Емкость диода на что влияет

8.Барьерная и диффузионная емкости диода.

Полупроводниковый диод инерционен по отношению к достаточно быстрым изменениям тока или напряжения, поскольку новое распределение носителей устанавливается не сразу. Как известно , внешнее напряжение меняет ширину перехода, а значит, и величину объемных зарядов в переходе. Кроме того, при инжекции или экстракции меняются заряды в области базы (роль зарядов в эмиттере мало существенна). Следовательно, диод обладает емкостью, которую можно считать подключенной параллельно p-n переходу. Эту емкость можно разделить на две составляющие: барьерную емкость, отражающую перераспределение зарядов в переходе, и диффузионную емкость, отражающую перераспределение зарядов в базе. Такое разделение в общем условное, но оно удобно на практике, поскольку соотношение обеих емкостей различно при разных полярностях приложенного напряжения. При прямом напряжении главную роль играют избыточные заряды в базе и соответственно — диффузионная емкость. При обратном напряжении избыточные заряды в базе малы и главную роль играет барьерная емкость. Заметим заранее, что обе емкости не линейны: диффузионная емкость зависит от прямого тока, а барьерная — от обратного напряжения.

Определим величину барьерной емкости, считая переход несимметричным типа n + -p. Тогда протяженность отрицательного заряда в базе р-типа можно считать равной всей ширине перехода: . Запишем модуль этого заряда:

, (3.47)

где N — концентрация примеси в базе; S — площадь перехода. Такой же (но положительный) заряд будет в эмиттерном слое.

Представим, что эти заряды расположены на обкладках воображаемого конденсатора, емкость которого можно определить как

Учитывая выражение ширины перехода при обратном включении, и дифференцируя заряд Q по напряжению, окончательно получаем:

(3.48)

где и соответственно ширина и высота потенциального барьера при равновесном состоянии.

При определении диффузионной емкости будем учитывать, что перераспределение заряда в базе происходит за счет инжекции неосновных носителей в базу. Поскольку база р — типа , то неосновными носителями являются электроны. Тогда для толстой базы приращение концентрации определится из формулы (3.6а), в которой при условии можно пренебречь 1.

Определим как

При

(3.49)

. (3.50а)

Учитывая значение теплового тока (3.11в) для толстой базы и связь , окончательно получим:

, (3.50б)

где диффузионный электронный ток в толстой базе;

 — время жизни неосновных носителей в базе.

В случае тонкой базы с учетом формулы (3.6б) при условии U>>_T определится как

(3.51)

Дифференцируя заряд по напряжению, и учитывая значение теплового тока для тонкой базы (3.11б), окончательно получаем:

(3.52)

где диффузионный электронный ток в тонкой базе;

среднее время диффузии или время пролета носителей через тонкую базу при чисто диффузионном механизме движения.

Имея в виду, что диод обладает емкостью, можно составить его полную эквивалентную схему для переменного тока (рис.3.10а).

Сопротивление R₀ в этой схеме представляет суммарное сравнительно небольшое сопротивление n- и p- областей и контактов этих областей с выводами. Нелинейное сопротивление R_нл при прямом включении равно R_пр, т.е. невелико, а при обратном напряжении R_нл= R_обр, т.е. оно очень большое. Приведенная эквивалентная схема в различных частотных случаях может быть упрощена. На низких частотах емкостное сопротивление очень велико и емкость можно не учитывать. Тогда при прямом смещении в эквивалентной схеме остаются лишь сопротивления R₀ и R_пр (рис.3.10б),

а при обратном напряжении – только сопротивление R_обр, так как R₀обр (рис.3.10в).

На высоких частотах емкости имеют сравнительно небольшое сопротивление. Поэтому при прямом напряжении получается схема по рис.3.10г, (если частота не очень высокая, то С_диф практически не влияет),

а при обратном остаются R_обр и С_б (рис.3.10д).

Следует иметь ввиду, что существует еще емкость С_в между выводами диода, которая может заметно шунтировать диод на очень высоких частотах. На СВЧ может также проявляться индуктивность выводов.

9. Классификация диодов.

Классификация диодов проводится в основном:

1) по технологическим методам создания электрических переходов и диодных структур

2) по выполняемой функции диодов.

По технологии изготовления диоды могут быть точечными и плоскостными. Основные характеристики точечных диодов: площадь p-n-перехода мала, имеют малую емкость (менее 1пФ), малые токи (не более 1 или десятков мА). Применяются на высоких частотах вплоть до свч. Технология: к пластинке германия n-типа или кремния n-типа приваривается при помощи большого импульса тока вольфрамовая нить, покрытая акцепторной примесью (для германия- индий, для кремния- алюминий).

