Выпрямительные диоды применяются в цепях управления, коммутации, в ограничительных и развязывающих цепях, в источниках питания для преобразования (выпрямления) переменного напряжения в постоянное, в схемах умножения напряжения и преобразователях постоянного напряжения, где не предъявляются высокие требования к частотным и временным параметрам сигналов. В зависимости от значения максимального выпрямляемого тока различают выпрямительные диоды малой мощности (\(I_{пр max} \le {0,3 А}\)), средней мощности (\({0,3 А} < I_{пр max} \le {10 А}\)) и большой мощности (\(I_{пр max} > {10 А}\)). Диоды малой мощности могут рассеивать выделяемую на них теплоту своим корпусом, диоды средней и большой мощности должны располагаться на специальных теплоотводящих радиаторах, что предусматривается в т.ч. и соответствующей конструкцией их корпусов.
Обычно, допустимая плотность тока, проходящего через \(p\)-\(n\)-переход, не превышает 2 А/мм2, поэтому для получения указанных выше значений среднего выпрямленного тока в выпрямительных диодах используют плоскостные \(p\)-\(n\)-переходы. Такие переходы имеют существенную емкость, что ограничивает максимальную допустимую рабочую частоту (\(f_р\)) выпрямительных диодов.
Выпрямительные свойства диодов тем лучше, чем меньше обратный ток при заданном обратном напряжении и чем меньше падение напряжения при заданном прямом токе. Значения прямого и обратного токов отличаются на несколько порядков, а прямое падение напряжения не превышает единиц вольт по сравнению с обратным напряжением, которое может составлять сотни и более вольт. Поэтому диоды обладают односторонней проводимостью, что позволяет использовать их в качестве выпрямительных элементов. Вольт-амперные характеристики (ВАХ) германиевых и кремниевых диодов различаются. На рис. 2.3‑1 для сравнения показаны типичные ВАХ для германиевых и кремниевых выпрямительных диодов при различных температурах окружающей среды.
Рис. 2.3-1. Вольт-амперные характеристики выпрямительных диодов при различных температурах окружающей среды
По приведенным ВАХ видно, что обратный ток кремниевых диодов значительно меньше обратного тока германиевых диодов. Кроме того, обратная ветвь вольт-амперной характеристики кремниевых диодов не имеет явно выраженного участка насыщения, что обусловлено генерацией носителей зарядов в \(p\)-\(n\)-переходе и токами утечки по поверхности кристалла. При подаче обратного напряжения превышающего некий пороговый уровень происходит резкое увеличение обратного тока, что может привести к пробою \(p\)-\(n\)-перехода. У германиевых диодов, вследствие большой величины обратного тока, пробой имеет тепловой характер. У кремниевых диодов вероятность теплового пробоя мала, у них преобладает электрический пробой. Пробой кремниевых диодов имеет лавинный характер, поэтому у них, в отличие от германиевых диодов, пробивное напряжение повышается с увеличением температуры. Допустимое обратное напряжение кремниевых диодов (до 1600 В) значительно превосходит аналогичный параметр германиевых диодов.
Обратные токи в значительной степени зависят от температуры перехода. Из рисунка видно, что с ростом температуры обратный ток возрастает. Для приближенной оценки можно считать, что с увеличением температуры на 10 °С обратный ток германиевых диодов возрастает в 2, а кремниевых - в 2,5 раза. Верхний предел диапазона рабочих температур германиевых диодов составляет 75...80 °С, а кремниевых - 125 °С. Существенным недостатком германиевых диодов является их высокая чувствительность к кратковременным импульсным перегрузкам.
Вследствие меньшего обратного тока кремниевого диода его прямой ток, равный току германиевого диода, достигается при большем значении прямого напряжения. Поэтому мощность, рассеиваемая при одинаковых токах, в германиевых диодах меньше, чем в кремниевых. Прямое напряжение при малых прямых токах, когда преобладает падение напряжения на переходе, с ростом температуры уменьшается. При больших токах, когда преобладает падение напряжения на сопротивлении нейтральных областей полупроводника, зависимость прямого напряжения от температуры становится положительной. Точка, в которой отсутствует зависимость прямого напряжения от температуры (т.е. эта зависимость меняет знак), называется точкой инверсии . У большинства диодов малой и средней мощности допустимый прямой ток, как правило, не превышает точки инверсии, а у мощных диодов допустимый ток может быть выше этой точки.
