Как влияет температура на диод кратко

Обновлено: 07.07.2024

Параметры полупроводниковых приборов в значительной степени зависят от температуры p-n-переходов, корпуса прибора и окружающей среды, оптимальной является температура окружающей среды в диапазоне -5/+40 °С.

При работе в полупроводниковых приборах рассеивается часть подводимой к ним электрической мощности. Вследствие этого температура внутренних областей и корпуса полупроводникового прибора превышает температуру окружающей среды. Температура p-n-переходов и внутренних областей полупроводниковых приборов является важным фактором, от которого зависит работоспособность этих приборов. Для полупроводниковых диодов, как правило, задается максимальная температура корпуса t_к.макс при оговоренных величинах токов через прибор и обратных напряжений, так как переход диода всегда имеет хороший тепловой контакт с корпусом.

Для транзисторов задается максимальная температура области коллекторного перехода t_п.макс, так как там происходит выделение большей части рассеиваемой электрической мощности. Повышение внутренней температуры p-n-перехода приводит к постепенному старению транзистора, а также к необратимым изменениям, в результате которых транзистор может выйти из строя. Необратимые изменения в полупроводниковых приборах практически происходят при температурах перехода 100 °С для приборов, выполненных на основе германия, и 200 °С для приборов, выполненных на основе кремния.

Максимальная температура t_п.макс указывается в справочниках. Под максимальной рабочей температурой следует понимать не среднюю, а мгновенную температуру, так как при импульсном режиме работы мгновенная температура может быть значительно выше средней.

Для нормальной работы полупроводниковых приборов необходимо, чтобы температура переходов была всегда ниже предельной

Число отказов уменьшается в 2 раза, если температура p-n-переходов ниже предельной на 10 °С.

При повышении температуры снижаются передельные данные полупроводниковых приборов. Так, у выпрямительных диодов при повышении температуры p-n-перехода сильно увеличивается обратный ток, который может достичь такой величины, что диод потеряет свои выпрямительные свойства. С ростом температуры у германиевых диодов уменьшается величина пробивного напряжения.

У кремниевых стабилитронов при повышении температуры перехода падает напряжение стабилизации

У тиристоров с повышением температуры возрастают токи утечки в выключенном состоянии, возрастает время и уменьшается ток выключения. При повышении температуры некоторые тиристоры могут самопроизвольно включаться, что приведет к нарушению работы устройств, в которых они применяются.

При повышении температуры у транзисторов снижаются предельные данные (мощность, напряжение, ток) и изменяются почти все их параметры. Например, для маломощных транзисторов мощность рассеяния снижается на 10 мвт при повышении температуры на каждые 5 °С.

Необходимо учитывать, что приводимые в справочниках максимальные мощности рассеяния являются предположительными, так как они могут быть реализованы только при определенных условиях окружающей среды (до 20-25 °С), нормальном давлении и идеальных радиаторах, чего на практике почти никогда на бывает. Поэтому для обеспечения надежности полупроводниковых приборов должно уделяться серьезное внимание их охлаждению - расчету и выбору радиаторного профиля.

На электропроводимость полупроводников значительно влияет температура. Если температура повышается, то возрастает генерация пар носителей заряда и при этом электропроводимость возрастает. В этой связи прямой и обратный токи увеличиваются. Например для германиевых диодов при увеличении температуры на каждые 10° С обратный ток может возрасти в два раза, а для кремниевых диодов в 2,5 раза. Прямой ток при нагреве диода возрастает незначительно, так как такой ток получается за счет примесной проводимости. Также с повышением температуры незначительно возрастает барьерная электроемкость диода.

Биполярные транзисторы -биполярным транзистором называют полупроводниковый прибор с тремя областями чередующегося типа электрической проводимости, разделенными двумя взаимодействующими р–п переходами, способный усиливать мощность.

Конструктивно–сплавной биполярный транзистор представляет собой пластинку монокристалла полупроводника проводимостью p или n – типа, по обеим сторонам которой наплавлены полупроводники, образующие с данным полупроводником иной тип проводимости.

На рис.12-11 показана конструкция транзистора, в которой в пластинку германия n–типа вплавлены по обеим сторонам шарики индия, образующие с германием проводимость p–типа.

