Полупроводниковые диоды являются коммерчески доступными элементами электронных схем. Именно на них и строятся выпрямители. Номенклатура диодов чрезвычайно обширна. Для грамотного их использования в выпрямителях необходимо знать и понимать смысл их основных технических характеристик.

Ниже рассматриваются основные статические характеристики полупроводниковых диодов.

2.1. Пороговое напряжение

Пороговым напряжением Uпг называется такое значение напряжения на переходе, начиная с которого полупроводниковый диод проводит ток. При прямых напряжениях, меньших порогового, диод ток практически не проводит. Принято считать пороговым напряжение, равное 0,7В у кремниевых приборов и 0,3В – у германиевых. Как отмечалось выше, фактическое падение напряжения между выводами диода Uд всегда больше порогового Uпг, (рис. 10, а).

Укремниевых приборов фактическое падение напряжения составляет

1 В. Пороговое напряжение разнится от образца к образцу, даже у однотипных приборов (рис. 10, б). У дискретных диодов эта разница может достигать 0,1В. У диодов, изготавливаемых средствами интегральной технологии, она не превышает 0,01В. Поэтому прямые ветви вольтамперных характеристик полупроводниковых приборов не совпадают.

Пороговое напряжение полупроводниковых диодов зависит также и от температуры. Оно уменьшается со скоростью – 2,5 мВ/0С при повышении температуры перехода. Это значит, что если даже прямые ветви характеристик двух диодов первоначально совпадали (рис. 10, в), то при нагреве, например, диода 1 до температуры, превышающей температуру диода 2, прямая ветвь вольт-амперной характеристики 1-го диода сместится влево (пунктир на рис. 10, в).

Рис. 10

2.2. Номинальный ток

16

Под номинальным понимают максимальный постоянный ток, который может протекать через диод сколь угодно долго без разрушения прибора. Понятие номинального тока связано с понятием допустимой мощности рассеяния в диоде.

При протекании тока Iпр через прибор из-за конечного падения напряжения Uпр на нем, в приборе выделяется мощность Рв=UпрIпр. Это приводит к нагреву перехода, т. е. превышению его температуры Tп над температурой окружающей среды T0. Последнее обуславливает отток тепла от перехода в окружающую среду, то есть рассеяние мощности. Рассеяние мощности тем больше, чем выше температура перехода Tп по сравнению с температурой окружающей среды T0. Очевидно, что при Pв=const увеличение мощности рассеяния Pрас, обусловленное ростом температуры перехода может привести к тепловому равновесию Pв=Pрас, наблюдаемому при некоторой температуре перехода. Связь между мощностью рассеяния Pрас и перепадом температур T=Tп–T0 принимается линейной при небольших перепадах температур T. Эту связь принято записывать в виде соотношения T=RTPрас подобного закону Ома для резистивных электрических цепей. Коэффициент RТ называется термическим сопротивлением участка переход – среда. Определяется RТ практически площадью поверхности корпуса диода. Поскольку корпуса диодов унифицированы, то каждому конкретному типу диода соответствует вполне определенное значение RТ.

Как известно, температура p-n-переходов ограничивается некоторым допустимым значением Tп дп, превышение которого означает выход прибора из строя. Для кремниевых приборов Tп дп≈(175÷200)°С, а для герма-

ниевых Tп дп≈(125÷150)°С.

Отсюда следует, что при комнатной температуре, для каждого конкретного типа диода существует понятие допустимой мощности рассеяния

= Tпдп −T0 Pрас.дп(Tпдп) RТ .

Тем самым в условиях теплового равновесия ограничивается и выделяемая в приборе мощность:

P	= P	(T	) =	Tпдп −T0	.
вдп	рас.дп	пдп		RT

С учетом приблизительного постоянства прямого падения напряжения на полупроводниковых диодах

Pвыд дп = Iд дпUп = Iд дп const ≈ Iд дп 1В = | Iд дп |.

17

Отсюда следует: Iддп = Tпдп −T0 . В силу постоянства Uп = 1В мощ-

RТ

ность, выделяющаяся в диоде, определяется средним током через диод.

Тогда Iд дп = Iср дп.

По этой причине средний ток через диод, оговариваемый в технической документации, является допустимым значением среднего тока при комнатной температуре. С увеличением температуры окружающей среды этот ток должен соответственно уменьшаться во избежание выхода диода из строя. Увеличение Iср дп возможно за счет уменьшения RТ. Это означает необходимость увеличения теплоотводящей поверхности диода, то есть добавления к нему теплоотвода.

