I. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ

бесплатной онлайн библиотеке «КнигаГо.ру»

Http://knigago.ru

I. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ

Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока низкой частоты (обычно менее 50 кГц). В качестве выпрямительных используют плоскостные диоды, допускающие благодаря значительной площади контакта большой выпрямленный ток. Вольт-амперная характеристика диода выражает зависимость тока, протекающего через диод, от значения и полярности приложенного к нему напряжения (рис.1.1). Ветвь, расположенная в первом квадранте, соответствует прямому (пропускному) направлению тока, а расположенная в третьем квадранте обратному направлению тока.

Чем круче и ближе к вертикальной оси прямая ветвь, и ближе к горизонтальной обратная ветвь, тем лучше выпрямительные свойства диода. При достаточно большом обратном напряжении у диода наступает пробой, т.е. резко возрастает обратный ток. Нормальная работа диода в качестве элемента с односторонней проводимостью возможна лишь в режимах, когда обратное напряжение не превышает пробивного.

Токи диодов зависят от температуры (см. рис.1.1). Если через диод протекает постоянный ток, то при изменении температуры падение напряжения на диоде изменяется приблизительно на 2 мВ/°С. При увеличении температуры обратный ток увеличивается в два раза у германиевых и в 2,5 раза у кремниевых диодов на каждые 10°С. Пробивное напряжение при повышении температуры понижается.

Высокочастотные диоды - приборы универсального назначения: для выпрямления токов в широком диапазоне частот (до нескольких сотен МГц), для модуляции, детектирования и других нелинейных преобразований. В качестве высокочастотных в основном используются точечные диоды. Высокочастотные диоды имеют те же свойства, что и выпрямительные, но диапазон их рабочих частот гораздо шире.

Основные параметры:

Unp - постоянное прямое напряжение при заданном постоянном прямом токе;

Uобр - постоянное обратное напряжение, приложенное к диоду в обратном направлении;

Iпp - постоянный прямой ток, протекающий через диод в прямом направлении;

Iобр - постоянный обратный ток, протекающий через диод в обратном направлении при заданном обратном напряжении;

Unp.oбр- значение обратного напряжения, вызывающего пробой перехода диода;

Inp.cp- средний прямой ток, среднее за период значение прямого тока диода;

Iвп.ср- средний выпрямительный ток, среднее за период значение выпрямленного тока, протекающего через диод (с учетом обратного тока);

Ioбр.cp- средний обратный ток, среднее за период значение обратного тока;

Рпр - прямая рассеиваемая мощность, значение мощности, рассеиваемой диодом при протекании прямого тока;

Pср - средняя рассеиваемая мощность диода, среднее за период значение мощности, рассеиваемой диодом при протекании прямого и обратного тока;

Rдиф - дифференциальное сопротивление диода, отношение малого приращения напряжения диода к малому приращению тока на нем при заданном режиме

(1.1)

Rnp.д. - прямое сопротивление диода по постоянному току, значение сопротивления диода, полученное как частное от деления постоянного прямого напряжения на диоде и соответствующего прямого тока

(1.2)

Rобр.д - обратное сопротивление диода; значение сопротивления диода, полученное как частное от деления постоянного обратного напряжения на диоде и соответствующего постоянного обратного тока

(1.3)

Максимально допустимые параметры определяют границы эксплуатационных режимов, при которых диод может работать с заданной вероятностью в течение установленного срока службы. К ним относятся: максимально допустимое постоянное обратное напряжение Uобр.max; максимально допустимый прямой ток Iпр.max, максимально допустимый средний прямой ток Iпр.ср.max, максимально допустимый средний выпрямленный токIвп.ср.max, максимально допустимая средняя рассеиваемая мощность диода Рср.max.

Указанные параметры приводятся в справочной литературе. Кроме того, их можно определить экспериментально и по вольт-амперным характеристикам.

Рассмотрим пример (рис. 1.2). Рассчитать и сравнить Rдиф, Rпр.д для диода ГД107 при Iпр= 12 мА.