Рис. 12-11. Реальная структура сплавного транзистора p-n-p

На рис.12-12 показана упрощенная плоскостная структура транзистора.

Рис.12-12. Упращённая структура транзистора p-n-p (а) и n-p-n (б)

Э-эмиттер, Б-база, К-коллектор

Крайние области транзистора называют эмиттером и коллектором среднюю – базой, р–п переходы соответственно называют эмиттерным и коллекторным. Если эмиттер и коллектор обладают дырочной проводимостью (области р), а база – электронной проводимостью (область п), структура транзистора р–п–р. Если проводимости областей транзистора противоположна названным, его структура п–р–п.

Принцип действия транзисторов обеих структур одинаков и основан на использовании свойств р–п переходов.

Условное обозначение транзисторов в схемах полярности напряжений в активном (усилительном) режиме работы и направления токов показаны на рис.12-13

Рис. 12-13. Условное обозначение транзисторов структур р–п–р (а) и п–р–п (б), полярности напряжений в активном режиме работы и направления токов.

Различают 3 схемы включения транзисторов в зависимости от того, какой вывод транзистора принимается общим для его входной и выходной цепей (см. рис.12-14) :

1) с общей базой (ОБ),

2) с общим эмиттером (ОЭ)

3) с общим коллектором (ОК)

Рис.12-14. Схемы включения транзисторов:

а) с общей базой.

б) с общим эмиттером.

в) с общим коллектором.

Транзисторы в схемах могут работать в различных режимах: активном (усилительном), насыщения и отсечки. Последние два режима называют ключевыми.

Рассмотрим принцип работы транзистора структуры р–п–р на примере схемы с общей базой. Обычно для исследования работы транзистора используют условную плоскостную схему (рис.12-15).

Рис.12-15 Направления токов в транзисторе

Для работы транзистора в активном режиме на его эмиттерный переход подается небольшое по величине напряжение в прямом направлении, а на коллекторный переход – значительно большее по величине (примерно, на порядок) напряжение в обратном направлении. При подаче напряжения на эмиттерный переход в прямом направлении понижается высота его потенциального барьера, поэтому дырки вследствие разности концентрации их в эмиттере и базе (т.е. вследствие диффузии) инжектируются (впрыскиваются) в область базы, образуя дырочный ток эмиттера ,Iэр.

Одновременно из области базы в результате диффузии в области эмиттера переходят электроны базы, образуя в эмиттере электронный ток Iэп.

Итак, ток эмиттера равен:

Iэ=Iэр+Iэn (12.13)

Ток Iэn не участвует в создании коллекторного (выходного) тока транзистора и только нагревает эмиттерный переход, поэтому его величину уменьшают. Для этого базу насыщают донорной примесью незначительно. Из–за малой величины тока Iэn им часто пренебрегают.

Инжектированные в область базы дырки у эмиттерного перехода имеют значительную концентрацию и за счет диффузии перемещаются в сторону коллекторного р–п перехода. Так как поле коллекторного перехода для дырок является ускоряющим, происходит экстракция (всасывание) дырок в область коллектора. Поскольку их концентрация около коллекторного перехода выше, чем в остальной части коллектора, за счет диффузии дырки перемещаются в сторону омического контакта, где рекомбинируют с электронами, поступающими от источника Екб. Таким образом, дырки от эмиттера через базу попадают в коллектор, образуя дырочную составляющую тока Iкр в области коллектора. Токи Iэр и Iкр по величине не равны, так как часть дырок эмиттера, попавших в область базы, не доходит до коллекторного перехода, рекомбинируя с электронами базы, в результате чего исчезают и дырка и электрон. В базе вследствие этого процесса протекает составляющая тока базы называемая током рекомбинации Iбрэк.

Вместе с основными носителями заряда через эмиттерный и коллекторный переходы движутся не основные носители, образующие дрейфовую составляющую тока в каждой из областей транзистора.

Влияние на свойства транзистора оказывает дрейфовый ток, образованный перемещением не основных носителей через коллекторный переход: дырок, из области базы и электронов из области коллектора. Этот ток называют обратным током коллекторного перехода Iко.