Полупроводниковые диоды и их характеристики
Диодом называют полупроводниковый прибор, который состоит из одного - перехода и имеет два вывода: анод и катод. Полупроводниковые диоды весьма многочисленны, и одним из основных классификационных признаков служит их назначение, которое связано с использованием определенного явления в- переходе.
Диоды, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный, называют выпрямительными. Д ля них основным является вентильный эффект (большая величина отношения прямого тока к обратному), но не предъявляется жестких требований к временным и частотным характеристикам. Они рассчитываются на значительные токи и имеют большую площадь- перехода. В реальных диодах, как правило, используются несимметричные - переходы. В таких переходах одна из областей кристалла (область с большей концентрацией основных носителей), обычно , бывает достаточно низкоомной, а другая - высокоомной. Низкоомная область является доминирующим источником подвижных носителей зарядов, и ток через диод при прямом включении перехода практически полностью определяется потоком ее основных носителей. Поэтому низкоомную область полупроводникового кристалла диода называют эмиттером. Различие в концентрации основных носителей зарядов сказывается и на расположении - перехода на границе областей с различным типом электропроводности. В связи с большей концентрацией носителей в низкоомной области (как отмечено выше) ширина - перехода в ней оказывается меньше, чем в высокоомной. Если различие в концентрации основных носителей велико, то - переход почти целиком расположится в высокоомной области, которая получила название базы.
Вольт-амперные характеристики реальных диодов и - переходов близки друг к другу, но не одинаковы (рисунок 1.6). Отличия наблюдаются как на прямой, так и на обратной ветви. Это объясняется тем, что при анализе процессов в - переходе не учитывают ни размеры кристалла и перехода, ни сопротивления полупроводниковых слоев, прилегающих к переходу. Наличие в полупроводниковом кристалле высокоомной области базы, которая характеризуется сопротивлением , приводит к дополнительному падению напряжения , в результате прямая ветвь диода проходит положе, чем впереходе. Обратная ветвь ВАХ диода проходит ниже, чем у идеальногоперехода, т.к. к току насыщения добавляется ток утечки по поверхности кристалла .
Рисунок 1.6 - Условное обозначение диода (а);
вольт-амперные характеристики (в):
1 - идеального- перехода, 2 – реального диода
Диоды могут производиться на основе германия или кремния; их ВАХ имеют существенные различия (рисунок 1.7)
Рисунок 1.7 - Вольт-амперные характеристики германиевого (1),
кремниевого (2) диодов
Сдвиг прямой ветви характеристики влево обусловлен различием в величине потенциального барьера , а положение обратной ветви определяется различием концентраций неосновных носителей, которые зависят от ширины запрещенной зоны полупроводника.
Вид вольт-амперной характеристики зависит от температуры полупроводникового кристалла (рисунок 1.8).
Рисунок 1.8 - Зависимость вида ВАХ диода от температуры
С ростом температуры уменьшается прямое падение напряжения на диоде при постоянном значении прямого тока . Прямое напряжение изменяется на 2.1 мВ при изменении температуры на 1ºС.
Обратный ток увеличивается с ростом температуры в два раза при изменении температуры на 10ºС для германиевых и в три раза для кремневых диодов, однако, следует учитывать, что обратный ток кремневых диодов на три порядка меньше, чем германиевых.
В настоящее время наибольшее распространение получили кремниевые выпрямительные диоды, которые имеют следующие преимущества:
Во много раз меньшие (по сравнению с германиевыми) обратные токи при одинаковом напряжении; высокое значение допустимого обратного напряжения, которое достигает 1000...1500 В, в то время как у германиевых диодов оно находится в пределах 100...400 Вт;
Работоспособность кремниевых диодов сохраняется при температурах от -60 до +150 °С, германиевых - лишь от -60 до +85 °С (при температуре выше 85 °С в германии резко возрастает термогенерация, что увеличивает обратный ток, и может привести к потере диодом вентильных свойств).
Однако в выпрямительных устройствах низких напряжений и больших токов выгоднее применять германиевые диоды, так как их сопротивление в прямом направлении в 1,5...2 раза меньше, чем у кремниевых при одинаковом токе нагрузки, что уменьшает мощность, рассеиваемую внутри диода.
