Принцип действия и основные характеристики силовых диодов

Диод – полупроводниковый прибор с двумя выводами, связанными с областями различных типов электронной проводимости: электронной – n-типа и строчной – p-типа.

На границе этих областей возникает электронно-дырочный переход, физические явления в котором позволяют изменять проводимость диода, придавая ему свойства электронного ключа с односторонней проводимостью и неполной управляемостью.

Вывод диода со стороны p-области называют анодом (А), а со стороны n-области – катодом (К). При отсутствии напряжения между анодом и катодом в области p-n-перехода возникает потенциальный барьер, препятствующий прохождению электронных зарядов из одной области в другую. При подключении минуса внешнего источника к аноду относительно катода (рис. 1.3), потенциальный барьер возрастет (такое подключение относительно p-n-перехода называют обратным) и состояние равновесия зарядов в диоде нарушится. В результате через диод начнет протекать небольшой ток . Увеличение обратного напряжения сверх определенного значения приведет к возникновению пробоя, сопровождаемого резким увеличением электрической проводимости.

В динамических режимах может возникать опасность выхода из строя. Основными причинами этого бывают высокие скорости нарастания тока в диоде при включении и перенапряжения при выключении.

Для защиты силовых диодов часто используют ЦФТП, состоящую из индуктивности, включенной последовательно и ограничивающей скорость нарастания тока в диоде, и параллельно подключенную RC-цепь, демпфирующую перенапряжение при его выключении. Для защиты диодов от выхода из строя при токовых перегрузках в аварийных режимах используют специальные быстродействующие предохранители с плавкой вставкой или жидкометаллические предохранители.

Рис. 1.3

По назначению диоды принято разделять на три группы: общего назначения, быстровосстанавливающиеся и диоды Шоттки.

Диоды общего назначения. Эта группа диодов отличается высокими значениями обратного напряжения (от 50В до 5кВ) и прямого тока (от 10А до 5кА). Массивная структура диодов ухудшает их быстродействие. Время обратного восстановления диодов находится в диапазоне 25…100мкс, что ограничивает их использование с частотой выше 500Гц. Прямое падение напряжения на диодах достигает 2,5…3В в приборах высокого напряжения.

Диоды выпускаются в различных корпусах. Распространение получили два вида исполнения: штыревая (рис. 1.4,а) и таблеточная (рис. 1.4.б).

Рис. 1.4

Быстровосстанавливающиеся диоды. При производстве этой группы используются технологические методы, уменьшающие время их обратного восстановления. Применяется легирование кремния методом диффузии золота или платины. Благодаря этому удается снизить время обратного восстановления до 3…5мкс. При этом снижаются значения прямого тока и обратного напряжения (тока в пределах от 10А до 1кА, обратного напряжения – от 50В до 3кВ). Наиболее быстродействующие диоды с напряжением до 400В и током 50А имеют время обратного восстановления 0,1…0,5мкс. Такие диоды можно использовать в импульсных и высокочастотных цепях с частотами 10кГц и выше.

Диоды Шоттки. Принцип действия диодов Шоттки основан на свойствах области перехода между металлом и полупроводниковым материалом. В качестве полупроводника используется обедненный слой кремния n-типа. Особенностью диодов Шоттки является то, что прямой ток обусловлен движением только основных носителей – электронов. Диоды Шоттки являются униполярными приборами с одним типом основных носителей. Отсутствие накопления неосновных носителей существенно уменьшает инерционность диодов Шоттки. Время восстановления составляет не более 0,3мкс, падение прямого напряжения 0,3В. Значения обратных токов в этих диодах на 2-3 порядка выше, чем в диодах с p-n-переходом. Предельное обратное напряжение ограничивается 100В. Диоды Шоттки используются в высокочастотных и импульсных цепях низкого напряжения.