Плоскостные диоды: технология изготовления может быть либо вплавление, либо диффузия. При вплавлении на очищенную поверхность полупроводниковой пластинки обычно n-типа помещается таблетка металлического акцепторного материала, например алюминий, если полупроводник кремний. При нагревании до 600…700 0 С она расплавляется и растворяет в себе прилегающий слой кремния, температура плавления которого значительно выше. После охлаждения у поверхности пластинки слой кремния р + -типа, насыщенный алюминием (эмиттер р-типа, база- n-типа). Диффузия: примесные атомы поступают обычно из газовой среды в полупроводниковую пластинку через ее поверхность при высокой температуре (около 1000 0 ) и распространяются вглубь вследствие диффузии, т.е. теплового движения. Процесс осуществляется в специальных диффузионных печах, где с высокой точностью поддерживается температура и время процесса. Чем больше время и температура, тем дальше примеси проникают в глубь пластины. Диффузионный p-n-переход получается плоским, а его площадь велика и равна площади исходной пластины, рабочие токи достигают десятков ампер.

По выполняемой функции различают диоды выпрямительные, импульсные, преобразовательные, переключательные, детекторные диоды, стабилитроны, варикапы и т.д. Отдельные классы диодов могут подразделяться на подклассы в зависимости от диапазона рабочих частот (низкочастотные, высокочастотные, СВЧ-диоды, диоды оптического диапазона). Различают диоды также по полупроводниковому материалу: наиболее широко применяется кремний, вытесняющий распространенный ранее германий. Кремниевые диоды имеют большую максимальную рабочую температуру (Si – 125…150 0 C, Ge – 70…80 0 C) и на несколько порядков меньший обратный ток. Непрерывно увеличивается число диодов на арсениде галлия (в частности, металл-полупроводниковых), превосходящих по параметрам кремниевые диоды.

Рассмотрим некоторые типы диодов и их основные параметры.

1.2.4. Емкость p-n-перехода

Общая емкость p-n-перехода измеряется между выводами кристалла при заданных постоянном напряжении (смещении) и частоте гармонического напряжения, прикладываемых к переходу. Она складывается из барьерной, диффузионной емкостей и емкости корпуса кристалла:

Барьерная (или зарядная) емкость обусловлена нескомпенсированным зарядом ионизированных атомов примеси, сосредоточенными по обе стороны от границы перехода. Эти объемные заряды неподвижны и не участвуют в процессе протекания тока. Они и создают электрическое поле перехода.

При увеличении обратного напряжения область пространственного заряда и сам заряд увеличиваются, причем это увеличение происходит непропорционально.

Барьерная емкость определяется как

где S_пер – площадь перехода.

Барьерная емкость составляет десятки — сотни пикофарад.

Диффузионная емкость обусловлена изменением величины объемного заряда, вызванного изменением прямого напряжения и инжекцией неосновных носителей в рассматриваемый слой. В результате в n-базе возникает объемный заряд дырок, который практически мгновенно (за несколько наносекунд) компенсируется зарядом собственных подошедших к дыркам электронов. Диффузионную емкость часто выражают как линейную функцию тока, учитывая экспоненциальный характер ВАХ. При этом

где — время жизни носителей для толстой базы или среднее время пролета для тонкой базы.

Диффузионная емкость составляет сотни – тысячи пикофарад.

При прямом напряжении на переходе общая емкость определяется в основном диффузионной емкостью, а при обратном напряжении – барьерной. Общий вид зависимости емкости перехода от напряжения на нем показан на рис. 1.6. Эту зависимость называют вольт – фарадной характеристикой перехода.

© Андреевская Т.М. Кафедра РЭ, МИЭМ, 2005.

Емкость диода на что влияет

Некоторые популярные диоды

Определение и типы диодов

Упрощенно диод можно понимать как активный электрический элемент проводящий ток только в одном направлении. Как клапан в гидравлике. Существует несколько типов диодов отличающихся как по физическому принципу работы, так и по базовому материалу. В очень общих чертах они делятся на полупроводниковые и вакуумные. Итак, диоды бывают:

— вакуумные (они же кенотроны);

— на основе p-n перехода между полупроводниками различных типов проводимости: кремниевые (Si) и карбидокремниевые (SiC) диоды;

— на основе контакта Шоттки между металлом и полупроводником.

Вакуумные диоды используются крайне редко, только в спецприложениях, например высоковольтной и высокочастотной технике. Наиболее популярными диодами являются кремниевые диоды и диоды Шоттки.

Кроме физической природы диоды классифицируются по функциональному назначению:

— выпрямительные диоды , используемые, как правило, для выпрямления сетевого напряжения низкой частоты (50 Гц). Как правило, это кремниевые, дешевые диоды. Они ставятся как непосредственно на входе безтрансформаторных импульсных источников питания, так и после трансформатора в трансформаторных источниках.

— быстродействующие кремниевые диоды — используются в составе импульсных источников питания при высоких значениях обратного напряжения (100-1000 вольт). Отличаются малым временем восстановления обратной проводимости, составляющим величину менее 200 нс. Внутри класса имеют условную подклассификацию Fast (500-150 нс), UltraFast (70-50 нс), HiperFast (35-20 нс).

— кремниевые импульсные диоды – используются в составе функциональных (не силовых) цепей. Типичный пример – диод 1N4148; Отличаются малыми рабочими токами (миллиамперы) и большим быстродействием (время обратного восстановления 1N4148 – 4 нс).

