9.1. Выпрямительные диоды

В выпрямителях переменного напряжения наибольшее примене­ние" находят германиевые и кремниевые полупроводниковые диоды. Основными методами получения р — /г-переходов для выпрямитель­ных диодов являются сплавление и диффузия.

Конструкция маломощного сплавного кремниевого диода показа­на на рис. 9.1, а. Электронно-дырочный переход образуется вплавле- нием алюминия в кремний. Пластиика кремния с р — «-переходом припаивается к кристаллодержателю, являющемуся одновременно

основанием корпуса диода. К кристаллодержателю приваривается корпус со стеклянным изолятором, через который проходит вывод алюминиевого электрода.

33

В диффузионных диодах р — тг-переход создается при высокой температуре диффузией примеси в кремний или германий из среды, содержащей пары примесного материала. Конструкции диффузионных и сплавных выпрямительных диодов аналогичны. Маломощные выпря-

а 5"

Рис. 9.1; Конструкция выпрямительных диодов:

а — сплавной маломощный кремниевый диод (/ — внешние выводы; 2 кристал- лодержатель; 3 — корпус; 4 — стеклянный изолятор; 5 — алюминиевая проволока^ 6 — кристалл; 7 — припой); б — мощный выпрямительный диод (1 —> внешние вы­воды; 2 — стеклянный изолятор; 3 — корпус; 4 — кристалл; 5 — припой; 6 — крис- таллодержателъ); в — выпрямительный столб,

мительные диоды имеют относительно небольшие габариты и массу и с помощью гибких выводов монтируются в схему. У мощных диодов кристаллодержатель представляет собой массивное теплоотводящее основание с винтом и плоской внешней поверхностью для обеспече­ния надежного теплового контакта с внешним теплоотводом (рис. 9.1, 6). Между кристаллом и основанием обычно помещают пластинку из вольфрама или ковара, имеющую примерно такой же коэффициент линейного расширения, как и материал кристалла. Это способствует уменьшению механических напряжений в кристалле при изменении температуры.

Выпрямительные столбы представляют собой несколько специаль­но подобранных диодов, соединенных последовательно и залитых эпок­сидной смолой. Внешний вид и схематическое устройство типичного выпрямительного столба показаны на рис. 9.1, в.

Работа полупроводникового выпрямительного диода основана на свойстве р — я-перехода пропускать ток только в одном направлении (см. параграф 7.4).

Основной характеристикой полупроводниковых диодов является вольт-амперная характеристика. Для сравнения на рис. 9.2 приве­дены типовые вольт-амперные характеристики германиевого и крем­

ниевого диодов. Кремниевые диоды имеют во много раз меньшие об­ратные токи при одинаковом напряжении, чем германиевые. Допус­тимое обратное напряжение кремниевых диодов может достигать 1000—1500 В, в то время как у германиевых оно лежит в пределах 100—400 В. Кремниевые диоды могут работать при температурах _от _бо до +150° С, а германие­вые — от —60 до +85° С. Это обусловлено тем, что при темпера­турах выше 85° С резко увеличи­вается собственная проводимость германия, приводящая к недопус­тимому возрастанию обратного то­ка. Вместе с тем прямое падение на­пряжения у кремниевых диодов больше, чем у германиевых. Это объясняется тем, что у германиевых диодов можно получить величину сопротивления в прямом направле­нии в 1,5—2 раза меньшую, чем у кремниевых, при одинаковом токе нагрузки. Поэтому мощность, рас­сеиваемая внутри германиевого диода, оказывается во столько же раз меньшей. В связи с этим в выпрямительных устройствах низких напряжений выгоднее применять германиевые диоды.

Параметры выпрямительных диодов:

Наибольший выпрямленный ток /_ВЬщ шах — наибольшее допусти­мое среднее значение выпрямленного тока за период.

Прямое падение напряжения £/_Пр — напряжение на диоде при протекающем через него установленном выпрямленном токе.

Наибольшее обратное напряжение (Л>бр шах — напряжение, ко­торое может быть приложено к диоду в обратном направлении в те­чение длительного времени без опасности нарушения Я_ш Яш. нормальной работы диода.

Наибольший обратный ток Iобр шах — ТОК через диод в обратном направле­нии при приложенном к нему наибольшем допусти­мом обратном напряжении.

Наибольшая допусти­мая мощность рассеивания Ррас шах — допустимое значение рассеиваемой мощности, при которой обеспечивается заданная надежность при длительной работе диода.

Диапазон частот Л/ — полоса частот, в пределах которой выпрям­ленный ток, диода не уменьшается ниже заданного уровня.

0,4 и_пр,в 20

и„ит зоо гоо юо '^л ,1 I ^

Рис. 9.2. Сравнительные сольт-ампер- ные характеристики германиевого (I) и кремниевого (2) диодов.

ЯдоБ

Я_ш Лщ ^пш.

нгэтсзт—т^^Ь

а

Рис. 9.3. Параллельное (а) и последовательное (б) соединение выпрямительных диодов.

При разработке выпрямительных схем может возникнуть необ­ходимость получить выпрямленный ток, превышающий предельно допустимое значение для одного диода. В этом случае применяют параллельное включение однотипных диодов (рис. 9.3, а).

Для выравнивания токов, протекающих через диоды, последо­вательно с диодами включаются омические добавочные резисторы 7?доб порядка нескольких ом. Это позволяет искусственно уравнять прямые сопротивления диодов, которые для разных образцов прибо­ров могут быть существенно различными.

I В высоковольтных цепях часто используют последовательное соединение диодов (рис. 9.3, б). При таком соединении напряжение распределяется между всеми диодами. Для обеспечения надежной работы диодов параллельно каждому из иих следует включить резис­тор (порядка 100 кОм) для выравнивания обратных сопротивлений, В этом случае напряжения на всех диодах будут равными.