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 иГ, нагруженный па последовательно включенные резистор и диод, поэтому напряжение источника ит перераспределяется между диодом (uд) и резистором (uR). Чтобы найти значения тока и напряжений uГ и uR, 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 uГ, а на оси ординат отрезок, равный uГ/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 Uim.
Ток в цепи существует только в положительные полупериоды переменного напряжения, при этом к диоду прикладывается небольшое по величине прямое напряжение ид. 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 uR. Ток через диод существует при условии uГ > uR, 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 Uобр.m в рассматриваемой схеме получается, когда uГ = -UГm. Поскольку напряжение на конденсаторе также близко к Um, 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 хп, 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 to...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 хп, 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 хв 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 хП 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 хп, и градиент концентрации меняет знак. Мгновенные значения тока определяются градиентом концентрации дырок в сечении хП. 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.