— высоковольтные диоды – представляют собой последовательное соединение нескольких (5-20 штук) кристаллов кремниевых диодов в одном корпусе. При этом максимальное обратное напряжение составляет единицы-десятки киловольт, а ток как правило – небольшой и не превышает 1 ампера. Используются в ряде специальных приложений. Быстродействие этих диодов, как правило, невысокое.

Отдельно следует выделить диоды Шоттки – которые используются и как функциональные (сигнальные) диоды и как силовые. Их отличительными чертами являются высокое быстродействие, малое падение напряжения (0,3-0,5 В) по сравнению с кремниевыми диодами (1-1,2 В). К недостаткам относят сравнительно малое обратное напряжение (20-100 В) чувствительность к перенапряжению, значительный обратный ток. Диоды Шоттки часто используются в качестве выпрямительных диодов высокочастотных преобразователей с малым выходным напряжением.

Здесь не рассматриваются диоды чисто радиочастотных применений СВЧ, варикапы, смесительные и т.д. поскольку это вы ходит за рамки данного повествования.

Условное обозначение диода представлено на рисунке VD.1

Электрод, в который втекает ток, называется анодом, а электрод из которого ток вытекает – катодом. Исторические названия эти связаны с вакуумными диодами, в которых электроны эмитировались накальным катодом и принимались анодом. Символически диод обозначает собой направление протекания тока.

Функциональные применения диода

— выпрямление переменного тока в составе тех или иных выпрямителей (включая умножители напряжения);

— защита от превышения напряжения в схемах ограничения уровня и снабберах;

— в пиковых детекторах на операционных усилителях;

— в низковольтных стабилизаторах напряжения (используется прямое падение напряжения);

— в схемах на переключаемых конденсаторах, включая схемы бустрепного питания;

— схемах реализации логических операций ИЛИ (рисунок VD.3 ).

Ниже представлено несколько примеров использования диодов.

— схемах ограничения амплитуды сигнала (рисунок VD.4).

Характеристики диодов

Основной характеристикой диода является его ВАХ – вольтамперная характеристика – зависимость тока пропускаемого диодом от напряжения на нем. Она не линейна и имеет фактически экспоненциальный характер.

Форма кривой ВАХ диода (рисунок VD.5) зависит от температуры: при нагреве уменьшается прямое падение напряжения и возрастает обратный ток, снижается напряжение пробоя.

Из вольтамперной характеристики следуют её производные:

— прямое падение напряжение на диоде V_F (при заданных токе и температуре);

— обратный ток утечки I_RM (при заданном обратном напряжении и температуре);

— максимальное обратное напряжение V_R (при заданной температуре).

Площадь p-n перехода, размер кристалла, конструкция теплоотвода определяют мощностные характеристики диода:

— максимальный постоянный рабочий ток;

— максимальный импульсный ток (при заданной длительности импульса);

— максимальная отводимая (рассеиваемая мощность);

— тепловое сопротивление корпуса.

Динамическими характеристиками диода, определяющими его быстродействие, являются:

— время восстановления при резкой смене напряжения с прямого на обратное;

На рисунках VD.6 — VD.8 представлены экспериментально измеренные ВАХ распространенных типов диодов (для сравнения представлены ВАХ кремниевых диодов и диода Шоттки).

Основные параметры реальных диодов

1. Максимальное импульсное обратное напряжение (Peak Repetitive Reverse Voltage) V_RRM– максимальная величина прикладываемого к диоду импульсного обратного напряжения.

2. Максимальное рабочее обратное напряжение (Working Peak Reverse Voltage) V_RWM – максимальная величина прикладываемого к диоду обратного напряжения в рабочем режиме.

3. Максимальное блокирующее напряжение (DC Blocking Voltage) V_R – максимальная величина прикладываемого к диоду постоянного напряжения. Выше этого напряжения начинается пробой. Соответствует началу пробоя на обратной ветви ВАХ.

NB: На практике все перечисленные типы напряжения равны между собой и при проектировании схем необходимо, не допускать превышения напряжения на диоде данной величины.

4. Максимальное среднеквадратичное обратное напряжение (RMS Reverse Voltage) V_R(RMS) – максимальная величина действующего (среднеквадратичного) напряжения в цепи переменного тока, превышение которой приводит к пробою диода. Фактически подразумевается переменное напряжение синусоидальной формы.

5. Средний рабочий ток (Average Rectified Output Current) I_O – максимальное среднеквадратичное значение тока проходящего через диод в стационарном режиме.

6. Максимальный импульсный ток (Repetitive peak forward current) I_FRM — максимальная амплитуда импульсного периодического тока проходящего через кристалл диода. Как правило, указывается длительность импульсов и частота повторения.

7. Максимальный импульсный непериодический ток (Non-Repetitive Peak Forward SurgeCurrent) I_FSM — максимальная амплитуда импульсного непериодического тока проходящего через кристалл диода. Как правило, указывается длительность импульса.

8. Прямое падение напряжения на диоде (Forward Voltage) V_FM – падение напряжения на диоде при прямом смещении (в открытом состоянии). Как правило, указывается при конкретной величине прямого тока.