Так как он образуется в результате генерации пар носителей дырка–электрон при повышении температуры сверх К, его называют тепловым током. С повышением температуры он растет по экспоненциальному закону. В германиевых транзисторах при повышении температуры на каждые К Iко возрастает в 2 раза, в кремниевых – в 2,5 раза.

Величина Iко не зависит от величины потенциального барьера р–п перехода, так как поле р–п перехода для не основных носителей является ускоряющим, она зависит от температуры транзистора, т.е. Iко является неуправляемым током.

Таким образом, можно записать значения токов, протекающих в отдельных областях транзистора в схеме ОБ.

Ток эмиттера был определен выше:

Iб=Iэn–Iбрэк–Iко(12.15)

Iк=Iкр+Iко.(12.16)

Из уравнений (14),(15),(16) можно установить

Iэ=Iб+Iк,(12.16)

что соответствует 1–му закону Кирхгофа.

Токи Iк и Iб содержат составляющую Iко, следовательно, их величина, как и Iко, изменяется с изменением температуры. Для того, чтобы поддерживать величины этих токов на определенном уровне вне зависимости от температуры, схемы, в которых работает транзистор, стабилизируют.

Итак, через транзистор течет сквозной дырочный ток от эмиттера через базу в коллектор, а в выводах транзистора – электронный ток.

Напомним, что за положительное направление тока принимают направление движения положительных зарядов (дырок), т.е. направление, противоположное направлению движения электронов (см. рис.12-15)

Током коллектора можно управлять. Для изменения его величины следует изменять величину напряжения источника питания Еэ. С увеличением Еэ уменьшается высота потенциального барьера эмиттерного перехода и увеличивается ток Iэ, а, следовательно, и ток Iк. Таким образом, ток эмиттера является управляющим током, а ток коллектора – управляемым. Поэтому транзистор часто называют прибором, управляемым током.

температура окружающей среды оказывает существенное влияние на вольт-амперную характеристику диода. С изменением температуры несколько меняется ход как прямой, так и обратной ветви ВАХ.

При увеличении температуры возрастает концентрация неосновных носителей в кристалле полупроводника. Это приводит к росту обратного тока перехода (за счет увеличения тока двух его составляющих: I_о и I_тг), а также уменьшению обьемного сопротивления области базы. При увеличении температуры обратный ток насыщения увеличивается примерно в 2 раза у германиевых и в 2,5 раза у кремниевых диодов на каждые 10 °С. Зависимость обратного тока от температуры аппроксимируется выражением

где: I_(Т0)-ток измерен при температуре Т0; Т – текущая температура; Т* - температура удвоения обратного тока - (5-6) 0 С – для Ge и (9-10) 0 С – для Si.

Максимально допустимое увеличение обратного тока диода определяет максимально допустимую температуру диода, которая составляет 80— 100 °С для германиевых диодов и 150 — 200 °С для кремниевых..

Ток утечки слабо зависят от температуры, но может существенно изменяться во времени. Поэтому он, в основном, определяет временную нестабильность обратной ветви ВАХ.

Прямая ветвь ВАХ при увеличении температуры сдвигается влево и становится более крутой (рис.2.2). Это объясняется ростом I_обр (рис.2.2) и уменьшением r_б, Последнее, уменьшает падение напряжения на базе, а напряжение непосредственно на переходе растет при неизменном напряжении на внешних выводах.

Для оценки температурной нестабильности прямой ветви вводится температурный коэффициент напряжения (ТКН) a_т=DU/DT, показывающий, как изменится прямое напряжение на диоде с изменением температуры на 1 0 С при фиксированном прямом токе. В диапазоне температур от -60 до +60"С a_т @-2,3 мВ/°С.

Выпрямительные диоды

Выпрямительные диоды – предназначены для выпрямления низкочастотного переменного тока и обычно используются в источниках питания. Под выпрямлением понимают преобразование двухполярного тока в однополярный. Для выпрямления используется основное свойство диоды – их одностороняя проводимость.