Рис. 1.2

Дифференциальное сопротивление находим как котангенс угла наклона касательной, проведенной к прямой ветви ВАХ в точке Iпр= 12 мА (Rдиф ~ ctg Θ_~)

(1.4)

Прямое сопротивление диода находим как отношение постоянного напряжения на диоде Uпр=0,6В к соответствующему постоянному току Iпр=12мА на прямой ветви ВАХ.

(1.5)

Видим, что Rдиф < Rпр.д . Кроме того, отметим, что значения данных параметров зависят от заданного режима. Например, для этого же диода при Iпp=4мА

(1.6) , (1.7)

Рассчитать Rобр.д для диода ГД107 при Uобр = 20 В и сравнить с рассчитанной величиной Rпр.д. На обратной ветви ВАХ ГД107 (см.рис. 1.2) находим: Iобр = 75мкА при Uобр =20В. Следовательно,

(1.8)

Видим, что Rобр>>Rпр.д, что говорит об односторонней проводимости диода. Вывод об односторонней проводимости можно сделать и непосредственно из анализа ВАХ: прямой ток Iпp~мА при Uпр <1B, в то время как Iобp ~ десятки мкА при Uобр~десятки вольт, т.е. прямой ток превышает обратный в сотни- тысячи раз

(1.9)

Стабилитроны и стабисторы предназначены для стабилизации уровня напряжения при изменении протекающего через диод тока. У стабилитронов рабочим является участок электрического пробоя вольт-амперной характеристики в области обратных напряжений (рис. 1.3).

На этом участке напряжение на диоде остается практически постоянным при значительном изменении тока протекающего через диод. Подобной характеристикой обладают сплавные диоды с базой, изготовленной из низкоомного (высоколегированного) материала. При этом образуется узкий p-n-переход, что создает, условия для возникновения электрического пробоя при относительно низких обратных напряжениях (единицы - десятки вольт). А именно такие напряжения нужны для питания многих транзисторных устройств. В германиевых диодах электрический пробой быстро переходит в тепловой, поэтому в качестве стабилитронов применяют кремниевые диоды, обладающие большей устойчивостью в отношении теплового пробоя. У стабисторов рабочим служит прямой участок вольт-амперной характеристики (рис.1.4). У двухсторонних (двух-анодных) стабилитронов имеется два встречно включенных p-n перехода, каждый из которых является основный для противоположной полярности.

Рис. 1.4

Основные параметры:

Uст - напряжение стабилизации, напряжение на стабилитроне при протекании номинального тока;

∆Uст.ном - разброс номинального значения напряжения стабилизации, отклонение напряжения на стабилитроне от номи­нального значения;

Rдиф.ст - дифференциальное сопротивление стабилитрона, отношение приращения напряжения стабилизации на стабилитроне к вызвавшему его малому приращению тока в заданном диа­пазоне частот;

α_СТ - температурный коэффициент напряжения стабилизации, отношение относительного изменения напряжения стабилизации к абсолютному изменению температуры окружающей среды при постоянном токе стабилизации.

Максимально допустимые параметры. К ним относятся: максимальный Iст.max, минимальный Iст.min токи стабилизации, максимально допустимый прямой ток Imax, максимально допустимая рассеиваемая мощность Pmax.

Принцип работы простейшего полупроводникового стабилизатора напряжения (рис.1.5) основан на использовании нелинейности вольт-амперной характеристики стабилитронов (см. рис.1.3).Простейший полупроводниковый стабилизатор представляет собой делитель напряжения, состоящий из ограничительного резистора Rогр и кремниевого стабилитрона VD. Нагрузка Rн подключается к стабилитрону,

В этом случае напряжение на нагрузке равно напряжению на стабилитроне

U_RН = U_VD = U_СТ (1.10)

а входное напряжение распределяется между Rогр и VD

U_ВХ = U_RОГР + U_СТ (1.11)

Ток через Rогр согласно первому закону Кирхгофа равен сумме токов нагрузки и стабилитрона

I_RОГР = I_СТ + I_Н (1.12)

Величина Rогр выбирается таким образом, чтобы ток через стабилитрон был равен номинальному, т.е. соответствовал середине рабочего участка.

I_СТ.НОМ = ( I_СТ.МИН + I_{СТ.МАКС} ) / 2 (1.13)