Исходный материал выпрямительных диодов

В качестве исходного материала при изготовлении выпрямительных дио-

дов используют в основном германий и кремний.

Вольт-амперные характеристики германиевых и кремниевых диодов

одинаковой конструкции различаются. На рисунке 1 показаны для сравне-

ния характеристики германиевого (Ge) и кремниевого (Si) диодов.

Поскольку ширина запрещенной

зоны у кремния больше, чем у гер-

мания, обратный ток кремниевых

диодов значительно меньше. Кроме

того, обратная ветвь характеристики

кремниевых диодов не имеет явно

выраженного участка насыщения,

что обусловлено генерацией носите-

лей зарядов в р-n-переходе и токами

утечки по поверхности кристалла.

Вследствие большого обратного

тока у германиевых диодов почти

сразу наступает тепловой пробой,

Рисунок 1 – ВАХ выпрямительных диодов

приводящий к разрушению кри-

сталла. У кремниевых диодов из-за

малого обратного тока вероятность теплового пробоя мала, и у них возника-

ет электрический пробой.

Прямой ток кремниевого диода, равный току германиевого диода, достигает-

ся при бόльшем значении прямого напряжения. Поэтому мощность, рассеиваемая

при одинаковых токах, в германиевых диодах меньше, чем в кремниевых. По

этой причине крутизна ВАХ у германиевых диодов больше, чем у кремниевых.

На характеристики диодов существенное влияние оказывает температура

окружающей среды. С ростом температуры становится интенсивнее генера-

ция носителей зарядов и увеличиваются обратный и прямой токи диода.

Для приближенной оценки можно считать, что с увеличением темпера-

туры на 10 градусов обратный ток германиевых диодов возрастает в 2, а

кремниевых – в 2,5 раза. Однако вследствие того, что при комнатной темпе-

ратуре обратный ток у германиевого диода значительно больше, чем у

кремниевого, абсолютное значение приращения обратного тока у германие-

вого диода с ростом температуры оказывается в несколько раз больше, чем

у кремниевого. Это приводит к увеличению потребляемой диодом мощно-

сти, его разогреву и уменьшению напряжения теплового пробоя. У крем-

ниевых диодов из-за малого обратного тока вероятность теплового пробоя

мала, и у них вначале возникает электрический пробой.

Пробой кремниевых диодов определяется процессами лавинного умно-

жения носителей зарядов при ионизации атомов кристаллической решетки.

С повышением температуры увеличивается тепловое рассеивание подвиж-

ных носителей зарядов и уменьшается длина их свободного пробега. Для

того чтобы электрон на меньшем пути приобрел энергию, достаточную для

ионизации, необходимо увеличение ускоряющего поля, что достигается при

бόльшем обратном напряжении. Это объясняет увеличение пробивного на-

пряжения кремниевых диодов с ростом температуры.

Рабочий режим диодов

В практических схемах в цепь диода включается какая-либо нагрузка, на-

пример резистор (рисунок 2, а). Режим диода с нагрузкой называют рабочим

режимом. Если бы диод обладал линейным сопротивлением, то расчет тока в

подобной схеме не представлял бы затруднений, так как общее сопротивление

цепи равно сумме сопротивления диода постоянному току R₀и сопротивления

нагрузочного резистора Rн^.Но диод обладает нелинейным сопротивлением, и

значение R0 у него изменяется при изменении тока, поэтому расчет тока делают

графически. Задача состоит в следующем: известны значения E, Rн и характе-

ристика диода, требуется определить ток в цепи и напряжение на диоде.

Характеристику диода следует рассматривать как график некоторого

уравнения, связывающего величины i и и, а для сопротивления Rн подобным

уравнением является закон Ома:

i = u_R / Rн^;

i = (E – u) / Rн. (2)

(1)

Для решения такой системы уравнений надо построить график второго урав-

нения и найти координаты точки пересечения двух графиков. Графиком второго

уравнения является прямая линия, называемая линией нагрузки. Проще всего она

строится по двум точкам на осях координат. Если i = 0 из уравнения (2) получаем:

и = Е, что соответствует точке А на рисунке 2, б. При и = 0 i = E / Rн ⁽точка Б).

Через точки А и Б проводим прямую, которая является линией нагрузки. Коор-

динаты точки Т дают решение поставленной задачи. Следует отметить, что все

остальные точки прямой АБ не соответствуют каким-либо рабочим режимам

диода. Можно строить линию нагрузки по углу ее наклона α, поскольку

Rн ⁼k ctg α. Но это менее удобно, так как надо определять коэффициент k с уче-

том масштабов и находить угол по его котангенсу.

a)

+

–

i

u₁

VD1

Rн

Рисунок 2 – Расчет рабочего режима диода

При построении линии нагрузки для сравнительно малых Rн точка Б ока-

жется за пределами чертежа. В этом случае следует отложить от точки А

влево произвольное напряжение U (рисунок 2, в) и от полученной точки В

отложить ток, равный U / Rн ⁽отрезок ВГ). Прямая, проведенная через точки

А и Г, будет линией нагрузки.