В качествевыпрямительных диодов в источниках питания для выпрямления больших токов используют плоскостные диоды, которые имеют большую площадь контакта р и п областей. Такие диоды обладают большой барьерная емкостью, емкостное сопротивление Xc=1/(ωC) с ростом частоты становится мало и закорачивает (шунтирует) сопротивление перехода г_pn, в результате чего выпрямления не выполняется, но это не существенно, т.к. такие диоды используют в низкочастотных схемах. Кроме того такие диоды имеет большую величину обратного тока.

Основные параметры выпрямительных диодов даются применительно к их работе в однополупериодном выпрямителе с активной нагрузкой (без конденсатора, сглаживающего пульсации).

Среднее прямое напряжение U_пр.._ср — среднее за период прямое напряжение на диоде при протекании через него максимально допустимого выпрямленного тока.

Средний обратный ток I_{обр. ср} — средний за период обратный ток, измеряемый при максимальном обратном напряжении.

Максимально допустимое обратное напряжение U_обр. _m_ах (U_{обр. и} _m_ах) - наибольшее постоянное (или импульсное) обратное напряжение, при котором диод может длительно и надежно работать.

Максимально допустимый выпрямленный ток I_{вп. ср} _m_аах— средний за период ток через диод (постоянная составляющая), при котором обеспечивается его надежная длительная работа.

Максимальная частота f_мах — наибольшая частота подводимого напряжения, при которой выпрямитель на данном диоде работает достаточно эффективно, а нагрев диода не превышает допустимой величины.

Средняя рассеиваемая мощность диода Р_ср _Д – средняя за период мощность рассеиваемая диодом при протекании тока в прямом и обратном направлении.

Превышение максимально допустимых величин ведет к резкому сокращению срока службы или пробою диода.

Улучшая условия охлаждения (вентиляцией, применением радиаторов), можно увеличить отводимую мощность и избежать теплового пробоя. Применение радиаторов позволяет также увеличить прямой ток.

Промышленностью выпускаются кремниевые выпрямительные диоды на токи до сотен ампер и обратные напряжения до тысяч вольт. Если необходимо работать при обратных напряжениях, превышающих допустимые Uобр для одного диода, то диоды соединяют последовательно. Для увеличения выпрямленного тока можно применяться параллельное включение диодов.

Однополупериодный выпрямитель (рис.2.6). Трансформатор предназначен для понижения амплитуды переменного напряжения. Диод служит для выпрямления переменного тока. Временные диаграммы, поясняющие процесс работы однополупериодного выпрямителя представлены на рис.2.7.

2) Двухполупериодный выпрямитель. Предыдущая схема имеет существенный недостаток. Он состоит в том, что не используется часть энергии первичного источника питания (отрицательный полупериод). Недостаток устраняется в схеме двухполупериодного выпрямителя.

В первый положительный (+) полупериод, ток протекает так : +, VD3, , VD2, - . Во второй – отрицательный (-) так: +, VD4, , VD1,- . В обоих случаях он через нагрузку протекает в одном направлении ↓- сверху вниз, т.е. происходит выпрямление тока.

2.5 Импульсные диоды

Импульсные диоды – это диоды, которые предназначены для работы в ключевом режиме в импульсных схемах. Диоды в таких схемах выполняют роль электрических ключей. Электрический ключ имеет два состояния:

1. Замкнутое, когда его сопротивление равно нулю R_vd =0.

2. Разомкнутое, когда его сопротивление бесконечно R_vd=∞.

Этим требованиям удовлетворяют диоды в зависимости от полярности приложенного напряжения. Они имеют малое сопротивление при смещениях в прямом направлении, и большое сопротивление при смещениях в обратном направлении

3. Важным параметром переключающих диодов является их быстродействие переключения. Факторами, ограничивающими скорость переключения диода, является:

а) ёмкость диода.

б) скорость диффузии и связанные с ней время накопления и рассасывания неосновных носителей заряда.