9. Максимальный обратный ток (Peak Reverse Current) I_RM – максимальный обратный ток через диод. Указывается при максимальном обратном напряжении на диоде и при конкретном значении температуры.

10. Ёмкость p-n перехода (Typical Junction Capacitance) C_j – паразитная емкость p-nперехода диода. Сильно зависит от приложенного обратного напряжения, поэтому в datasheetкроме усредненной величины, как правило, приводят зависимость емкости от обратного напряжения.

11. Тепловое сопротивление кристалл – воздух (Typical Thermal Resistance Junction toAmbient) R_θJA – тепловое сопротивление между кристаллом (p-n переходом) диода и окружающим воздухом. Зависит от типа корпуса.

12. Максимальная рабочая температура (Maximum DC Blocking Voltage Temperature) T_A – максимальная рабочая температура при которой сохраняется указанное значение максимального обратного напряжения.

13. Максимальная рассеиваемая мощность (Total power dissipation) P_tot – максимальная мощность рассеиваемая корпусом диода.

14. Параметр максимальной энергии поглощаемой кристаллом без разрушения (Rating for fusing) I 2 t – произведение квадрата максимального импульсного тока через диод на его длительность. Это соотношение, измеряемое в А 2 с (ампер в квадрате на секунду) используется при выборе защитных цепей от перегрузки (предохранителей).

15. Время восстановления обратной проводимости (Reverse recovery time) t_rr – время за которое диод после приложения обратного напряжения переходит в закрытое состояние (обратная проводимость).

Максимальные ток и мощность диода

Режим постоянного тока

Полупроводниковый диод – нелинейный элемент мощность, рассеиваемая на диоде равна произведению напряжения на диоде V_VD и тока через него I_VD:

Для практических расчетов в качестве V_VD можно брать падение напряжения при номинальном токе, указываемое в справочных листках. Поскольку напряжение на диоде составляет величину порядка 1,0-1,5 В (для кремниевого диода, для Шоттки меньше) и слабо изменяется с ростом тока, то в первом приближении можно считать, что рассеиваемая на диоде мощность прямо пропорциональна току через него:

Это существенно отличает нелинейный диод от линейного резистора, мощность которого пропорциональна квадрату тока. В справочных листках указывается максимальное значение постоянного тока через диод. Этот ток задает максимальное значение отводимой от кристалла диода тепловой мощности.

Представленная формула описывает потери на кристалле диода при прямом смещении, то есть при протекании прямого тока через диод. Потери при обратном смещении, то есть при реверсном токе обычно пренебрежимо малы, однако в ряде случаев их необходимо учитывать (об этом ниже).

Режим импульсного тока

Импульсный ток через диод может в разы превышать максимальное значение для постоянного тока. В режиме импульсных токов на первое место выходит максимальная энергия рассеивания кристалла диода, определяющая предельные режимы импульсных нагрузок при которых еще не происходит термическое разрушение кристалла. В справочных листках обычно приводят номограммы произведения длительности токового импульса на его величину.

Динамические характеристики диода. Восстановление обратной проводимости. Барьерная емкость диода

Быстродействие диода, то есть свойство быстро восстанавливать обратную проводимость, является важной характеристикой для диодов, работающих в условиях быстрой смены полярностей напряжения прикладываемого к диоду – в высокочастотных выпрямителях, схемах бустрепного питания, детекторных схемах и ряде других.

На рисунке VD.9 представлен один из типовых фрагментов электрических схем с диодами и полупроводниковыми ключами. Эта схема описывает жесткий режим восстановления обратной проводимости диода. На примере этой схемы поясним процесс восстановленияобратной проводимости диода [EE33D — Power Electronic Circuits ссылка], [2 Reasons Why Soft-Recovery Trr is Important in High Voltage Diodes ссылка], [Understanding Diode Reverse Recovery and its Effect on Switching Losses. Peter Haaf, Jon Harper. Fairchild Power Seminar 2007]. Временные диаграммы токов и напряжений, описывающих процессы в представленной схеме представлены на рисунке VD.10.

Для упрощенного понимания процессов выключения диода примем индуктивность L в схеме достаточно большой, чтобы она фактически играла роль источника тока. В начальный момент времени полупроводниковый ключ закрыт, и ток индуктивности полностью замыкается через диод. После подачи управляющего импульса на затвор транзистора и превышения им некоторого порогового напряжения происходит постепенный рост тока через ключ I_SW, начиная с момента времени t_switch. При этом ток, протекающий через диод I_Dпостепенно уменьшается, поскольку ток индуктивности начинает частично «сливаться» через открывающийся ключ. В некоторый момент времени (начало интервала t_A) когда ток индуктивности полностью замкнется через ключ (I_L = I_SW) ток через диод изменит свое направление. В первой половине импульса реверсного тока (период t_A) происходит разряд емкости p-n перехода при этом напряжение на диоде некоторое время остается положительным а обратный ток достигает максимума. Далее обратный ток через диод начинает снижаться (период t_B), а обратное напряжение возрастает до напряжения источника V_DC.

