Egyenirányító diódák

Dióda - egy kételektródos félvezető eszköz egy p-n átmenettel, amely egyoldali áramvezetéssel rendelkezik. Sokféle dióda létezik – egyenirányító, impulzus, alagút, fordított, mikrohullámú diódák, valamint zener-diódák, varikapok, fotodiódák, LED-ek stb.

Egyenirányító diódák

Az egyenirányító dióda működését az elektromos p — n átmenet tulajdonságai magyarázzák.

Két félvezető határa közelében egy (rekombináció miatt) mozgó töltéshordozóktól mentes, nagy elektromos ellenállású réteg képződik — az ún. Blokkoló réteg. Ez a réteg határozza meg az érintkezési potenciál különbséget (potenciálgát).

Ha a p — n átmenetre külső feszültséget hozunk létre, ami az elektromos réteg terével ellentétes irányú elektromos teret hoz létre, akkor ennek a rétegnek a vastagsága csökken, és 0,4-0,6 V feszültségnél a blokkolóréteg fellép. eltűnnek, és az áramerősség jelentősen megnő (ezt az áramot egyenáramnak nevezik).

Különböző polaritású külső feszültség csatlakoztatásakor a blokkolóréteg megnő és a p — n átmenet ellenállása megnő, és a kisebbségi töltéshordozók mozgásából adódó áram még viszonylag nagy feszültségeknél is elhanyagolható lesz.

A dióda előremenő áramát a fő töltéshordozók, a fordított áramot pedig a kisebbségi töltéshordozók hozzák létre. A dióda pozitív (előre) áramot vezet az anódtól a katód felé.

ábrán. Az 1. ábra az egyenirányító diódák hagyományos grafikus jelölését (UGO) és jellemzőit (ideális és tényleges áram-feszültség jellemzőit) mutatja. A dióda áram-feszültség karakterisztikájának (CVC) látszólagos folytonossági hiánya az origónál különböző áram- és feszültségskálákhoz kapcsolódik a diagram első és harmadik negyedében. Két dióda kimenet: az A anód és a K katód az UGO-ban nincs megadva, és magyarázatként az ábrán láthatók.

A valódi dióda áram-feszültség karakterisztikája az elektromos meghibásodás tartományát mutatja, amikor a fordított feszültség kismértékű növekedése esetén az áram erősen megnő.

Az elektromos károsodás visszafordítható. A munkaterületre visszatérve a dióda nem veszíti el tulajdonságait. Ha a fordított áram meghalad egy bizonyos értéket, akkor az elektromos hiba a készülék meghibásodásával visszafordíthatatlan termikussá válik.

Rizs. 1. Félvezető egyenirányító: a — hagyományos grafikus ábrázolás, b — ideális áram-feszültség karakterisztika, c — valós áram-feszültség karakterisztika

Az ipar elsősorban germánium (Ge) és szilícium (Si) diódákat gyárt.

A szilíciumdiódák alacsony fordított árammal, magasabb üzemi hőmérséklettel (150–200 °C vs. 80–100 °C) rendelkeznek, ellenállnak a nagy fordított feszültségnek és áramsűrűségnek (60–80 A/cm2 vs. 20–40 A/cm2). Ezenkívül a szilícium gyakori elem (ellentétben a germánium diódákkal, amely ritkaföldfém elem).

A germánium diódák előnyei közé tartozik az alacsony feszültségesés, amikor egyenáram folyik (0,3–0,6 V vs. 0,8–1,2 V). A felsorolt ​​félvezető anyagokon kívül gallium-arzenid GaAs is használatos a mikrohullámú áramkörökben.

A gyártási technológia szerint a félvezető diódákat két osztályba osztják: pontszerű és síkbeli.

A pontdiódák egy n-típusú Si vagy Ge lemezt alkotnak, amelynek területe 0,5-1,5 mm2, és egy acéltű, amely p-n csomópontot képez az érintkezési ponton. A kis terület miatt a csomópont kis kapacitású, ezért egy ilyen dióda nagyfrekvenciás áramkörökben is működhet, de a csomóponton átmenő áram nem lehet nagy (általában legfeljebb 100 mA).

