстро с изменением Uпр. Прямая ветвь вольт-амперной характеристики в увеличенном масштабе показана на рис. 7, а. Скорость возрастания тока через переход в зависимости от Uпр столь велика, что прямая ветвь характеристики диода в реальном масштабе представляется, (рис. 7, б) отрезком прямой и лучом: горизонтальным отрезком 0-Uпг и лучом 1, практически параллельным оси токов.

Зависимость прямого тока через кремниевый диод от прямого напряжения для прибора с номинальным током в 1 А представлена в табл. 1.

Таблица 1

Uпр, прямое, В; Iпр, прямой
0,44;	1 мкА
0,52;	10 мкА
0,60;	100 мкА
0,68;	1 мА
0,76;	10 мА
0,84;	100 мА
0,92;	1 А

Анализ таблицы показывает, что при Uпр < 0,7В ток через переход практически отсутствует даже при прямом напряжении на нем. Начиная с Uпр > 0,7В ток через переход увеличивается очень быстро и практически линейно в зависимости от приращений Uпр.

Прямое напряжение на переходе, начиная с которого наблюдается прямой ток через переход, назовем пороговым Uпг. Принято считать Uпг = 0,7В для кремниевых приборов и Uпг = 0,3В для германиевых. Тем самым реальный диод можно представить как последовательно включенный идеальный прибор и источник напряжения величиной Uпг , включенный встречно диоду (рис. 7, в).

13

а)	I п		б)	I п	в)
					2
				1
					идеальный
					диод	Uпг
					реальныйдиод
0		U п	0	U пг	U п
					Рис. 7

Оказывается, что даже при прямых напряжениях, прикладываемых к полупроводниковому диоду, меньших Uпг, ток через прибор не течет. Он наблюдается лишь при Uпр>Uпг.

В реальных полупроводниковых диодах прямая ветвь вольт-амперной характеристики поднимается менее круто (рис. 7, б, луч 2). Это происходит из-за дополнительного падения напряжения на резистивных сопротивлениях областей p- и n-полупроводника, прилегающих к p-n-переходу, и увеличивающегося с ростом тока через переход.

Проведенный анализ прямой ветви вольт-амперной характеристики полупроводникового диода позволяет определить ток через прибор (рис. 8, а) либо графически (рис. 8, б), либо по формуле

Iц =	Uц −0,7	В	.	(3)
	R

	а)		б)	I п
	R	I ц	U ц
	+		R
			I ц
	U ц
	-

U пг U д U ц U

Рис. 8

В первом случае (рис. 8, а) ток в цепи Iц находится по известному напряжению цепи Uц и ее известному сопротивлению R, как точка пересечения линии нагрузки, определяемой соотношением I = U/R, и прямой ветви

14

вольт-амперной характеристики прибора. Во втором случае ток определяют по формуле (3).

Из-за дополнительного падения напряжения на сопротивлениях p- и n- областей, напряжение, наблюдаемое на выводах диода, всегда больше порогового. Так для кремниевых приборов оно составляет около 1В.

Обратная ветвь вольт-амперной характеристики полупроводникового диода представлена на рис. 9, а.

Рис. 9

При обратных напряжениях |–Uп|>0,1В обратный ток через диод практически постоянен (см. формулу 1). Это и есть обратный ток насыщения p-n-перехода. Таковым он остается до тех пор пока |–Uп| не достигнет напряжения пробоя Uпб. При |–Uп|≈Uпб ток через переход резко увеличивается – переход входит в режим электрического пробоя. Напряжение пробоя Uпб, обратный ток насыщения I0, равно как и пороговое напряжение Uпг, являются существенными характеристиками полупроводникового диода. Чисто формально из рис. 9, а следует обратимость электрического пробоя – ветвь 1 обратной характеристики. Вплоть до точки А характеристики увеличение напряжения на переходе сопровождается увеличением тока через него и наоборот. Иная ситуация соответствует участку 2 обратной ветви характеристики. Здесь увеличение тока через прибор сопровождается уменьшением падения напряжения на нем. Последнее ведет к еще большему увеличению тока и так далее. Это тепловой пробой. Он необратим. Границей этих двух режимов является точка А. Это значит, что при токе через переход Iп<IА имеет место обратимый электрический пробой перехода. При токах Iп>IА прибор может войти в режим не электрического, а теплового пробоя. Последнее означает физическое разрушение прибора.

Таким образом, введение прибора в режим электрического пробоя отнюдь не катастрофично. Опасно введение его в режим неустойчивого электрического пробоя – в тепловой пробой, т. е. опасно увеличение обратного тока через переход за предел, соответствующий точке А. В этом случае электрический пробой легко переходит в тепловой и диод сгорает.

15