Практически важной характеристикой является форма кривой обратного тока в момент восстановления обратной проводимости (рисунок VD.10). По кривой определяется время восстановления и «мягкость восстановления». Кривая реверсного тока имеет два характерных периода:

— период t_A – время от начала импульса реверсного тока (пересечение током нулевой линии) до максимального значения обратного тока I_RRM . Соответствует разряду зарядов накопленных в так называемой обеднённой области p-n перехода.

— период t_B – время между моментом соответствующим максимуму обратного тока I_RRM и моментом когда ток уменьшится на 25% от максимального достигнутого значения.

Время восстановления обратной проводимости (reverse recovery time) t_RR определяется по осциллограмме обратного тока (рисунок VD.10) как время между пересечением тока нулевой отметки (начало реверсного тока) и моментом когда величина реверсного тока спадает на 25% от своего максимально достигнутого значения. Время восстановления – интуитивно понятный параметр, характеризующий время, за которое диод восстанавливает свои непроводящие свойства. Время восстановления обратной проводимости t_RR равно сумме времен периодов t_A и t_B:

Максимальное значение реверсного тока I_R связано с длительностью периода t_A и скоростью спада тока:

Критерий «мягкости восстановления» (softness factor) SF – критерий определяющий скорость обрыва обратного тока. Если обрыв тока происходит слишком резко, то это может стать причиной нежелательных перенапряжений обусловленных паразитными индуктивностями контуров. Иногда этот эффект используют в генераторах импульсов на основе специализированных SOS-диодов. В качестве критерия «мягкости» использую так называемы «фактор мягкости» SF определяемый как отношение длительностей периодов t_B к t_A :

Для обычных диодов t_A много больше t_B , для импульсных «мягких» диодов наоборот t_Bмного больше t_A. «Фактор мягкости» SF можно определить из datasheet диодов исходя из представленных временных осциллограмм восстановления обратной проводимости. Обычно для импульсных силовых диодов класса «ultrafast» характерное значение SF равно 1, для обычных диодов величина SF может составлять 0,2-0,6.

Заряд обратного восстановления (Reverse Recovery Charge) Q_RR – это реверсный заряд, который должен пройти через переход диода для перевода его из состояния проводимости в закрытое состояние. Заряд обратного восстановления является базовым параметром диода, определяющим его динамические характеристики. Исходя из формы импульса реверсного тока этот заряд равен:

Откуда максимальный ток определяется из соотношения:

Приравнивая выражения для I_R получаем:

Преобразуя это выражение получаем:

Учитывая, что t_A и t_B связаны через «фактор мягкости» SF:

Откуда выразим t_A:

Откуда получаем практически важные соотношения:

— для расчета времени восстановления обратной проводимости t_RR :

— и для расчета максимальной величины обратного тока I_RRM :

Используя представленные выражения, рассчитываются динамические характеристики диода.

Барьерная емкость диода — собственное значение емкости p-n перехода находящегося в обратном смещении (закрытом состоянии). В дополнение к выше описанному инерционному процессу «переключения» диода в непроводящее состояние диод, когда к нему приложено обратное напряжение он (диод) обладает собственным значением барьерной емкости, которая зависит от напряжения, что важно также учитывать при расчете динамических режимов. Емкость пропорциональна площади p-n перехода, на практике это означает, что более мощные диоды с большим номинальным током будут иметь и большее значение емкости. Реально величина емкости не является постоянной и существенно зависит от приложенного напряжения.

Расчет тепловых потерь в диоде на переключение

В момент восстановления проводимости к диоду приложено обратное напряжение и через него протекает некоторый импульс тока длительностью t_rev. Таким образом, в кристалле диода выделяется некоторая энергия:

Общая выделяемая тепловая мощность пропорциональна частоте импульсов f.

Основное выделение энергии происходит в периода t_B когда напряжение на диоде имеет величину существенно большую по сравнению с прямым падением напряжения (как в период t_A). Полагая линейную форму спада тока и роста обратного напряжения получим:

Выражение для напряжения на диоде будет иметь вид:

Выражение для тока через диод будет иметь вид:

Выражение для выделяющейся мощности на диоде будет иметь вид:

Перемножая V_VD(t) и I_VD(t), получаем:

Упрощая которое получаем выражение для мощности динамических потерь P_{VD_trans}«на переключение»:

V_DC – обратное напряжение, (напряжения источника питания);

f — рабочая частота;

I_RRM — максимальная величина обратного тока, вычисляемая по формуле:

здесь: Q_RR заряд обратного восстановления (Reverse Recovery Charge) – представлен в datasheet-ах, скорость спада тока di/dt определяется характеристиками схемы, а «фактор мягкости» SF можно определить из datasheet диодов исходя из представленных временных осциллограмм восстановления обратной проводимости. Обычно для импульсных диодов характерное значение SF равно 1.

t_B — время между моментом соответствующим максимуму обратного тока I_RRM и моментом когда ток уменьшится на 25% от максимального достигнутого значения. Учитывая связь t_A и t_B через «фактор мягкости» SF получаем:

Отсюда t_B может быть вычислено по соотношению:

Учитывая, что в большинстве случаев SF≈1, то в первом приближении t_B может быть определено как:

Объединим в итоговое выражение для мощности динамических потерь диода P_{VD_trans} «на переключение»:

Упростим данное соотношение:

Результирующее выражение для мощности динамических потерь P_{VD_trans} «на переключение» имеет вид:

Q_RR — заряд обратного восстановления;

V_DC – обратное напряжение, (напряжения источника питания);

f — рабочая частота;

SF — «фактор мягкости» диода (в первом приближении может быть принят равным 1).

