ПРИНЦИП ДІЇ І ХАРАКТЕРИСТИКИ СИЛОВИХ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ПРИЛАДІВ

В основі принципу дії напівпровідникових приладів лежать процеси, що виникають на кордоні між областями з різними типами електричної провідності [3] - електронної (і-типу) і доречний (р-типу) (рис. 1.1). Ця межа називається р-і-переходом. На кордоні виникає область просторового заряду (0113). Це призводить до утворення внутрішнього електричного поля з напруженістю Е, напрямок якого перешкоджає подальшому процесу дифузії рухомих носіїв зарядів. Такий стан напівпровідника називається рівноважним.

Електронно-дірковий перехід

Мал. 1.1. Електронно-дірковий перехід:

а - структура; б, в - діаграми напруги і потенціалу в області просторового заряду

діоди

Напівпровідниковий прилад з двома висновками, пов'язаними з областями різних типів провідності (р- і n-типу), називається діодом (рис. 1.2). На кордоні цих областей виникає електронно-дірковий перехід, фізичні явища в якому дозволяють змінювати провідність діода, надаючи йому властивості електронного ключа з однобічну провідність і неповної керованістю. Висновок діода з боку р-області називають анодом (А), а з боку п-області - катодом (К). При відсутності напруги між анодом і катодом в області pw-перехсда виникає потенційний бар'єр, що перешкоджає проходженню електронних зарядів з однієї області в іншу (рівноважний стан). При підключенні зовнішнього джерела «мінусом» до анода, а «плюсом» до катода значення потенційного бар'єру зростає (напруга з такою полярністю щодо р-і-переходу називають зворотним) і стан рівноваги зарядів порушиться. В результаті через діод почне протікати невеликий струм г 0 . Цей струм слабо залежить від величини зворотної напруги і з його збільшенням наближається до постійного значення / 0 , відповідному так званому тепловому току. Збільшення зворотної напруги понад певного значення призведе до виникнення пробою, супроводжуваного різким збільшенням електричної провідності. Характер процесів, що виникають при пробої, різний і залежить від виду пробою. Зокрема, розрізняють лавинний і тунельний пробій. Якщо процеси пробою НЕ будуть обмежені за часом і величиною зворотного струму, то відбувається руйнування структури приладу.

Принцип дії діода

Мал. 1.2. Принцип дії діода:

а - позначення діода; б - підключення діода до джерела напруги зворотної полярності; в - прямий полярності

При підключенні до діода зовнішнього джерела прямого напруги ( «плюс» джерела - к / ^ - області, а «мінус» - до ^-області) напруга потенційного бар'єру в ОПЗ знижується (див. Рис. 1.2, в). В результаті через діод починає протікати прямий струм:

де / 0 - зворотний струм діода при впливі зворотної напруги; ср т - теплової потенціал, що залежить від температури (ф т = 0,26 В).

Статична вольт-амперна характеристика (ВАХ) діода при позитивному (прямому) напрузі може бути представлена експонентою (рис. 1.3, а ), а при зворотному напрузі зворотний струм діода зростає до значення / 0 при збільшенні напруги до граничного значення U BR , відповідного пробою . Статичні ВАХ можуть бути апроксимувати лінійними функціями (рис. 1.3, б).

Статичні ВАХ діода

Мал. 1.3. Статичні ВАХ діода:

а - реальна; б - аппроксимированная

У силових електронних апаратах діод використовується в якості некерованого електронного ключа , стан якого залежить від полярності напруги підключеного до нього джерела. Перехід діода в провідний стан (замкнутий ключ) відповідає підключенню прямого напруги, при цьому напруга між анодом і катодом стає малим (Д U F < 1 В). Якщо до діода докладено зворотна напруга, то він знаходиться в непроводящем стані (розімкнутий ключ). Таким чином, умова включення діода - подача прямого напруги анод-катод (г / А до> 0), а для виключення необхідне виконання двох умов:

1) негативне напруга між анодом і катодом (і АК <0); 2) зниження струму діода до нуля ( i F = 0). Виконання другої умови визначається характером зміни струму в цінуй з діодом, що залежать від виду навантаження (активна, активно-індуктивна і т.д.).

