Силовые диоды

Силовые диоды используется в источниках вторичного электропитания (ИВЭП) в качестве вентилей, т.е. приборов с односторонней проводимостью (вентиль – устаревшее название силового диода, заимствованное из техники запорной гидравлической аппаратуры). ИВЭП входят в состав любого электронного устройства, в том числе промышленного назначения и предназначены для получения энергии постоянного тока с заданными характеристиками путём преобразования энергии переменного тока пи тающей сети.

На рис. 6 приведена вольтамперная характеристика силового диода, полученная путем поочередного приложения к диоду изменяющего по величине прямого и обратного напряжений и измерения его величины и величины протекающего по диоду тока.

При нулевом значении прямого напряжения (начало системы координат) p-n переход диода находится в равновесном состоянии согласно (11). Увеличение прямого напряжения приводит к понижению

потенциального барьера и росту тока

диффузии. Однако, пока это напряже

ние меньше контактной разности потенциалов, этот ток мал, поэтому график ВАХ на участке 2 практически совпадает с осью напряжений (на виде А рис.6 этот участок изображён в меньшем масштабе). По мере роста прямого напряжения U_пр происходит дальнейшее понижение потенциального барьера и сужение p-n перехода. При некотором значении U_пр U_к, которое соответствует области перегиба прямой ветви графика (примерно 0,7В)) p-n переход исчезает. В этом случае между выводами диода располагается практически однородный кристалл примесного полупроводника постоянного сопротивления. Поэтому дальнейший рост прямого напряжения вызывает изменение тока в соответствии с законом Ома (участок 1 графика прямой ВАХ).

Смена полярности приложенного напряжения также вызывает нарушение состояния равновесия (11). При этом обратный ток перехода растёт за счет уменьшения тока диффузии, вызванного повышением потенциального барьера перехода (участок 3 графика рис. 6 + вид А). После того, как прекращается прохождение диффузионного тока, обратный ток представляет собой ток дрейфа, ток неосновных носителей. Казалось бы, его величина должна быть неизменной при любом значении обратного напряжения, однако необходимо учитывать следующее.

Рост обратного напряжения вызывает увеличение напряжённости поля перехода, что приводит к увеличению скорости неосновных носителей, а значит, и их энергии. При этом растет вероятность того, что взаимодействие (столкновение) электронов и дырок с атомами основного вещества – полупроводника будет носить неупругий характер, при котором атомы вещества ионизуются, теряя свои валентные элетроны, что, в свою очередь, вызывает появление новых носителей. Их количество также увеличивается вследствие выделения электрической мощности в области перехода при прохождении по нему обратного тока. И хотя обратный ток мал, но обратное напряжение на несколько порядков больше прямого напряжения, поэтому рассеиваемая переходом мощность вызывает его нагрев, а поскольку обратный ток является током термогенерации (4), (5), то он увеличивается. В итоге, рост обратного напряжения вызывает некоторый рост обратного тока (участок 4).

Поскольку при обратном смещении происходит расширение p-n перехода, то при дальнейшем росте обратного напряжения создаются условия для разгона в поле перехода и этих новообразованных носителей, которые также могут ионизовывать атомы полупроводника при взаимодействии с ними. В результате, при некотором значении обратного напряжения процесс размножения носителей принимает лавинообразный характер, что вызывает резкий рост обратного тока (участок 5 графика рис.6). Подобное явление носит название пробоя p-n перехода.

При пробое также резко возрастает рассеиваемая переходом мощность, а значит, и температура кристалла. И если она станет не меньше так называемой температуры фазового перехода, то произойдёт деформация кристаллической решётки полупроводника, изменится его энергетическая диаграмма и p-n переход потеряет свои свойства. Но если эффективно отводить тепло от кристалла, не допуская подъёма температуры до критического значения, или последовательно с диодом включить резистор, что ограничит обратный ток перехода, то последний восстановит свои свойства после снятия обратного напряжения. В этом случае пробой носит обратимый характер и его называют электрическим пробоем. Если же температура кристалла достигнет критической отметки, то электрический пробой мгновенно перейдет в тепловой пробой, который является необратимым и вызывает отказ диода.

Температура фазового перехода составляет у кремния 150-170^оС, у германия она меньше вследствие меньшей ширины запрещенной зоны – 70-90^оС.