В ряде случаев в datasheet не приводится значение заряда обратного восстановления Q_RR, а приводятся:

— зависимости тока восстановления обратной проводимости от I_RRM от скорости спада тока di/dt;

— зависимости времени восстановления обратной проводимости t_RR от скорости спада тока di/dt.

В этом случае мощности динамических потерь P_{VD_trans} вычисляется по соотношению:

V_DC – обратное напряжение, (напряжения источника питания);

I_RRM(di/dt) — ток восстановления обратной проводимости от I_RRM при заданной скорости спада тока di/dt;

t_RR(di/dt) — зависимости времени восстановления обратной проводимости t_RR при заданной скорости спада тока di/dt.

SF — SF — «фактор мягкости» диода (в первом приближении может быть принят равным 1);

f — рабочая частота.

Обратная ветвь ВАХ – напряжение пробоя, обратный ток

По мере увеличения прикладываемого к диоду обратного напряжения монотонно возрастает и обратный ток. При этом для каждого диода существует обратное напряжение, при достижении которого резко возрастает обратный ток и напряжение на диоде быстро падает. При этом пороговом напряжении происходит пробой диода – в большинстве случаем необратимое изменение внутренней структуры диода, сопровождаемое нарушением целостности p-n перехода. Следствием пробоя является выход диода из строя. Исключением являются лавинные диоды, пробой которых носит обратимый характер.

Обратный ток возрастает с увеличением температуры, также с увеличением температуры снижается напряжение пробоя.

Для кремниевых диодов, эксплуатируемых при нормальной температуре тепловой мощностью, выделяемой при приложенном обратном напряжении можно пренебречь. Однако при более жестком температурном режиме и больших значениях обратного напряжения эта мощность может иметь значительную величину, сопоставимую с мощностью потерь в проводящем состоянии.

Для диодов Шоттки обратный ток существенно больше, чем для кремниевых диодов и его необходимо учитывать в расчетах в любом случае.

Мощность, рассеиваемая на диоде при обратном смещении равна произведению напряжения приложенного к диоду V_{VD_rev} и протекающего под действием этого напряжения обратного тока через него I_{VD_rev}:

— для диода MUR1100E при температуре 100 °С обратный ток составляет величину порядка 600 мкА, если к диоду приложено обратное напряжение 800 В то выделяющаяся тепловая мощность равна 0,48 Вт!

— для диода серии US1 максимальный обратный ток составляет 150 мкА (при температуре 100 °С) и при обратном напряжении 1000 В выделяющаяся тепловая мощность составляет 0,15 Вт.

Важно то, что здесь работает принцип положительной обратной связи: с ростом температуры выделяемая мощность увеличивается, что в свою очередь приводит к росту температуры.

Итак, тепловой режим диода работающего в условиях тока переменной полярности складывается из мощности, выделяемой при прохождении прямого тока, мощности выделяемой в диоде при смене направления тока и мощности выделяемой при обратном смещении:

P_{VD_total} – общая мощность, рассеиваемая на диоде;

P_{VD_stat+} – мощность, выделяемая при прохождении прямого тока;

P_{VD_stat-} – мощность, выделяемая при прохождении обратного тока;

P_{VD_trans} – мощность, выделяющаяся на диоде в результате переходных процессов.

Последовательное и параллельное включение диодов

Последовательное включение

Последовательное включение диодов используют для увеличения максимального обратного напряжения V_R (рисунок VD.11). При этом необходимо помнить, что увеличивается прямое падение напряжения на диодной сборке.

При приложении обратного напряжения к сборке падения напряжения на диодах распределяются в соответчики с обратной ВАХ каждого из диодов. Из за разброса ВАХ может возникнуть ситуация в которой к некоторым диодам сборки будет приложено напряжение превышающее максимальное и возникнет пробой одного диода сборки. После этого общее приложенное напряжение перераспределится между оставшимися диодами и при этом напряжение на каждом из них возрастет. Это с высокой долей вероятности может привести к постепенному выгоранию всех диодов сборки. Для повышения надежности применяют выравнивающие резисторы, сопротивление которых выбирается таким образом, чтобы ток через резистор был в 2-5 раз больше максимального тока утечки диода:

V_R – максимальная величина прикладываемого к диоду постоянного напряжения.

I_RM – максимальный обратный ток через диод. В расчетах необходимо учитывать ток при температуре соответствующей рабочей температуре эксплуатации.

Параллельное включение

Параллельное включение диодов можно использовать для диодов с положительным (например на основе карбида кремния SiC) или небольшим отрицательным температурным коэффициентом более 2 мВ/К, но при условии их термического соединения (размещение на одном радиаторе). Это необходимо для того чтобы токи, протекающие через диоды выравнивались. На практике при параллельном соединении двух кремниевых диодов или диодов Шоттки максимальные рабочий ток не удваивается, а увеличивается на 50-70 %. Это обусловлено разницей хода ВАХ диодов, так что один диод будет нагружен по максимуму, а второй будет ему «помогать». Физика этого эффекта объясняется наличием положительной обратной связи: если через какой-либо из диодов протекает несколько больший, чем через другой, то он нагревается больше. При нагреве кремниевых диодов ВАХ изменяется таким образом, что при постоянном приложенном напряжении ток возрастает. Это приводит еще большему увеличению доли общего тока через этот диод. Уменьшить эту положительную обратную связь можно путем организации термической связи между диодами, то есть разместить их на одном радиаторе охлаждения. В этом случае «лидирующий» по току диод будет подогревать «отстающий» и увеличивать долю тока через него. В целом на практике целесообразно параллельно соединять лишь диоды, расположенные на одном кристалле в одном корпусе.

Постникова ВН — ЛК весна 2021 / Пробой и емкость диода

Рис. 1. Теоретическая и реальная вольтамперная характеристика p-n перехода.

На графике прямой ветви реальной вольтамперной характеристики видно, что сопротивление открытого диода больше сопротивления, определяемого по теоретической кривой. Это связано с влиянием объёмного сопротивления n— и p-областей полупроводника. При протекании через диод прямого тока полупроводниковая структура нагревается, и если температура превысит при этом предельно допустимое значение, то произойдет разрушение кристаллической решетки полупроводника и диод выйдет из строя. Поэтому величина прямого тока диода ограничивается предельно допустимым значением I_пр._max при заданных условиях охлаждения.

Обратная ветвь отличается от теоретической характеристики по двум причинам: генерация носителей зарядов в переходе и его электрический пробой.

Количество носителей заряда, генерируемых в электронно-дырочном переходе, пропорционально объему запирающего слоя. Он, в свою очередь, зависит от ширины p-n перехода, но так как она пропорциональна , то ток генерации свободных зарядов I_ген будет расти при увеличении обратного напряжения. Поэтому при увеличении обратного напряжения на вольтамперной характеристике реального диода наблюдается небольшой рост обратного тока. Кроме того, обратный ток диода увеличивается из-за тока утечки по поверхности кристалла.

Если увеличивать напряжение, приложенное в обратном направлении к диоду, то сначала обратный ток будет изменяться незначительно, а затем при определенной величине U_проб начнется его быстрое увеличение (рис. 1), что говорит о наступлении пробоя p–n-перехода. Существуют несколько видов пробоя p–n-перехода в зависимости от концентрации примесей в полупроводнике, от ширины p–n-перехода и температуры:

Необратимый пробой для полупроводникового прибора является нерабочим и недопустимым режимом.

Тепловой пробой. Если количество тепла, выделяющегося в р-n-переходе, превышает количество тепла, отводимого от него, то разогрев перехода приводит к росту процесса генерации носителей и, следовательно, к увеличению силы тока, текущего через переход, что в свою очередь ведет к дальнейшему повышению температуры и т. д. В итоге такого лавинообразно развивающегося перегрева сила тока продолжает возрастать и наступает разрушение материала полупроводника. Тепловой пробой может возникнуть самостоятельно, но может оказаться и следствием развивающегося электрического пробоя. Поэтому обычно в цепь р-n-перехода последовательно включают ограничительный резистор, сопротивление которого подбирается так, чтобы сила тока не превосходила допустимого значения.

Поверхностный пробой. Лавинный или туннельный электрический пробой p-n-перехода может происходить не только в объеме полупроводника, но и по его поверхности. На поверхностный пробой значительное влияние может оказать искажение электрического поля в p-n-переходе поверхностными зарядами. Наличие поверхностного заряда связано с обрывом кристаллической решетки и с наличием в ней дефектов и примесей (особенно адсорбированных молекул воды). В определенных случаях поверхностный заряд приводит к сужению запорного слоя у поверхности и увеличению в приповерхностной области напряженности поля, благодаря этому пробой у поверхности начинается при меньших значениях обратного напряжения смещения, чем в объеме. Для уменьшения вероятности поверхностного пробоя применяют различные защитные покрытия, предотвращающие проникновение на поверхность p-n-перехода влаги и различных активных примесей.

Существуют два вида электрического пробоя: лавинный и туннельный.

Лавинный пробой возникает в широких p-n переходах, образованных полупроводниками с небольшой концентрацией примесей. Он возникает тогда, когда длина свободного пробега электрона в полупроводнике значительно меньше толщины p-n перехода. За время свободного пробега электроны приобретают кинетическую энергию, достаточную для ионизации атомов кристаллической решетки полупроводника в p-n переходе. Образовавшаяся при этом пара свободных носителей заряда “электрон – дырка” тоже примет участие в ударной ионизации. Процесс нарастает лавинообразно и приводит к значительному возрастанию обратного тока.