Как следует из изложенного, Iср дп является мерой допустимой мощности рассеяния в диоде. Так диод со средним током в 1А в состоянии рассеять при комнатной температуре мощность, приблизительно равную 1 Вт.

Таким образом, для каждого конкретного типа прибора существует понятие тока, допустимого при комнатной температуре, превышение которого приводит к сгоранию диода. Номинальный ток, как ток, гарантирующий надежную эксплуатацию диода, выбирается меньше допустимого.

Номинальный ток через диод уменьшается с ростом температуры окружающей среды. Его можно и увеличивать посредством уменьшения RТ. Это достигается увеличением теплоотводящей поверхности диода – к корпусу диода присоединяют специальный конструктивный элемент называемый теплоотводом.

2.3. Пиковый (максимальный) ток

Пиковые или максимальные токи через диод могут существенно превышать их номинальные значения. Вопрос о пиковых токах более сложен, нежели о номинальных. Допустимые значения пиковых токов в диодах зависят не только от величин, но и длительности, а также от частоты их повторения. Так при частоте порядка 50 Гц пиковые токи длительностью 5 мс могут превышать номинальные в 10 – 20 раз. При уменьшении длительности до 2 мс импульсы токов могут превышать номинальный ток в 50 – 100 раз. Чаще всего фактические характеристики импульсных токов в электрических цепях трудно определимы. По этой причине лучше не допускать превышения их официальных допустимых значений.

2.4. Обратный ток диода

Обратный ток при комнатной температуре пренебрежимо мал в кремниевых приборах, но существенен в германиевых. К сожалению, этот ток

18

экспоненциально растет с ростом температуры перехода. Его можно грубо оценить формулой

Iо(T1) = Iо(T0) 2(T1−T0 )/10 ,

где Iо(T1) – обратный ток при температуре перехода T1; Iо(T0) – обратный ток, замеренный при температуре перехода T0. Естественно, что оценка тока по этой формуле тем достовернее, чем меньше T=T1–T0.

2.5. Обратное напряжение

Обратное напряжение Uоб, как техническая характеристика диода ставится в соответствие напряжению его пробоя. Естественно, оно меньше напряжения пробоя, ибо в режиме пробоя диод утрачивает свойство односторонней проводимости – перестает быть диодом. Обычно Uоб определяется с некоторым запасом.

Помимо перечисленных статических технических характеристик диода существуют еще и динамические. Наиболее существенные рассматриваются ниже.

2.6. Динамическое сопротивление диода

Поскольку при Uпр>0,1 В прямая ветвь вольт-амперной характеристики диода определяется соотношением (2), то динамическое сопротивление прибора – его сопротивление приращениям прямого тока через переход – может быть определено простой процедурой:

1

∂i

1

U

/ϕТ

Iпр

ϕ

0,025В

=

п

=

I

0

e

пр

=

или r =

Т

=

.

r

ϕ

ϕ

I

I

∂u

п

д

пр

пр

д

T

Т

2.7. Время выключения диода

Идеальный диод, включенный в цепь последовательно с резистивной нагрузкой (рис. 11, а) пропускает ток только в прямом направлении. При изменении знака напряжения в цепи Uц обратный ток через диод прекра-

щается (рис. 11, б и в).

В реальных полупроводниковых диодах размыкание цепи при мгновенном изменении знака напряжения цепи с прямого на обратный происходит не сразу. Дело в том, что при прохождении через кристалл прямой ток насыщает его основными носителями. Их концентрация в кристалле пропорциональна величине прямого тока. Для того чтобы диод разомкнул цепь, чтобы кристалл стал непроводящим, необходимо удалить основные носители тока из кристалла, т. е. создать обедненную зону на границе контакта слоев p и n-полупроводника. Этот процесс требует времени. В течение этого времени – времени рассасывания носителей tр – диод проводит ток в обратном направлении, так же как и в прямом (рис. 12).

19

а)				б)	U
				U ц		t1	t2
U ц				0
								t
	Rн			Uн
				в)	i
				U
				R		t1	t2
			0					t

Рис. 11

По окончании процесса рассасывания имеет место процесс медленного спада обратного тока через диод до значения I0 (рис. 12, а). Время рассасывания и время спада в сумме образуют время выключения диода. Время выключения диода tвыкл является технической характеристикой диода.

+U	ц	U
0		t
-U ц
+U	ц	I
Rн
0		t
		tвкл
-U ц		tр
Rн

tвыкл

Рис. 12

20