Назначение, устройство, характеристики, параметры выпрямительных и высокочастотных диодов

Выпрямительные диоды – это полупроводниковые диоды, предназначенные для выпрямления переменного тока низкой частоты (т.е. для преобразования переменного тока в постоянный). Они являются одним из наиболее распространенных типов полупроводниковых диодов.

Простейшая схема выпрямителя на полупроводниковом диоде показана на рис.1.

Переменное напряжение сети, преобразованное с помощью трансформатора до необходимой величины, подается через диод на конденсатор большой емкости, выполняющий функции фильтра – накопителя заряда. Периодически напряжение трансформатора становится прямым, тогда через диод проходят импульсы тока, подзаряжающие конденсатор. Остальную часть периода конденсатор разряжается через нагрузку, включенную параллельно ему (рис. 2).

Так как емкость конденсатора выбирают достаточно большой, то напряжение на нем изменяется мало, напряжение нагрузки оказывается практически постоянным и через нее проходит почти постоянный ток

.

Напряжение на диоде представляет собой алгебраическую сумму постоянного напряжения нагрузки и переменного напряжения вторичной обмотки трансформатора. Максимальное прямое напряжение диода U_пр = U_т – U_выпр, а максимальное обратное напряжение диода U_обр = U_т + U_выпр, которое в режиме холостого хода (R = ¥), равно 2U_т.

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

– максимально допустимый прямой ток – I_{пр макс};

– максимально допустимое обратное напряжение – U_{обр макс};

– максимальная рассеиваемая мощность – Р_макс.

В выпрямительных диодах электронно-дырочный переход имеет большую площадь, обеспечивающую получение выпрямленных токов требуемой величины. При этом площадь р-n-перехода рассчитывают, исходя из допускаемой плотности прямого тока, которая для германиевых диодов равна 100 А/см², а для кремниевых – 200 А/см². В настоящее время наиболее распространены выпрямительные диоды сплавного типа. Для изготовления выпрямительных диодов широко используют кремний, имеющий более высокую допустимую температуру и более низкую цену по сравнению с германием. Однако в мощных низковольтных выпрямителях выгоднее германиевые диоды, так как они имеют меньшее прямое падение напряжения, чем кремниевые.

Мощные диоды с целью отвода тепла монтируют на специальных радиаторах, изготовленных из металла с хорошей теплопроводностью; иногда используют принудительное охлаждение (воздушное или жидкостное).

Отечественной промышленностью выпускается широкая номенклатура германиевых и кремниевых выпрямительных диодов на токи до 1000А и обратные напряжения германиевых диодов до 400В, кремниевых диодов до 1600 В.

При необходимости выпрямления больших напряжений несколько полупроводниковых диодов (до десятков) соединяют последовательно. Однако допустимое обратное напряжение цепочки при этом не равно сумме допустимых напряжений отдельных диодов. Разброс величины обратного сопротивления приводит к неравномерному распределению обратного напряжения между диодами цепочки, как следствие, к пробою друг за другом всех диодов цепочки.

Для устранения этого вредного явления прибегают к шунтированию каждого диода цепочки высокоомным резистором. Сопротивление резисторов выбирают так, чтобы ток, протекающий через цепочку резисторов, был в несколько раз больше обратного тока в цепочке диодов.

Параллельно резисторам подключают конденсаторы, емкость которых в несколько раз больше емкости диода. Однако такое шунтирование обязательно только для германиевых диодов. У кремниевых диодов характеристика пробоя не имеет падающего участка, и равномерное распределение обратного напряжения достигается автоматически.

Для получения большого выпрямленного тока можно применять параллельное включение диодов. Для выравнивания токов через диоды последовательно с каждым диодом включается добавочное сопротивление. Для удовлетворительного выравнивания токов величина добавочного сопротивления должна быть немного больше прямого сопротивления диода.

На основе изложенных методов созданы мощные высоковольтные выпрямительные блоки, обеспечивающие получение мощности в нагрузке до 100 МВт при напряжениях до 100 кВ и токах до 1000 А.

Промышленностью выпускаются и маломощные выпрямительные элементы, представляющие собой цепочку последовательно соединенных полупроводниковых диодов, размещенных в едином корпусе: их называют выпрямительными столбами. Выпускаются также выпрямительные блоки, представляющие собой конструктивно завершенное устройство, состоящее из выпрямительных диодов, соединенных по определенной схеме, например мостовой.

Маркировка диодов состоит из нескольких элементов.

Рассмотрим ее на конкретном примере – КД 202Р:

–К(или 2) – кремниевый (1 или Г –германиевый)

–Д2 – диоды выпрямительные с выпрямленным током от 0,3 до 10А (Д1 – с выпрямленным током до 0,3А)

–02 – порядковый номер разработки

–Р – подгруппа по параметрам.

Высокочастотные диоды предназначены для выпрямления токов высокой частоты (для обработки высокочастотных сигналов).

Если на низких частотах ток в цепи диода определяется только активными сопротивлениями электронно-дырочного перехода и прилегающих р- и n-областей полупроводника, то при работе диода на высоких частотах большую роль играют барьерная и диффузионная емкости. В результате совместного влияния этих емкостей и активного сопротивления выпрямительный эффект с ростом частоты снижается.

Для расширения частотного диапазона диода необходимо уменьшать емкость диода и сопротивление прилегающих областей, особенно базы.

Для снижения емкости р-n-перехода следует уменьшить его площадь. Для этого часто применяют точечную конструкцию. Монокристалл германия или кремния n-типа является базой диода. К базе прижата вольфрамовая игла, имеющая диаметр острия не более 20 – 30 мм. После локального разогрева (за счет пропускания мощного кратковременного импульса тока) приконтактной области, приводящего к частичному расплавлению кристалла с нанесенной примесью и конца иглы, под ней, после резкого охлаждения, образуется небольшая по объему р-область, т.е. возникает р-n-переход. Благодаря малой площади контакта обеспечивается получение малой емкости перехода (десятые доли пикофарады).

Основными параметрами высокочастотных диодов являются:

– максимально-допустимый прямой ток – I_{пр макс};

– максимально-допустимое обратное напряжение – U_{обр макс};

– проходная емкость С₀;

– предельная частота f_пред.

Для точечных диодов величина максимального прямого тока десятки миллиампер, обратного напряжения – единицы – десятки вольт, емкости – десятые доли пикофарад, предельная частота до 600 МГц.

В СВЧ-диодах обычно используют точечный контакт, осуществляемый простым прижимом к поверхности полупроводника острия металлической контактной пружины. Острие имеет небольшой радиус точечного контакта (2 – 3 мкм), что обеспечивает получение незначительной емкости.

Особенностью вольт-амперной характеристики точечных диодов (рис. 3) является отсутствие горизонтального участка на обратной ветви и плавный переход в режим пробоя, что вызывается неоднородностью структуры диода. Для точечных диодов характерен большой разброс по обратному току и прямой проводимости. Параметры подвержены заметному изменению в процессе хранения и эксплуатации. Для частичной стабилизации диоды в процессе изготовления подвергаются искусственному старению.

Лучшей стабильностью параметров отличаются высокочастотные диоды, выполненные по микросплавной технологии, но емкость перехода у них больше и предельные частоты ниже, чем у точечных диодов.

Таким образом, выпрямительные и высокочастотные диоды предназначены для выпрямления переменных токов, но выпрямительные работают на низких частотах, а высокочастотные на высоких частотах, где процесс выпрямления тока, как правило, называют обработкой высокочастотного сигнала.