Egy síkdióda két összekapcsolt Si vagy Ge lemezből áll, amelyek különböző elektromos vezetőképességgel rendelkeznek. A nagy érintkezési felület nagy csomóponti kapacitást és viszonylag alacsony működési frekvenciát eredményez, de az átfolyó áram nagy lehet (akár 6000 A).

Az egyenirányító diódák fő paraméterei a következők:

• maximálisan megengedhető előremenő áram Ipr.max,

• legnagyobb megengedett fordított feszültség Urev.max,

• maximálisan megengedhető frekvencia fmax.

Az első paraméter szerint az egyenirányító diódákat diódákra osztják:

• kis teljesítmény, állandó áram 300 mA-ig,

• átlagos teljesítmény, egyenáram 300 mA - 10 A,

• nagy teljesítmény - teljesítmény, a maximális előremenő áramot az osztály határozza meg, és 10, 16, 25, 40 - 1600 A.

Az impulzusdiódákat az alkalmazott feszültség impulzusjellegű kis teljesítményű áramkörökben használják. Külön követelmény velük szemben a rövid átmeneti idő a zárt állapotból a nyitott állapotba és fordítva (tipikus idő 0,1-100 μs). Az UGO impulzusdiódák ugyanazok, mint az egyenirányító diódák.

Ábra. 2. Tranziens folyamatok impulzusdiódákban: a — az áram függősége a feszültség közvetlenről fordított helyzetre történő átkapcsolásakor, b — a feszültség függése, amikor áramimpulzus halad át a diódán

Az impulzusdiódák specifikus paraméterei a következők:

• felépülési idő Tvosst

• ez az időintervallum azon pillanat között, amikor a dióda feszültsége előremenetről hátramenetre vált és a fordított áram egy adott értékre csökken (2. ábra, a),

• a Tust beállási idő az az időintervallum, amely egy adott értékű, a diódán átmenő egyenáram kezdete és az a pillanat között van, amikor a diódán lévő feszültség eléri az állandósult állapot 1,2-ét (2. ábra, b),

• az Iobr.imp.max. maximális visszanyerési áram, amely megegyezik a diódán átmenő fordított áram legnagyobb értékével, miután a feszültséget előre-hátra kapcsoltuk (2. ábra, a).

Invertált diódák akkor kaphatók, ha a szennyeződések koncentrációja a p- és n-régiókban nagyobb, mint a hagyományos egyenirányítóké. Egy ilyen diódának alacsony az ellenállása az előremenő árammal szemben fordított kapcsoláskor (3. ábra), és viszonylag nagy ellenállása a közvetlen bekötéskor. Ezért azokat kis jelek korrekciójára használják, amelyek feszültségamplitúdója több tized volt.

Rizs. 3. Invertált diódák UGO és VAC

Fém-félvezető átmenettel előállított Schottky-diódák.Ebben az esetben kis ellenállású n-szilícium (vagy szilícium-karbid) szubsztrátumokat használnak, amelyek ugyanabból a félvezetőből készült nagy ellenállású vékony epitaxiális réteggel rendelkeznek (4. ábra).

Rizs. 4. UGO és a Schottky-dióda szerkezete: 1 — kezdeti szilíciumkristály alacsony ellenállással, 2 — epitaxiális szilíciumréteg nagy ellenállással, 3 — tértöltési tartomány, 4 — fémkontaktus

Az epitaxiális réteg felületére fémelektródát visznek fel, amely egyenirányítást biztosít, de nem fecskendez be kisebbségi hordozót a mag régiójába (leggyakrabban aranyat). Ezért ezekben a diódákban nincsenek olyan lassú folyamatok, mint a kisebbségi hordozók felhalmozódása és reszorpciója az alapban. Ezért a Schottky-diódák tehetetlensége nem nagy. Az egyenirányító érintkező zárókapacitásának értéke (1–20 pF) határozza meg.

Ráadásul a Schottky-diódák soros ellenállása lényegesen alacsonyabb, mint az egyenirányító diódáké, mivel a fémréteg ellenállása minden, még erősen adalékolt félvezetőhöz képest is kicsi. Ez lehetővé teszi a Schottky-diódák használatát jelentős áramok (tíz amper) egyenirányításához. Általában másodlagos kapcsolóknál használják nagyfrekvenciás feszültségek egyenirányításához (több MHz-ig).

Potapov L.A.