Общиесвойства и параметры диодов.

Система и перечень параметров, включаемые в технические описания и характеризующие свойства полупроводниковых диодов, выбираются с учетом их физико-технологических особенностей и области применения. В большинстве случаев важны сведения об их статических, динамических и предельных параметрах. Статические параметры характеризуют поведение приборов при постоянном токе, динамические — их частотно-временные свойства, предельные параметры определяют область устойчивой и надежной работы. В справочники, стандарты или технические описания включается необходимая для детального расчета схем информация о параметрах: нормы на значения параметров, режимы их измерений, вольт-амперные характеристики, зависимости параметров от режима и температуры, максимальные и максимально допустимые значения параметров, конструктивно-технологические особенности приборов, их основное назначение, специфические требования, методы измерения параметров, типовые схемы применения. Постоянные (случайные) изменения технологических факторов оказывают существенное влияние на значения параметров изготавливаемых приборов. Поэтому значения параметров даже одного типа приборов являются случайными величинами, т.е. имеется отклонение от среднего (типового, номинального) уровня. Для некоторых параметров устанавливаются граничные значения и возможные отклонения (разброс). Нормы на разброс параметров устанавливаются на основе экспериментально-статистических данных при обеспечении надежной и устойчивой работы приборов в различных условиях и режимах применения, а также исходя из экономических соображений.

Различают общие параметры, которыми характеризуется любой полупроводниковый диод, и специальные параметры, присущие только отдельным видам диодов. К общим параметрам диодов относят: параметры рассеиваемой мощности, тепловые параметры, пробивные максимальные и максимально допустимые токи и напряжения, параметры, определяемые по виду ВАХ прибора, параметры, характеризующие основные свойства p - n -перехода и т.п.

Рассеиваемая мощность (P пр, P обр, P ср, P и). Когда через диод проходит ток, при заданном напряжении на диоде выделяется мощность P д= I ⋅ U. При подаче на диод переменного напряжения общая мощность, рассеиваемая диодом, равна сумме мощностей рассеиваемых при прохождении тока в прямом (P пр) и обратном (P обр) направлениях P д= P пр+ P обр. Средняя рассеиваемая мощность (P ср) определяется как среднее за период значение мощности, рассеиваемой диодом при протекании прямого и обратного токов. Максимальное значение рассеиваемой мощности, при которой гарантируется долговременная и стабильная работа диода при заданных внешних условиях, называется максимальной допустимой мощностью рассеяния диода. Наибольшее мгновенное значение мощности, рассеиваемой диодом, называется импульсной рассеиваемой мощностью (P и).

Температура (T, T п, T кор). Выделение мощности сопровождается нагреванием диода, что приводит к росту обратного тока и увеличению вероятности возникновения теплового пробоя p - n -перехода. Для исключения теплового пробоя температура p - n -перехода должна быть меньше максимальной допустимой температуры перехода (T п max). Как правило, эта температура для германиевых диодов составляет 70 °C, а для кремниевых — 125 °C. Выделяемая теплота рассеивается диодом в окружающую среду. Учитывая конструктивные особенности диода и условия его эксплуатации, иногда нормируются максимальная температура корпуса диода (T к max) и максимальная температура окружающей среды вблизи диода (T).

Тепловое сопротивление (R т, R т пер−окр, R т пер−кор). Перепад температур между переходом и окружающей средой определяется выражением: T п– T = R т⋅ P д, где R т — тепловое сопротивление, характеризующее условия отвода теплоты от диода (определяется конструкцией корпуса, наличием радиатора и т.д.). В зависимости от расположения контрольной точки, в которой производится измерение температуры, различают: тепловое сопротивление переход – окружающая среда (R т пер−окр), тепловое сопротивление переход – корпус диода (R т пер−кор). Тепловое сопротивление переход – среда (R т пер−окр) необходимо знать для расчета допустимой рассеиваемой мощности маломощных диодов обычно работающих без теплоотвода, а тепловое сопротивление переход – корпус (R т пер−кор) — для расчета режима работы мощных приборов при наличии внешнего радиатора. Обычно R т пер−окр ≫ R т пер−кор (сопротивление R т пер−кор остается постоянным только в случае малых плотностей тока). Тепло от кристалла с переходами к корпусу или радиатору отводится за счет теплопроводности, а от корпуса в окружающее пространство — конвекцией и излучением. Режим диода необходимо выбирать из условия U ⋅ I ≤ P д max =(T п max – T)/ R т пер−окр.

Переходное тепловое сопротивление (Z т, Z т пер−окр, Z т пер−кор). При определении тепловых режимов в случае работы диодов при малых длительностях импульсов используются их переходные тепловые хар-ки, а именно переходное тепловое сопротивление диода (Z т), кот явлотношением разности изменения температуры перехода и температуры в контрольной точке за заданный промежуток времени, когда происходит это изменение температуры, к приращению рассеиваемой мощности диода, скачкообразно увеличенной в начале этого интервала. Производными этого пар-ра явл: переходное тепловое сопротивление переход-окружающая среда (Z т пер−окр) и переходное тепловое сопрот переход – корпус диода (Z т пер‑кор).