Основные параметры выпрямительных диодов:
максимально допустимое обратное напряжение диода - значение напряжения, приложенного в обратном направлении, которое диод может выдержать в течение длительного времени без нарушения его работоспособности;
средний выпрямленный ток диода - среднее за период значение выпрямленного тока, протекающего через диод;
импульсный прямой ток диода - пиковое значение импульса тока при заданных максимальной длительности, скважности и форме импульса;
средний обратный ток диода - среднее за период значение обратного тока;
среднее прямое напряжение диода при заданном среднем значении прямого тока ;
средняя рассеиваемая мощность диода - средняя за период мощность, рассеиваемая диодом при протекании тока в прямом и обратном направлениях;
дифференциальное сопротивление диода - отношение приращения прямого напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока.
Выпрямительные диоды являются одним из наиболее распространенных типов полупроводниковых диодов. Работавыпрямительных диодов основана на явленииодносторонней проводимости p-n перехода иони предназначены для преобразования переменного тока в постоянный. Для выпрямительных диодов характерно небольшое сопротивление в проводящем состоянии, позволяющее пропускать большие токи. Для эффективного выпрямления выпрямительные диоды должны обеспечить наибольший выпрямленный ток и большое обратное напряжение. С целью получения большого прямого тока выпрямительные диоды выполняются с большой площадью контакта, т.е. плоскостными. Обычно допустимое обратное напряжение составляет 75…80 % пробивного напряжения. Большое допустимое обратное напряжение обеспечивается за счет большого удельного сопротивления базовой области материала полупроводника. В подавляющем большинстве случаев выпрямительные диоды работают на промышленных частотах (50 и 400 Гц), верхняя граница рабочих частот, как правило, не превышает 20 кГц.
Выпрямительные диоды, в основном, изготавливаются из германия и кремния. На рисунке 1.1 показана конструкция маломощного сплавного диода и его условно-графическое обозначение, а на рисунке 1.2 приведены вольт-
Рис.1.1. Условно графическое обозначение а) и конструкция маломощного диода б).
амперные характеристики германиевого а) и кремниевого б) полупровод-никовых выпрямительных диодов для двух температур. Из анализа этих характеристик видно, что:
Прямая ветвь вольтамперной характеристики кремниевых диодов расположена правее, чем для германиевых. Таким образом, пороговое напряжение, при котором наблюдается заметный прямой ток для кремниевого диода, выше германиевого, что несколько ухудшает выпрямительные свойства кремниевых диодов, особенно при выпрямлении напряжений с малой амплитудой;
При комнатной температуре величина обратного тока кремниевых диодов значительно меньше, чем у германиевых диодов, из-за меньшей
концентрации неосновных носителей в кремниевом полупроводнике;
 |
Рис.1.2. Вольтамперные характеристики германиевого а) и кремниевого б) полупроводниковых выпрямительных диодов для двух температур
Вольтамперные характеристики диодов существенно зависят от температуры. При повышении температуры растет генерация пар носителей тока, что вызывает рост собственной проводимости полупроводника, растут прямой и обратный токи, причем обратный ток растет гораздо быстрее, чем прямой ток, и диод теряет свое основное назначение – одностороннюю проводимость. Установлено, что обратный ток увеличивается у германиевых диодов в 2 раза, а у кремниевых в 2,5 раза при увеличении температуры на каждые 10 0 С;
Влияние температуры на характеристики полупроводниковых диодов, изготовленных из германия и кремния, различно и для них существует некоторый интервал допустимых температур. Для германиевых диодов этот интервал составляет -60…+70 0 С, а для кремниевых диодов -60…+120 0 С;
Значение напряжения пробоя кремниевых диодов выше, чем у германиевых, при этом у германиевых диодов механизм пробоя обычно является тепловым, а у кремниевых – электрическим за счет лавинного пробоя.
Для изготовления выпрямительных диодов предпочтительным является кремний, имеющий более высокую допустимую температуру и более низкую цену по сравнению с германием. Однако в мощных низковольтных выпрямителях предпочтительнее германиевые диоды, поскольку они имеют меньшее пороговое напряжение, чем кремниевые. В ряде случаев в мощных выпрямителях применяют диоды Шоттки, в которых используется выпрямляющий контакт металла с полупроводником. Их изготавливают на основе кремния; благодаря меньшему пороговому напряжению (0,3 В вместо 0,7 В у обычных кремниевых диодов) диоды Шоттки обеспечивают более высокий коэффициент полезного действия, особенно в низковольтных выпрямителях.