В импульсных диодах высокая скорость переключения достигается уменьшением площади p-n-перехода, что снижает величину ёмкости диода. Однако, это уменьшает величину максимального прямого тока диода (I_прям._max_.). Импульсные диоды характеризуются теми же параметрами, что и выпрямительные, но имеют так же и специфические, связанные с быстродействием переключения. К ним относятся:

1) Время установления прямого напряжения на диоде (t_уст ):

t_уст. – время, за которое напряжение на диоде при включении прямого тока достигает своего стационарного значения с заданной точностью. Это время связанно со скоростью диффузии состоит в уменьшением сопротивления области базы за счёт накопления в ней неосновных носителей заряда инжектируемых эмиттером. Первоначально оно высоко, т.к. мала концентрация

носителей заряда. После подачи прямого напряжения концентрация неосновных носителей заряда в базе увеличивается, это снижает прямое сопротивление диода.

2) Время восстановления обратного сопротивления диода (t_восст.): определяется как время, в течение которого обратный ток диода после переключения полярности приложенного напряжения с прямого на обратное достигает своего стационарного значения с заданной точностью. Это время связано с рассасыванием из базы неосновных носителей заряда накопленных при протекании прямого тока.

t_восст. – время, за которое обратный ток через диод при его переключении достигает своего стационарного значения, с заданной точностью I₀, обычно 10% от максимального обратного тока.

t₁_. – время рассасывания, за которое концентрация неосновных носителей заряда на границе р-п-перехода обращается в ноль.

t₂_. – время разряда диффузионной емкости, связанное рассасыванием неосновных зарядов в объме базы диода.

В целом время восстановление это время выключения диода, как ключа.

Диоды Шотки.

Электрический переход, возникающий на границе металл – полупроводник, при определенных условиях обладает выпрямительными свойствами. Он создаётся путём напыления металла на высокоомный полупроводник, например, n-типа. Прибор на основе такого перехода называется диодом Шотки. Главная особенность этого диода – это отсутствие неосновных носителей заряда в процессе его работы. Прямой ток обусловлен электронами, движущимися из кремния в металл. Следовательно, практически отсутствуют процессы их накопления и рассасывания, а потому диоды Шоттки имеют высокое быстродействие переключения.

Другой особенностью этих диодов является малое (по сравнению с обычными кремниевыми диодами) прямое напряжение, составляющее около 0,15В. Это связано с тем, что тепловой ток примерно на три порядка превышает ток р-n- перехода.

В импульсных схемах диоды Шоттки широко используются в комбинации с транзисторами. Такие транзисторы называются транзисторами Шотки – они имеют высокое быстродействие переключения.

Выпрямительные диоды

Превышение максимально допустимых величин ведет к резкому сокращению срока службы или пробою диода.

2.5 Импульсные диоды

1. Замкнутое, когда его сопротивление равно нулю R_vd =0.

2. Разомкнутое, когда его сопротивление бесконечно R_vd=∞.

а) ёмкость диода.

б) скорость диффузии и связанные с ней время накопления и рассасывания неосновных носителей заряда.

1) Время установления прямого напряжения на диоде (t_уст ):

t₂_. – время разряда диффузионной емкости, связанное рассасыванием неосновных зарядов в объме базы диода.

В целом время восстановление это время выключения диода, как ключа.

Диоды Шотки.

Зависимость параметров полупроводникового (ПП) диода довольно ощутима, поскольку материал из которого он сделан довольно охотно увеличивает количество свободных носителей заряда под действием светового потока, температуры, рентгеновского излучения и т. д. А это, в первую очередь, влияет на электрическую проводимость этого самого материала. Если взять два различных полупроводника, допустим германий (Ge) и кремний (Si), то при одинаковом повышении их температуры, проводимость германия будет увеличиваться существенно больше, чем у кремния. С чем это связано. Существует такой параметр, как ШИРИНА ЗАПРЕЩЕННОЙ ЗОНЫ, измеряется в электрон-вольтах (эВ). Он показывает, какое количество энергии нужно придать носителям заряда, чтобы они перешли из валентной зоны, в зону проводимости. В валентной зоне, носитель заряда не может участвовать в протекании эл. тока, поскольку он "связан" с ядром атома, но когда мы извне придаем ему энергию, допустим в виде тепла, он отрывается от атома и блуждает в кристаллической решетке материала. Так появляется свободный носитель заряда. У германия, ширина запрещенной зоны меньше, чем у кремния (0,7 эВ против 1,1 эВ), то есть носителям заряда в валентной зоне германия нужно придать меньше энергии для высвобождения. Вот почему при одинаковой высокой температуре, германий будет лучше проводить ток.

