Как зависит прямое напряжение диода от температуры

Основные параметры полупроводниковых диодов и их зависимость от температуры

На практике обычно нет необходимости получать всю вольт-ампер­ную характеристику, достаточно знать несколько её точек, называемых электрическими параметрами полупроводниковых диодов.

Выпрямленный ток — среднее значение тока, который может дли­тельно протекать через диод, не вызывая недопустимого перегрева и необ­ратимого изменения его характеристик.

Прямой ток — ток, протекающий через выпрямитель в пропускном направлении при приложенном к нему определенном постоянном напря­жении.

Наибольшая амплитуда обратного напряжения — амплитуда напря­жения, которое может быть приложено к выпрямителю в пропускном (обратном) направлении в течение длительного времени без опасности на­рушения нормальной работы диода.

Внутреннее дифференциальное сопротивление — отношение прира­щения напряжения к соответствующему приращению тока:

а) в прямом направлении: ;

Коэффициент выпрямления — отношение токов в прямом и обратном направлениях

Коэффициент полезного действия — отношение мощностей на вы­ходе и входе диода

100%.

Температурная зависимость вольт — амперных характеристик и пара­метров полупроводниковых диодов

Вольт — амперная характеристика диода существенно зависит от его температуры. На рис. 4 показано её изменение при нагреве прибора. Наи­более сильно с изменением температуры меняются ток насыщения и соот­ветственно обратное статическое сопротивление диода. Входящие в вы­ражение для тока насыщения величины n_p и р_р изменяются с температу­рой по экспоненциальному закону , где ΔE_g — ширина запрещен­ной зоны полупроводника. Соответственно по этому же закону будет уменьшаться обратное статическое сопротивление диода. Линейный уча­сток обратной ветви вольт — амперной характеристики не параллелен оси напряжений. Возрастание тока насыщения с увеличением напряжения ха­рактеризуется динамическим сопротивлением. При сравнении вольт — ам­перных характеристик одного диода при различных температурных усло­виях видно, что линейные участки обратных ветвей почти параллельны друг другу, т. е. динамическое сопротивление R_дин = слабо изменяется с температурой, в то время как изменения статистического сопротивления R_ст = значительны. Рост тока насыщения с повышением температуры практически является основным фактором , определяющим температур­ный предел работы диода. При повышении температуры уменьшается и прямое сопротивление диода, увеличивается прямой ток, но в меньшей степени, чем обратный ток. Это объясняет уменьшение коэффициента вы­прямления с повышением рабочей температуры полупроводникового диода.

Рис. 4. Вольт — амперная характеристика диода при различных темпера­турах T₁

Источник

Влияние температуры на ВАХ диода

температура окружающей среды оказывает существенное влияние на вольт-амперную характеристику диода. С изменением температуры несколько меняется ход как прямой, так и обратной ветви ВАХ.

При увеличении температуры возрастает концентрация неосновных носителей в кристалле полупроводника. Это приводит к росту обратного тока перехода (за счет увеличения тока двух его составляющих: I_о и I_тг), а также уменьшению обьемного сопротивления области базы. При увеличении температуры обратный ток насыщения увеличивается примерно в 2 раза у германиевых и в 2,5 раза у кремниевых диодов на каждые 10 °С. Зависимость обратного тока от температуры аппроксимируется выражением

где: I_(Т0)-ток измерен при температуре Т0; Т – текущая температура; Т* — температура удвоения обратного тока — (5-6) 0 С – для Ge и (9-10) 0 С – для Si.

Максимально допустимое увеличение обратного тока диода определяет максимально допустимую температуру диода, которая составляет 80— 100 °С для германиевых диодов и 150 — 200 °С для кремниевых..

Ток утечки слабо зависят от температуры, но может существенно изменяться во времени. Поэтому он, в основном, определяет временную нестабильность обратной ветви ВАХ.

Прямая ветвь ВАХ при увеличении температуры сдвигается влево и становится более крутой (рис.2.2). Это объясняется ростом I_обр (рис.2.2) и уменьшением r_б, Последнее, уменьшает падение напряжения на базе, а напряжение непосредственно на переходе растет при неизменном напряжении на внешних выводах.

Для оценки температурной нестабильности прямой ветви вводится температурный коэффициент напряжения (ТКН) a_т=DU/DT, показывающий, как изменится прямое напряжение на диоде с изменением температуры на 1 0 С при фиксированном прямом токе. В диапазоне температур от -60 до +60″С a_т @-2,3 мВ/°С.

Выпрямительные диоды

Выпрямительные диоды – предназначены для выпрямления низкочастотного переменного тока и обычно используются в источниках питания. Под выпрямлением понимают преобразование двухполярного тока в однополярный. Для выпрямления используется основное свойство диоды – их одностороняя проводимость.

В качествевыпрямительных диодов в источниках питания для выпрямления больших токов используют плоскостные диоды, которые имеют большую площадь контакта р и п областей. Такие диоды обладают большой барьерная емкостью, емкостное сопротивление Xc=1/(ωC) с ростом частоты становится мало и закорачивает (шунтирует) сопротивление перехода г_pn, в результате чего выпрямления не выполняется, но это не существенно, т.к. такие диоды используют в низкочастотных схемах. Кроме того такие диоды имеет большую величину обратного тока.

Основные параметры выпрямительных диодов даются применительно к их работе в однополупериодном выпрямителе с активной нагрузкой (без конденсатора, сглаживающего пульсации).

Среднее прямое напряжение U_пр.._ср — среднее за период прямое напряжение на диоде при протекании через него максимально допустимого выпрямленного тока.