Параметры, характеризующие свойства выпрямительных диодов, подразделяются на статические и динамические . К статическим относятся:
Постоянный прямой ток I пр при заданном прямом напряжении V пр на диоде;
Значение обратного тока I обр при заданном значении обратного напряжения V обр ;
Рабочий диапазон температур 
;
Отводимая мощность 
, где Т пер
и Т кор
– температуры перехода и корпуса диода, R T
- тепловое сопротивление переход-корпус;
Максимально допустимый прямой ток диода I пр.мак , который в зависимости от диода может составлять от нескольких десятков м А до нескольких к А;
Максимально допустимое обратное напряжение V обр..мак, которое составляет для диодов из германия до 400В, а из кремния до 1000В;
Максимальная мощность рассеяния , где I – ток, протекающий через диод; V – напряжение, приложенное к диоду;
Сопротивление постоянному току в заданной рабочей точке .
К динамическим параметрам относятся:
Средний выпрямленный ток I прср - среднее за период значение прямого тока;
Среднее прямое напряжение V прср при заданном значении среднего прямого тока;
Максимальная частота f мак , на которой I прср уменьшается в раз по сравнению на низкой частоте;
Максимальная емкость диода С мак ;
Внутреннее или дифференциальное сопротивление диода в рабочей точке 
, где - приращение напряжения и - приращения тока около рабочей точки;
Коэффициент выпрямления при заданном напряжении 
.
По величине среднего выпрямленного тока выпрямительные диоды делятся на три группы:
Маломощные (на ток до 0,3А);
Средней мощности (на ток от 0,3 до 10А);
Мощные (на ток свыше 10А).
Выпрямительные диоды и их рабочие режимы необходимо выбирать таким образом, чтобы выделяемая на переходе мощность не превышала мощность рассеяния. Из вольтамперной характеристики (рис.1.2) видно, что уже при сравнительно малых прямых напряжениях (менее одного вольта) прямой ток достигает значительной величины и, чтобы не произошел тепловой пробой, необходимо ограничить значение тока так, чтобы выполнялось условие .
Тепловой пробой возможно также избежать отводом выделяемого тепла, что в диоде малой мощности осуществляется непосредственно корпусом, в диодах средней мощности – специальными устройствами – радиаторами, в которые монтируется диод, а в мощных диодах используется принудительное воздушное или водяное охлаждение.
Помимо дискретных выпрямительных диодов в радиоэлектронной аппаратуре находят применение выпрямительные блоки, конструктивно представляющие собой завершенное устройство, состоящее из нескольких выпрямительных диодов, соединенных по определенной схеме. К ним относятся мостовые схемы, умножители напряжения, диодные сборки и т.д. В высоковольтных выпрямителях находят применение выпрямительные столбы, в которых выпрямительные диоды, обычно кремниевые, соединены последовательно и собраны в единую конструкцию с двумя выводами.
Выпрямительный диод - это электронное устройство, предназначенное для преобразования тока переменного в ток постоянный. Это такой двухэлектродный прибор, у которого есть только односторонняя (униполярная) электрическая проводимость. Выпрямительный диод из полупроводниковых материалов и так называемые (когда четыре диода подключены по диагонали попарно в одном корпусе) пришли на смену игнитрону и электровакуумному диоду.
Эффект выпрямления переменного тока и преобразования его в постоянный возникает на переходе полупроводник-металл, металл-полупроводник или же в так называемом электронно-дырочном переходе в некоторых кристаллах (например, кремний, германий, селен, закись меди). Такие кристаллы часто служат основой прибора.
Полупроводниковый выпрямительный диод применяют в радиотехнике, в электронных и электрических устройствах. По сути, выпрямление - это преобразование тока переменного (напряжения) в ток одной полярности (пульсирующий постоянный). Такого типа выпрямление в технике необходимо для размыкания и замыкания электрический цепей, коммутации и детектирования электрических сигналов и импульсов, и для многих других подобных преобразований. Такие характеристики диода, как быстродействие, стабильность параметров, емкость p-n переходов не обязывают предъявлять к себе какие-то специальные требования.
У такого устройства есть определенные электрические параметры и характеристики диодов:
Прямое напряжение при указанном значении тока (берется ;
Обратный ток при заданном значении обратного напряжения и температуры ;
Амплитудные допустимые значения для максимального обратного напряжения;
Усредненное значение прямого тока;
Значение величины частоты без снижения режима;
Сопротивление.
