Выпрямительный режим работы полупроводниковых диодов

Способность полупроводникового диода хорошо пропускать ток в прямом на­правлении и практически не пропускать его в обратном нашла широкое примене­ние для выпрямления переменного тока. Схема простейшего выпрямителя пред­ставлена на рис. 3.8, а. Она содержит генератор переменного напряжения и_Г, нагруженный па последовательно включенные резистор и диод, поэтому напря­жение источника и_т перераспределяется между диодом (u_д) и резистором (u_R). Чтобы найти значения тока и напряжений u_Г и u_R, надо представить вольт-ампер­ные характеристики диода и резистора в виде графиков (рис. 3.8, б) и найти их точку пересечения.

Вольт-амперная характеристика резистора определяется законом Ома:

График этой зависимости представляет собой прямую линию, называемую нагру­зочной. Она отсекает на оси абсцисс отрезок, равный u_Г, а на оси ординат отрезок, равный u_Г/R. При изменении мгновенных значений напряжения генератора на­грузочная линия, не изменяя своего наклона, перемещается влево или вправо. При этом изменяется положение точки пересечения графиков. Если же изменить со­противление резистора, то изменится наклон нагрузочной линии. Диаграмма работы диода в выпрямительном режиме показана на рис. 3.9, на ко­тором положение нагрузочной линии соответствует амплитуде напряжения U_im.

Ток в цепи существует только в положительные полупериоды переменного напря­жения, при этом к диоду прикладывается небольшое по величине прямое напря­жение и_д. В отрицательные полупериоды ток в цепи практически отсутствует, и все напряжение генератора подводится к диоду. В рассматриваемой схеме напря­жение на нагрузке оказывается пульсирующим. Чтобы устранить эти пульсации, параллельно резистору включают конденсатор большой емкости (рис. 3.10, а), Графики, показывающие изменение токов и напряжений в такой схеме, показаны на рис. 3.10, б. Синусоидальная кривая изображает переменное напряжение гене­ратора и,., а ломаная линия ABCD — выпрямленное напряжение u_R. Ток через диод существует при условии u_Г > u_R, то есть в интервалы времени t₁..t₂, t₃...t₄ и т. д. Этот ток подзаряжает конденсатор, на котором удерживается напряжение, близкое к амплитудному значению напряжения генератора. В интервале времени t₂...t₃ ток через диод отсутствует, и конденсатор медленно разряжается через резистор. По­этому на конденсаторе получается примерно постоянное выпрямленное напряже­ние. Максимальное обратное напряжение U_обр.m в рассматриваемой схеме получа­ется, когда u_Г = -U_Гm. Поскольку напряжение на конденсаторе также близко к U_m, то наибольшее обратное напряжение на диоде равно примерно удвоенной ампли­туде выпрямляемого напряжения.

В диодах, работающих на высокой частоте, при перемене полярности напряже­ния появляются импульсы обратного тока (рис. 3.11, а). Причиной возникнове­ния этих импульсов является рассасывание накопленного в базе заряда.

Когда диод работает на низкой частоте, инерционность процессов накопления и рассасывания заряда не проявляется, так как время пролета носителей заряда через базу существенно меньше периода изменения выпрямляемого напряже­ния. Поэтому в диодах с узкой базой графики распределения концентрации ды­рок в любой момент времени практически линейны, они показаны на рис. 3.11, б и в пунктиром, а импульс тока представляет собой положительную полуволну си­нусоиды, он показан пунктиром на рис. 3.11, я. На высокой частоте концентрация дырок в сечении х_п, соответствующая различным моментам времени, сохраняется такой же, как и на низкой частоте, так как временем перемещения дырок через р-п-переход можно пренебречь. Внутри базы распределение концентрации дырок отличается от распределения на низкой частоте.

При быстром увеличении напряжения (интервал t_o...t₄) дырки не успевают запол­нять базу до уровня, соответствующего низкочастотному режиму, поэтому гра­фики р(х) проходят ниже пунктирных линий. При этом градиент концентрации дырок в сечении х_п, определяющий мгновенные значения тока, будет больше, чем на низкой частоте. Поэтому мгновенные значения тока оказываются больше, чем на низкой частоте. Чем выше частота, тем сильнее различие в мгновенных значе­ниях тока. В интервале времени t₅..t₇ напряжение изменяется незначительно, по­этому можно считать, что концентрация дырок в сечении х_в сохраняется посто­янной, а градиент концентрации уменьшается, так как дырки заполняют базу, поэтому в этом интервале ток уменьшается.

При быстром уменьшении напряжения (интервал t₇...t₁₂) концентрация дырок в базе оказывается больше, чем на низкой частоте, так как внутри базы находятся дырки, прошедшие через сечение х_П раньше, когда их концентрация была более высокой. В интервале t₇-t₁₀ скорость изменения напряжения нарастает, поэтому концентра­ция дырок внутри базы все сильнее отличается от концентрации на низкой частоте. В интервале времени t₁₀...t₁₂ скорость изменения напряжения становится столь вы­сокой, что концентрация дырок внутри базы оказывается больше, чем в сечении х_п, и градиент концентрации меняет знак. Мгновенные значения тока определяются градиентом концентрации дырок в сечении х_П. В интервале t₇...t₁₀ мгновенные значения тока меньше, чем на низкой частоте, и ток сохраняет положительное направле­ние. При t = t₁₀ градиент равен нулю, поэтому ток тоже равен нулю. При t > t₁₀ вслед­ствие изменения знака градиента концентрации ток становится отрицательным, так как происходит возврат дырок из базы в эмиттер. С течением времени этот отрица­тельный ток достигает максимума, а затем спадает до нуля. С повышением частоты максимум положительного тока наступает раньше, длительность положительного импульса уменьшается, а величина и длительность отрицательного выброса тока возрастают. Все это ведет к уменьшению постоянной составляющей выпрямлен­ного тока, то есть к ухудшению выпрямительных свойств диода с ростом частоты.