Шаг за шагом. Транзисторы

Вывод, который нужно сделать в результате всех этих пространных рассуждений, достаточно краток: не допускайте превышения прямого тока I_выпи обратного напряжения U_{обр-доп}.

Обогащенные этими новыми знаниями, мы уже можем критически взглянуть на таблицы 1–5. Первое, что бросается в глаза, — это довольно большое количество разных диодов. У некоторых прямой ток побольше, у других поменьше, некоторые диоды терпят обратное напряжение в сотни вольт, для других смертельным является напряжение в два-три десятка вольт. Видно также, что у точечных диодов допустимые токи и напряжения значительно меньше, чем у плоскостных.

Здесь вполне уместно задать вопрос: зачем вообще нужны точечные диоды, если любой из них по предельным параметрам уступает самому слабенькому плоскостному диоду? А дело в том, что плоскостные диоды проигрывают точечным по одному весьма важному параметру, который хотя и не входит в нашу таблицу, но о котором следует помнить. Этот параметр — собственная емкость диода (рис. 20).

Рис. 20. Сравнительно большая емкость плоскостного диода не позволяет использовать его в высокочастотных цепях.

Полупроводниковый диод очень напоминает плоский конденсатор. Его обкладки — зона р и зона n, а диэлектрик — область рn-перехода, лишенная свободных, зарядов. Известно, что емкость конденсатора тем больше, чем больше площадь его обкладок. Именно на этом, кстати, основано изменение емкости в переменном конденсаторе. Для того чтобы повысить допустимую величину прямого тока у плоскостных диодов, увеличивают площадь соприкосновения зоны р с зоной n, то есть, иными словами, увеличивают площадь рn-перехода.

И, конечно же, при этом возрастает собственная емкость диода. У плоскостных диодов собственная емкость достигает нескольких сот пикофарад (пф). В то же время собственная емкость точечных диодов ввиду очень малой поверхности рn-перехода обычно составляет несколько десятых долей пф. И поэтому точечные диоды могут работать в цепях переменного тока высокой частоты, там, где применение плоскостных диодов невозможно из-за их большой емкости.

Постоянный ток, как известно, не проводит через конденсатор — между его обкладками находится слой изолятора. Но когда конденсатор заряжается и разряжается, в его цепи все-таки возникает кратковременный ток — заряды двигаются на обкладки (зарядный ток) или уходят с них (разрядный ток). Под действием переменного напряжения циклы заряд-разряд происходят непрерывно, и в цепи конденсатора возникает переменный ток. Ток этот возрастает с увеличением частоты: чем выше частота, тем чаще двигаются заряды «туда-обратно», тем большее их количество проходит по цепи каждую секунду.

Есть еще один способ увеличить ток: нужно взять конденсатор большей емкости. Чем больше емкость С конденсатора, тем большее число зарядов накапливается на обкладках, тем интенсивнее их движение во время заряда и разряда. Учитывая все это, конденсатор можно представить в виде некоторого условного резистора, обладающего емкостным сопротивлением x_с, от которого зависит величина тока. Само же x_с зависит от частоты f и емкости С. (Воспоминание № 13; формулы действительны только для переменного тока синусоидальной формы). Сопротивление x_с называют реактивным — оно не потребляет мощности, а лишь влияет на величину тока.

Предположим, что в плоскостном диоде емкость рn-перехода равна 100 пф. На частоте 100 килогерц (кгц) конденсатор такой емкости ведет себя как сопротивление 16 килоом (ком). Это сопротивление намного меньше обратного сопротивления диода и сильно шунтирует его. Образно говоря, собственная емкость диода совершает «предательство» (не забывайте про стр. 26!) — создает обходной путь, который фактически делает диод ненужным, неработающим элементом цепи.

Как видите, большой прямой ток плоскостных диодов покупается довольно дорогой ценой: предельная рабочая частота этих диодов обычно не превышает 10–20 кгц. Точечные диоды хорошо работают на частотах в десятки, сотни и даже тысячи мегагерц (Мгц). На высоких частотах емкостное сопротивление точечного диода оказывается весьма большим благодаря его небольшой собственной емкости (чем меньше емкость, тем больше емкостное сопротивление). И поэтому точечный диод практически не подвергается шунтирующему действию собственного конденсатора-«предателя».

Есть еще несколько параметров полупроводникового диода, с которыми нам необходимо познакомиться. Это обратный ток и прямое напряжение, а также предельная температура, которую терпит диод. Мы не стали включать эти параметры в таблицы, потому что для многих диодов они одинаковы и таблицы оказались бы заполненными множеством одинаковых цифр.

Так, например, все германиевые диоды работают при температуре не более +60 °C. Для кремниевых диодов верхняя температурная граница значительно выше — до +100 °C (часто указывают иные величины, а именно: +70 °C и + 150 °C).

Причиной гибели диодов при высокой температуре является уже знакомый тепловой пробой. Тепловая энергия увеличивает собственные колебания атомов, как бы расшатывает их, и в результате увеличивается число электронов, покидающих внешние орбиты. Поэтому с увеличением температуры в полупроводниковом диоде растет число неосновных (собственных) зарядов, а значит, уменьшается численное превосходство основных (примесных) зарядов, на котором, собственно говоря, и основана вся деятельность pn-перехода.

Посмотрите на рис. 21. Здесь показано, как меняется характеристика диода при его нагревании. Вы видите, что с ростом температуры резко увеличивается обратный ток — происходит это именно за счет увеличения собственной проводимости полупроводника. Постепенно дело доходит до того, что обратный ток становится равным прямому, рn-переход разрушается, наступает тепловой пробой.

Рис. 21. При нагревании диода увеличивается число собственных (неосновных) зарядов в полупроводнике, увеличивается обратный ток через рn-переход.

То, что у кремниевых диодов это происходит при более высокой температуре, можно объяснить (опять-таки очень упрощенно!) следующим образом. У кремния всего три орбиты, у германия — четыре. Поэтому в атоме кремния внешняя орбита находится ближе к ядру, электроны прочнее привязаны электрическими силами к ядру и нужна более высокая температура, более сильные тепловые колебания атома, чтобы выбросить электрон с его внешней орбиты.

Для того чтобы не перегреть полупроводниковый диод, не довести его до опасной граничной температуры, пользуются охлаждающими радиаторами, например медными, алюминиевыми или стальными пластинами. Роль радиатора может выполнять и металлическое шасси, на котором монтируется схема. Радиатор должен плотно прилегать к корпусу диода: лишь в этом случае диод хорошо передает ему свое тепло. Если же нужно, чтобы корпус диода (к нему подсоединена зона n, см. рис. 14) не имел электрического контакта с металлическим радиатором (чаще всего с шасси), то между диодом и радиатором помещают тонкую слюдяную прокладку.

Диоды большой и даже средней мощности без радиаторов вообще не используют, так как при этом у них очень резко, иногда в два-три раза, уменьшаются допустимый прямой ток I_пр-доп и допустимое обратное напряжение U_{обр-доп}. А плоскостные диоды малой мощности, для которых не нужны радиаторы, при монтаже стараются располагать так, чтобы обеспечивалось их хорошее охлаждение. Более того, даже при пайке выводов полупроводникового прибора нужно остерегаться его перегрева. Паять нужно быстро, аккуратно, предварительно зажав вывод пинцетом или плоскогубцами, которые в данном случае играют роль теплоотвода (рис. 22).