Выпрямительный диод часто сокращенно называют просто выпрямителем. Как компонент электрической цепи, он оказывает высокое сопротивление току, который протекает в одном направлении, и низкое тому, который протекает в направлении обратном. Это и вызывает
У такого устройства, как диод выпрямительный, достаточно небольшой Рабочая частота для промышленного использования такого прибора при преобразовании переменного тока в постоянный составляет 50 Гц. Предельной частотой принято считать не более чем 20 кГц.
Выпрямительный диод как электронное устройство можно поделить на несколько групп по значению максимального среднего прямого тока. Это диод малой мощности (до 0,3 ампер), средней мощности (от 0,3 А до 10 А) и сверхмощные (силовые) выпрямительные диоды (более десяти ампер).
К основным параметрам такого электронного устройства, как выпрямительный диод, необходимо отнести и рабочий диапазон для температуры окружающей среды (обычно она колеблется от -50 до +130 градусов Цельсия для наиболее распространенного типа диода - кремниевого) и максимальную температуру корпуса (самые разные параметры, в зависимости от мощности, назначения и производителя).
Хотя все диоды являются выпрямителями, этот термин обычно применяется к устройствам, предназначенным для подачи питания, чтобы отличать их от элементов, используемых для небольших сигнальных цепей. Выпрямительный диод большой мощности применяется для выпрямления переменного тока с низкой частотой питания, составляющей 50 Гц, при высокой мощности, излучаемой во время нагрузки.
Основной задачей диода является преобразование переменного напряжения в постоянное через применение в выпрямительных мостах. Это позволяет электричеству идти только в одном направлении, обеспечивая работу источника питания.
Принцип работы выпрямительного диода понять несложно. Его элемент состоит из структуры, именуемой pn-переходом. Сторона p-типа называется анодом, а n-типа - катодом. Ток пропускается от анода к катоду, при этом почти полностью предотвращается его протекание в обратном направлении. Это явление называется выпрямлением. Оно преобразует переменный ток в однонаправленный. Устройства этого типа могут обрабатывать более высокое электричество, чем обычные диоды, поэтому они называются мощными. Возможность проведения высокой величины тока может быть классифицирована как их основная особенность.
Сегодня чаще всего используются кремниевые диоды . Если их сравнивать с элементами из германия, то они имеют большую поверхность соединения. Поскольку германий обладает низкой устойчивостью к теплу, большинство полупроводников изготовлено из кремния. Устройства из германия отличаются значительно меньшим допустимым обратным напряжением и температурой перехода. Единственное преимущество, которое имеет диод из германия перед кремнием, - это более низкое значение напряжения при работе в прямом смещении (VF (IO) = 0,3 ÷ 0,5 В для германия и 0,7 ÷ 1,4 В для кремния).
Сегодня существует множество различных разновидностей выпрямителей. Их принято классифицировать по:
Наиболее распространённые типы - это 1 A, 1,5 A, 3 A, 5 A и 6 A. Также существуют стандартные устройства с максимальным средним выпрямленным током до 400 A. Прямое напряжение может варьироваться от 1,1 мВ до 1,3 кВ.
характеризуются следующими допустимыми пределами:
Примером высокопроизводительного элемента является диод с двойным высокоточным выпрямителем с током 2x30А, который лучше всего подходит для базовых станций, сварщиков, источников питания переменного/постоянного тока и промышленных применений.
В качестве простейшего полупроводникового компонента диод этого типа имеет широкий спектр применения в современных электронных системах. Различные электронные и электрические схемы используют этот компонент в качестве важного устройства для получения требуемого результата. Область применения выпрямительных мостов и диодов обширна. Вот несколько таких примеров:
Мощные выпрямительные диоды являются жизненно важным компонентом источников питания. Они используются для регулирования электроэнергии в компьютерах и автомобилях, а также могут применяться в зарядных устройствах для аккумуляторных батарей и компьютерных источников питания.
Кроме того, они часто используются и для других целей (например, в детекторе радиоприёмников для проведения радиомодуляции). Вариант диода с барьером Шоттки особенно ценится в цифровой электронике. Диапазон рабочих температур от -40 до +175 °C позволяет использовать эти устройства при любых условиях.