Динамічні процеси і характеристики діодів при включенні і виключенні істотно відрізняються від статичних і відповідно різні динамічні і статичні ВАХ. Розглянемо їх більш детально.

Включення діода. Припустимо, що в початковому стані діод вимкнений йод впливом зворотної напруги u R і послідовно з діодом включена індуктивність L, що обмежує швидкість наростання струму при його включенні. У цьому стані /? - я-перехід діода можна характеризувати деякої ємністю, званої бар'єрної і зарядженої з полярністю, що відповідає зворотному напрузі. При подачі на діод прямого напруги в момент часу t = t 0 починається процес включення діода (рис. 1.4). Перший етап його характеризується розрядом бар'єрної ємності і зростанням струму зі швидкістю, обмеженою головним чином індуктивністю L. Включення закінчується в момент часу t = коли напруга анод-катод діода приймає стале значення, відповідне прямому струму. При високій швидкості наростання струму (див. Рис. 1.4, крива 1) через наявність власної індуктивності висновків діода можливе деяке перевищення прямого напруги на діоді над сталим значенням. При зниженні швидкості наростання струму (див. Рис. 1.4, крива 2) сплеск прямого напруги відсутня, загальний час включення збільшується, і процес завершується в момент часу t = t 2 .

Діаграми струму і напруги діода при включенні

Мал. 1.4. Діаграми струму і напруги діода при включенні

Вимкнення діода. Вимкнення діода відбувається при подачі зворотної напруги на включений діод, по якому протікає прямий струм i F . В результаті струм починає спадати зі швидкістю, яка визначається індуктивністю L в контурі цінуй підключеного джерела зворотної напруги (рис. 1.5). До підключення джерела зворотної напруги в момент часу t =? 0 діод знаходився в провідному стані і в ньому був накопичений надлишковий заряд носіїв. Починаючи з моменту часу t =? 0 струм в діоді зменшується, а надлишковий заряд розсмоктується. У момент часу tt x струм проходить через нуль, і через діод починає протікати зворотний струм i RR . У момент часу t = ^ закінчується процес розсмоктування надлишкового заряду і діод відновлює свої замикаючі властивості, блокуючи протікання зворотного струму i RR . Внаслідок цього ток починає спадати зі швидкістю, яка залежить від типу діода (на рис. 1.5 крива 1 відповідає плавному зменшення зворотного потоку, а крива 2 - різкого). Через наявність індуктивності L в ланцюзі комутації спад зворотного струму викликає поява перенапруги на вимикати діоді. У момент часу t = ? 3 , коли зворотний струм зменшиться до значення i RR = Irrm / 4, процес відновлення замикаючих властивостей закінчується. Інтервал часу t RR = t 3 - t x - час зворотного відновлення діода.

Діаграми струму і напруги діода при виключенні

Мал. 1.5. Діаграми струму і напруги діода при виключенні

За основними параметрами і призначенням діоди прийнято розділяти на три групи: загального призначення, бистровосстанавлівающіеся і діоди Шотткі. Час зворотного відновлення діодів загального призна- ня t RR > 25 мкс, що обмежує їх використання в ланцюгах з частотою вище 1 кГц. Бистровосстанавлівающіеся діоди мають t RR < 5 мкс, можуть використовуватися в високочастотних ланцюгах, проте допустимі значення струму (до 1 до А) і зворотної напруги (до 3 кВ) нижче в кілька разів, ніж у діодів загального призначення. Час відновлення у діодів Шотткі нс перевищує 0,3 мкс внаслідок зниження інерційності через відсутність накопичення неосновних носіїв, граничне зворотна напруга становить 100 В. Такі діоди використовуються в високочастотних і імпульсних ланцюгах низької напруги.

 
Переглянути оригінал
< Попер   ЗМІСТ   ОРИГІНАЛ   Наст >