Параметры и характеристики диодов

Диоды – полупроводники, которые пропускают ток в одном направлении. Выводы диода называют анодом А и катодом К. На рис. 4.1 показано условное обозначение диода.

Рис.4.1. Условное графическое обозначение диода

Если приложено положительное напряжение U_AK > 0, то диод работает в прямом направлении. При отрицательном напряжении U_AK < 0, диод заперт. Обратный ток всегда на несколько порядков меньше, чем прямой.

Режим работы диода определяется его вольт-амперной характеристикой (ВАХ) I = f(U_AK). Типовая характеристика диода представлена на рис. 4.2. Прямой ток резко возрастает при малых положительных напряжениях U_AK. Однако он не должен превышать определенного максимального значения Iмакс, так как иначе произойдет перегрев и диод выйдет из строя. Приближенно ход характеристики может быть описан значениями прямого напряжения U_ПР при токах порядка 0,1Iмакс. Для германия U_ПР находится в пределах от 0,2 по 0,4 В, для кремния от 0,5 до 0,8 В. Таким падением напряжения можно пренебречь, и тогда диод можно рассматривать как проводник, пропускающий ток только в одном направлении.

Для диодов общего назначения обратный ток очень мал и составляет нано- и микроамперы. Его, как правило, можно не принимать во внимание до тех пор, пока напряжение на диоде не достигнет напряжения пробоя. Для диодов общего назначения это напряжение составляет десятки и сотни вольт. Из рис. 4.2 видно, что обратный ток при напряжениях |U_AK| > U_{ОБР.макс} 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 диодов из строя.

Все полупроводниковые приборы можно разделить на две группы: выпрямительные и специальные. Выпрямительные диоды, как следует из самого названия, предназначены для выпрямления переменного тока. В зависимости от частоты и формы переменного напряжения они делятся на высокочастотные, низкочастотные и импульсные. Специальные типы полупроводниковых диодов используют различные свойства p-n переходов: явление пробоя, барьерную емкость, наличие участков с отрицательным сопротивлением и др.

Рис.4.2. ВАХ диода

Выпрямительные диоды обычно характеризуют набором статических и динамических параметров. К статическим параметрам диода относятся:

- падение напряжения U_ПРна диоде при некотором значении прямого тока;

- обратный ток I_ОБР при некотором значении обратного напряжения;

- среднее значение прямого тока I _ПР.СР.;

- максимальное значение обратного напряжения U_ОБР.

К динамическим параметрам диода относятся его временные или частотные характеристики. К таким параметрам относятся:

- время восстановления t_ВОС обратного напряжения;

- время нарастания прямого тока I_НАР;

- предельная частота без снижения режимов диода f_макс.

Статические параметры можно установить по вольт-амперной характеристике диода.

Время обратного восстановления диода t_ВОСявляется основным параметром выпрямительных диодов, характеризующим их инерционные свойства. Переключение диода из проводящего состояния в закрытое происходит не мгновенно, так как при этом p-n переход должен освободиться от накопленного заряда. Эффект накопления заряда можно пояснить на примере простого выпрямителя.

В качестве входного напряжения используется напряжение прямоугольной формы. Когда входное напряжение U_ВХположительно, диод открывается и выходное напряжение равно прямому напряжению на диоде. Когда U_ВХотрицательно, диод закрывается и I_Д = I_ОБР. Из рис.4.3 видно, что это происходит по истечении времени восстановления t_ВОС, которое тем больше, чем больше прямой ток p-n перехода. По существу, происходит рассасывание зарядов на границе p-n перехода (т.е. разряд эквивалентной емкости).

Рис. 4.3. Импульсный режим работы диода

Обычно значение времени накопления для маломощных диодов составляет 10 – 100 нс. Для мощных диодов эта величина находится в диапазоне микросекунд. Период колебаний входного напряжения должен быть больше времени накопления, в противном случае теряются выпрямительные свойства диода.