Прямой ток и напряжение (I пр, I пр и, I пр ср, U пр, U пр и). При приложении к диоду постоянного прямого напряжения U пр его температура зависит от величины протекающего прямого тока I пр. Прямой ток, при котором температура p - n -перехода диода достигает максимального допустимого значения (T п max), называют допустимым прямым током (I пр max). Наиб допустимое мгновенное значение прямого тока диода называют максимальным импульсным прямым током (I пр и max). Наиб мгнов значение прямого напряжения на диоде, обусловленное заданным импульсным прямым током, называется максимальным импульсным прямым напряжением диода (U пр и max). Средний прямой ток диода (I пр ср) определяется при подаче на диод переменного напряжения как среднее за период значение прямого тока.

Обратный ток и напряжение (I обр, I обр и, U обр, U обр и). При приложении к диоду постоянного заданного обратного напряжения U обр через него протекает постоянный обратный ток I обр определенной величины. Важным параметром диодов является максимальное допустимое обратное напряжение U обр max, при котором не происходит пробоя p - n -перехода. Обычно U обр max ≤0,8 U проб, где U проб — значение обратного напряжения, вызывающее пробой перехода диода, при котором обратный ток достигает заданного значения, оно называется пробивным напряжением диода. Максимально допустимое импульсное обратное напряжение (U обр и max) определяет максимальное мгновенное значение для обратного напряжения на диоде, а максимально допустимый импульсный обратный ток (I обр и max) характеризует предельное мгновенное значение обратного тока, обусловленного импульсным обратным напряжением.

Дифференциальное сопротивление (r диф). Прямое (r пр) и обратное (r обр) сопротивления диода постоянному току выражаются соотношениями: r пр= U пр 0/ I пр 0, r обр= U обр 0/ I обр 0, где U пр 0, I пр 0, U обр 0, I обр 0 задают конкретные точки на ВАХ прибора, в которых производится вычисление сопротивления. Поскольку типичная ВАХ полупроводникового прибора имеет участки с повышенной линейностью (один на прямой ветви, один — на обратной), то вводится понятие дифференциального сопротивления (r диф), которое вычисляется как отношение малого приращения напряжения диода к малому приращению тока в нем при заданном режиме (r диф пр=Δ U пр/Δ I пр, r диф обр=Δ U обр/Δ I обр).

Емкость перехода (C пер) и накопленный заряд (Q нк). Изменение внешнего напряжения d U на p - n -переходе приводит к изменению накопленного в нем заряда d Q. Поэтому p ‑ n ‑переход ведет себя подобно конденсатору, емкость которого C =d Q /d U. В зависимости от физической природы изменяющегося заряда различают зарядную (барьерную) и диффузионную емкости. Зарядная (барьерная) емкость опр-ся изменением нескомпенсированного заряда ионов при изменении ширины запирающего слоя под воздействием внешнего обратного напряжения. При увелич же внешнего напряжения, приложенного к p - n -переходу в прямом направлении, растет концентрация инжектированных носителей вблизи границ перехода, что приводит к изменению кол-ва заряда, обусловленного неосновными носителями в p - и n -областях. Это можно рассматри-вать как проявление некоторой емкости. Поскольку она зависит от изменения диффузионной составляющей тока, ее называют диффузионной емкостью. Заряд электронов или дырок, накопленный при протекании прямого тока в базе диода или i ‑области p - i - n -диода, называется накопленным зарядом (Q нк). Полная емкость p - n -перехода определяется суммой зарядной и диффузионной емкостей: C пер= C зар+ C диф. При включении p ‑ n ‑перехода в прямом направлении преобладает диффузионная емкость, а при включении в обратном направлении — зарядная (емкость C диф при этом пренебрежимо мала).

Заряд восстановления (Q вос) и время восстановления (t вос обр, t вос пр). При переключении диода с прямого тока на обратный весь накопленный заряд вытекает во внешнюю цепь. При заданных прямом токе и итоговом обратном напряжении весь суммарный заряд (с учетом накопленного заряда и заряда емкости обедненного слоя для полных процессов запаздывания и восстановления), вытекающий во внешнюю цепь, называется зарядом восстановления (Q вос), а время, истекшее от момента прохождения тока через нулевое значение до момента достижения обратным током заданной величины — временем восстановления обратного сопротивления или просто временем обратного восстановления диода (t вос обр). Аналогично определяется время установления прямого напряжения или время прямого восстановления диода (t вос пр), которое равно промежутку времени, в течение которого прямое напряжение на диоде устанавливается от нулевого значения до заданного уровня.