Средний обратный ток I_{обр. ср} — средний за период обратный ток, измеряемый при максимальном обратном напряжении.

Максимально допустимое обратное напряжение U_{обр. mах} (U_{обр. и mах}) — наибольшее постоянное (или импульсное) обратное напряжение, при котором диод может длительно и надежно работать.

Максимально допустимый выпрямленный ток I_{вп. ср mаах}— средний за период ток через диод (постоянная составляющая), при котором обеспечивается его надежная длительная работа.

Максимальная частота f_мах — наибольшая частота подводимого напряжения, при которой выпрямитель на данном диоде работает достаточно эффективно, а нагрев диода не превышает допустимой величины.

Средняя рассеиваемая мощность диода Р_{ср Д} – средняя за период мощность рассеиваемая диодом при протекании тока в прямом и обратном направлении.

Превышение максимально допустимых величин ведет к резкому сокращению срока службы или пробою диода.

Улучшая условия охлаждения (вентиляцией, применением радиаторов), можно увеличить отводимую мощность и избежать теплового пробоя. Применение радиаторов позволяет также увеличить прямой ток.

Промышленностью выпускаются кремниевые выпрямительные диоды на токи до сотен ампер и обратные напряжения до тысяч вольт. Если необходимо работать при обратных напряжениях, превышающих допустимые Uобр для одного диода, то диоды соединяют последовательно. Для увеличения выпрямленного тока можно применяться параллельное включение диодов.

Однополупериодный выпрямитель (рис.2.6). Трансформатор предназначен для понижения амплитуды переменного напряжения. Диод служит для выпрямления переменного тока. Временные диаграммы, поясняющие процесс работы однополупериодного выпрямителя представлены на рис.2.7.

2) Двухполупериодный выпрямитель. Предыдущая схема имеет существенный недостаток. Он состоит в том, что не используется часть энергии первичного источника питания (отрицательный полупериод). Недостаток устраняется в схеме двухполупериодного выпрямителя.

В первый положительный (+) полупериод, ток протекает так : +, VD3, , VD2, — . Во второй – отрицательный (-) так: +, VD4, , VD1,- . В обоих случаях он через нагрузку протекает в одном направлении ↓- сверху вниз, т.е. происходит выпрямление тока.

Импульсные диоды – это диоды, которые предназначены для работы в ключевом режиме в импульсных схемах. Диоды в таких схемах выполняют роль электрических ключей. Электрический ключ имеет два состояния:

1. Замкнутое, когда его сопротивление равно нулю R_vd =0.

2. Разомкнутое, когда его сопротивление бесконечно R_vd=∞.

Этим требованиям удовлетворяют диоды в зависимости от полярности приложенного напряжения. Они имеют малое сопротивление при смещениях в прямом направлении, и большое сопротивление при смещениях в обратном направлении

3. Важным параметром переключающих диодов является их быстродействие переключения. Факторами, ограничивающими скорость переключения диода, является:

б) скорость диффузии и связанные с ней время накопления и рассасывания неосновных носителей заряда.

В импульсных диодах высокая скорость переключения достигается уменьшением площади p-n-перехода, что снижает величину ёмкости диода. Однако, это уменьшает величину максимального прямого тока диода (I_{прям.max.}). Импульсные диоды характеризуются теми же параметрами, что и выпрямительные, но имеют так же и специфические, связанные с быстродействием переключения. К ним относятся:

1) Время установления прямого напряжения на диоде (t_уст ):

t_уст. – время, за которое напряжение на диоде при включении прямого тока достигает своего стационарного значения с заданной точностью. Это время связанно со скоростью диффузии состоит в уменьшением сопротивления области базы за счёт накопления в ней неосновных носителей заряда инжектируемых эмиттером. Первоначально оно высоко, т.к. мала концентрация

носителей заряда. После подачи прямого напряжения концентрация неосновных носителей заряда в базе увеличивается, это снижает прямое сопротивление диода.

2) Время восстановления обратного сопротивления диода (t_восст.): определяется как время, в течение которого обратный ток диода после переключения полярности приложенного напряжения с прямого на обратное достигает своего стационарного значения с заданной точностью. Это время связано с рассасыванием из базы неосновных носителей заряда накопленных при протекании прямого тока.

t_восст. – время, за которое обратный ток через диод при его переключении достигает своего стационарного значения, с заданной точностью I₀, обычно 10% от максимального обратного тока.

t_1. – время рассасывания, за которое концентрация неосновных носителей заряда на границе р-п-перехода обращается в ноль.

t_2. – время разряда диффузионной емкости, связанное рассасыванием неосновных зарядов в объме базы диода.

В целом время восстановление это время выключения диода, как ключа.

Диоды Шотки.

Электрический переход, возникающий на границе металл – полупроводник, при определенных условиях обладает выпрямительными свойствами. Он создаётся путём напыления металла на высокоомный полупроводник, например, n-типа. Прибор на основе такого перехода называется диодом Шотки. Главная особенность этого диода – это отсутствие неосновных носителей заряда в процессе его работы. Прямой ток обусловлен электронами, движущимися из кремния в металл. Следовательно, практически отсутствуют процессы их накопления и рассасывания, а потому диоды Шоттки имеют высокое быстродействие переключения.

Другой особенностью этих диодов является малое (по сравнению с обычными кремниевыми диодами) прямое напряжение, составляющее около 0,15В. Это связано с тем, что тепловой ток примерно на три порядка превышает ток р-n- перехода.

В импульсных схемах диоды Шоттки широко используются в комбинации с транзисторами. Такие транзисторы называются транзисторами Шотки – они имеют высокое быстродействие переключения.

Источник