Зависимость напряжения отпирания диода от температуры

Что характерно для ПП диода, его напряжение отпирания практически линейно зависит от температуры в диапазоне от -55. +125ºC, убывая с ростом температуры приблизительно на 1,7 мВ на каждый градус (на практике). При этом, вольт-амперная характеристика имеет такой вид:

При увеличении температуры, вольт-амперная характеристика смещается левее по графику, причем, форма кривой практически не изменяется. Давайте убедимся в вышесказанном, с помощью симулятора эл. цепей. Для этого, подключим к диоду источник тока, пропустив через него ток величиной 1 Ампер, подключив к нему вольтметр для мониторинга его напряжения отпирания при заданном токе и температуре диода, равного 27°С:

Как видно из рисунка, для данного диода величина порога отпирания составляет 681 мВ при заданном токе и температуре. Давайте поднимем температуру до 127°С и посмотрим что получится:

Напряжение отпирания снизилось до 508,4 мВ. То есть оно изменилось на 172,6 мВ (681-508,4). Поскольку, как было сказано выше, температурная зависимость практически линейна, можем узнать изменение напряжения на один градус: 172,6/100=1,726 (мВ). Выше было описано, что напряжение отпирания убывает с ростом температуры приблизительно на 1,7 мВ. Как видите, данные практически совпадают.

Зависимость тока диода в обратном включении от температуры

Поскольку количество свободных носителей заряда с ростом температуры в диоде увеличивается, естественно, ток в обратном включении также будет повышаться. Давайте сразу перейдем к эксперименту. Подключим этот же диод в обратном включении к источнику напряжения величиной 12 Вольт последовательно с амперметром, и зададим температуру диода 27°C:

Ток относительно мал и составляет 0,156 микроампер. Теперь увеличим температуру на 100°C, что при этом изменилось:

Величина тока значительно возросла и теперь составляет 154,4 микроампер (практически в 1000 раз!). Но все же, обратный ток такой величины довольно мал относительно прямых токов, где их величина составляет единицы и десятки ампер, так что это не особо повлияет на работоспособность электрических схем с участием диодов, кроме редких случаев.

При увеличении температуры диода уменьшается высота потенциального барьера ( см. § 2.1) и изменяется распределение носителей заряда по энергиям - электроны, например, занимают более высокие энергетические уровни в зоне проводимости. [3]

На ВАХ влияет температура диода . С увеличением температурь существенно возрастает обратный ток, а прямой ток изменяется незначительно. При приложении к диоду переменного напряжения проявляется емкость р-п перехода. Различают барьерную и диффузионную емкости. [5]

Действительно, отклонение температуры диода от Граб в сторону снижения приводит к тому, что выделяемая в диоде мощность станет больше отводимой ( кривая Рвыд выше Ротв), следовательно, температура диода будет расти. Наоборот, не очень большое отклонение температуры вверх приводит к тому, что выделяемая мощность станет меньше отводимой и диод будет охлаждаться. [7]

Пробивное напряжение зависит от температуры диода . Характер этой зависимости определяется параметрами полупроводникового материала, из которого изготовлен диод, и его конструкцией. Однако для большинства диодов с увеличением температуры пробой наступает при меньших напряжениях. Причем для высоковольтных диодов эта зависимость проявляется сильнее. [9]

Спад яркости свечения возрастает с увеличением температуры диода , причем степень спада пропорциональна полному заряду, прошедшему через диод. Время полуспада экспоненциально зависит от температуры; энергия активации процесса старения, полученная из такой зависимости, заметно уменьшается в присутствии ионов меди. [11]

Недостатком полупроводниковых выпрямителей является зависимость выпрямленного тока и напряжения пробоя от температуры диодов . [13]

Необходимо иметь в виду, что время зависит от скорости спада тока di Jdt, температуры диода и в меньшей степени от уровня прямого тока диода ID. С ростом л / dt ( по абсолютной величине) оно падает, а при увеличении температуры - растет. [14]

Величина выпрямленного тока в значительной степени зависит от условий охлаждения диода и должна выбираться такой, чтобы температура диода не превышала указанных пределов. [15]

Читайте также: