Принцип действия и характеристики силовых полупроводниковых приборов

В основе принципа действия полупроводниковых приборов лежат процессы, возникающие на границе между областями с разными типами электрической проводимости [3] — электронной (и-типа) и дырочной (р-типа) (рис. 10.1). Эта граница называется р-п-переходом. На границе возникает область пространственного заряда (0113). Это приводит к образованию внутреннего электрического поля с напряженностью Е, направление которого препятствует дальнейшему процессу диффузии подвижных носителей зарядов. Такое состояние полупроводника называется равновесным.

Рис. 10.1. Электронно-дырочный переход:

а — структура; б. в — диаграммы напряжения и потенциала в области пространственного заряда.

Диоды

Полупроводниковый прибор с двумя выводами, связанными с областями различных типов проводимости (р- и п-типа), называется диодом (рис. 10.2). На границе этих областей возникает электронно-дырочный переход, физические явления в котором позволяют изменять проводимость диода, придавая ему свойства электронного ключа с односторонней проводимостью и неполной управляемостью. Вывод диода со стороны р-области называют анодом (А), а со стороны п-области — катодом (К). При отсутствии напряжения между анодом и катодом в области р-п-перехода возникает потенциальный барьер, препятствующий прохождению электронных зарядов из одной области в другую (равновесное состояние). При подключении внешнего источника «минусом» к аноду, а «плюсом» к катоду значение потенциального барьера возрастает (напряжение с такой полярностью относительно р-и-перехода называют обратным) и состояние равновесия зарядов нарушится. В результате через диод начнет протекать небольшой ток г₀. Этот ток слабо зависит от величины обратного напряжения и с его увеличением приближается к постоянному значению /₀, соответствующему так называемому тепловому току. Увеличение обратного напряжения сверх определенного значения приведет к возникновению пробоя, сопровождаемого резким увеличением электрической проводимости. Характер процессов, возникающих при пробое, различен и зависит от вида пробоя. В частности, различают лавинный и туннельный пробой. Если процессы пробоя не будут ограничены по времени и величине обратного тока, то происходит разрушение структуры прибора.

Рис. 10.2. Принцип действия диода:

а — обозначение диода; 6 — подключение диода к источнику напряжения обратной полярности; в — прямой полярности При подключении к диоду внешнего источника прямого напряжения («плюс» источника — к /^-области, а «минус» — к ^-области) напряжение потенциального барьера в 0113 снижается (см. рис. 10.2, в). В результате через диод начинает протекать прямой ток:

где /₀ — обратный ток диода при воздействии обратного напряжения; ср_т — тепловой потенциал, зависящий от температуры (ф_т = 0,26 В).

Статическая вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода при положительном (прямом) напряжении может быть представлена экспонентой (рис. 10.3, а), а при обратном напряжении обратный ток диода возрастает до значения /₀ при увеличении напряжения до предельного значения U_BR, соответствующего пробою. Статические ВАХ могут быть аппроксимированы линейными функциями (рис. 10.3, б).

Рис. 10.3. Статические ВАХ диода:

а — реальная; б — аппроксимированная В силовых электронных аппаратах диод используется в качестве неуправляемого электронного ключа, состояние которого зависит от полярности напряжения подключенного к нему источника. Переход диода в проводящее состояние (замкнутый ключ) соответствует подключению прямого напряжения, при этом напряжение между анодом и катодом становится малым (ДU_F< 1 В). Если к диоду приложено обратное напряжение, то он находится в непроводящем состоянии (разомкнутый ключ). Таким образом, условие включения диода — подача прямого напряжения анод-катод (г/_Ак > 0), а для выключения необходимо выполнение двух условий: 1) отрицательное напряжение между анодом и катодом (и_АК < 0); 2) снижение тока диода до нуля (i_F= 0). Выполнение второго условия определяется характером изменения тока в цени с диодом, зависящим от вида нагрузки (активная, активно-индуктивная и т. д.).

Динамические процессы и характеристики диодов при включении и выключении существенно отличаются от статических и соответственно различны динамические и статические ВАХ. Рассмотрим их более подробно.

Включение диода. Предположим, что в исходном состоянии диод выключен иод воздействием обратного напряжения u_R и последовательно с диодом включена индуктивность L, ограничивающая скорость нарастания тока при его включении. В этом состоянии /?-я-переход диода можно характеризовать некоторой емкостью, называемой барьерной и заряженной с полярностью, соответствующей обратному напряжению. При подаче на диод прямого напряжения в момент времени t = t₀ начинается процесс включения диода (рис. 10.4). Первый этап его характеризуется разрядом барьерной емкости и ростом тока со скоростью, ограниченной главным образом индуктивностью L. Включение заканчивается в момент времени t = ?_1? когда напряжение анод-катод диода принимает установившееся значение, соответствующее прямому току. При высокой скорости нарастания тока (см. рис. 10.4, кривая 1) из-за наличия собственной индуктивности выводов диода возможно некоторое превышение прямого напряжения на диоде над установившимся значением. При снижении скорости нарастания тока (см. рис. 10.4, кривая 2) всплеск прямого напряжения отсутствует, общее время включения увеличивается, и процесс завершается в момент времени t = t₂.

Рис. 10.4. Диаграммы тока и напряжения диода при включении

Выключение диода. Выключение диода происходит при подаче обратного напряжения на включенный диод, по которому протекает прямой ток i_F. В результате ток начинает спадать со скоростью, определяемой индуктивностью L в контуре цени подключенного источника обратного напряжения (рис. 10.5). До подключения источника обратного напряжения в момент времени t = t₀ диод находился в проводящем состоянии и в нем был накоплен избыточный заряд носителей. Начиная с момента времени t = ?₀ ток в диоде убывает, а избыточный заряд рассасывается. В момент времени t-t_x ток проходит через нуль, и через диод начинает протекать обратный ток i_RR. В момент времени t =^{заканчивается} процесс рассасывания избыточного заряда и диод восстанавливает свои запирающие свойства, блокируя протекание обратного тока i_RR. Вследствие этого ток начинает спадать со скоростью, зависящей от типа диода (на рис. 10.5 кривая 1 соответствует плавному уменьшению обратного тока, а кривая 2 — резкому). Из-за наличия индуктивности L в цепи коммутации спад обратного тока вызывает появление перенапряжения на выключающемся диоде. В момент времени t = ?₃, когда обратный ток уменьшится до значения i_RR = Irrm/4, процесс восстановления запирающих свойств заканчивается. Интервал времени t_RR = t₃ — t_x — время обратного восстановления диода.

Рис. 10.5. Диаграммы тока и напряжения диода при выключении.

По основным параметрам и назначению диоды принято разделять на три группы: общего назначения, быстровосстанавливающиеся и диоды Шоттки. Время обратного восстановления диодов общего назначения t_RR> 25 мкс, что ограничивает их использование в цепях с частотой выше 1 кГц. Быстровосстанавливающиеся диоды имеют t_RR< 5 мкс, могут использоваться в высокочастотных цепях, однако допустимые значения тока (до 1 к А) и обратного напряжения (до 3 кВ) ниже в несколько раз, чем у диодов общего назначения. Время восстановления у диодов Шоттки нс превышает 0,3 мкс вследствие снижения инерционности из-за отсутствия накопления неосновных носителей, предельное обратное напряжение составляет 100 В. Такие диоды используются в высокочастотных и импульсных цепях низкого напряжения.