Туннельный пробой своим происхождением обязан так называемому туннельному эффекту. Возникает этот эффект благодаря непосредственному воздействию сильного электрического поля на атомы кристаллической решетки полупроводника в р-n-переходе. Под действием этого поля происходит разрыв валентной связи и электрон становится свободным носителем, переходя в межузельное пространство и оставляя на своем месте дырку. Зонная схема туннельного пробоя приведена на рисунке 2. Электроны из валентной зоны p-полупроводника переходят, не изменяя свою энергию, в зону проводимости полупроводника n-типа, пересекая запрещенную зону р-n-перехода. Необходимым условием туннельного перехода является незанятость в зоне проводимости n-полупроводника энергетического уровня, соответствующего энергии переходящего из р-области электрона.

Рис. 2. Зонная диаграмма тунельного пробоя.

Туннельный пробой наблюдается в узких р-n-переходах, которые могут быть созданы только на границе раздела высоколегированных областей (высокая концентрация примесей). Для того чтобы вызвать туннельный пробой, необходимо создать поле с напряженностью порядка 10 5 -10 6 В/см. Поскольку туннельный пробой возникает только в узких переходах порядка 10 -5 -10 -6 см, то для получения пробивных значений напряженности поля оказывается достаточной обратная разность потенциалов всего в несколько вольт.

Так как свойства p-n-перехода после электрического пробоя (лавинного или туннельного) восстанавливаются при выключении обратного напряжения, то в технике во многих случаях p-n-переход используется именно в режиме пробоя (полупроводниковые стабилитроны, туннельные обращенные диоды и пр.).

Емкость диода (p—n перехода)

Изменение внешнего напряжения на p-n переходе dU приводит к изменению заряда на границе p-n перехода. Т.е. p-n переход ведет себя как конденсатор, емкость которого С=dQ/dU.

В зависимости от природы заряда различают две емкости: барьерная и диффузионная.

Барьерная ёмкость определяется нескомпенсированными зарядами ионов примеси вблизи p-n перехода и изменяется при изменении его толщины под воздействием запирающего напряжения. Идеальный p-n переход при анализе можно представить в виде плоского конденсатора, емкость которого вычисляется при помощи следующей формулы:

С_бар = ε_оεS/d,

где d – толщина запирающего слоя.

С ростом обратного напряжения ширина запирающего слоя увеличивается и, следовательно барьерная емкость уменьшается.

Рис. 3. Зависимость барьерной ёмкости от напряжения

Зависимость барьерной ёмкости от напряжения широко используется в радиоэлектронной технике. Изготавливаются специальные электронные приборы: варикапы, основным свойством которых является изменение ёмкости от напряжения. Это свойство используется в генераторах, управляемых напряжением и частотных модуляторах.

В других электронных приборах, таких как выпрямительные диоды, биполярные и полевые транзисторы, барьерная ёмкость p-n перехода является фактором, ограничивающим частотный диапазон прибора, и её стараются уменьшать. Барьерная емкость увеличивается при увеличении концентрации примеси N_А и N_Д, и уменьшается при уменьшении концентрации.

Диффузионная емкость. Прямое включение p-n перехода приводит к тому, что значительное количество основных носителей заряда диффузионно переходят в соседнюю область, т.к. потенциальный барьер на границе снижается. Растет ток диффузии. При этом ток дрейфа не изменяется, т.к. он зависит только от количества неосновных носителей заряда на границе p-n перехода. Дополнительная диффузия приводит к введению неосновных носителей заряда в соответствующие области: электронов в p область и дырок в n область полупроводника.

Повышение концентрации неосновных носителей заряда в p— и n-областях при прямом включении напряжения называется инжекцией.

При протекании диффузионного тока через p-n переход, при подаче напряжения в прямом направлении, растет концентрация неосновных носителей заряда, инжектированных в p— и n-области.

Это приводит к накоплению заряда вблизи p-n перехода. Это явление можно рассматривать как появление дополнительной емкости, а так как она образуется диффузионным током, то эта ёмкость получила название диффузионной.

Рис. 4. Зависимость диффузионной ёмкости от напряжения

Полная емкость p-n перехода определяется суммой барьерной и диффузионной емкостей:

При прямом включении p-n перехода преобладает диффузионная емкость, а при обратном — барьерная.

Емкость p-n перехода оказывает серьезное влияние на быстродействие полупроводниковых приборов. С этой точки зрения контакт металл полупроводник выгодно отличается от p-n контакта. Для создания выпрямляющего контакта между металлом и полупроводником n-типа должно выполняться условие W_мет W_п/п . В таком контакте инжекция неосновных носителей отсутствует, так как прямой ток – это движение основных носителей заряда — электронов. Поэтому такой контакт обладает только барьерной емкостью. Такие полупроводниковые приборы обладают высоким быстродействием, так как нет накопления и рассасывания неосновных носителей заряда.

Диоды высокого качества получают при контакте кремния с молибденом, золотом, платиной и нихромом.