Usměrňovací diody

Dioda - dvouelektrodové polovodičové zařízení s jedním p-n přechodem, které má jednostranné vedení proudu. Existuje mnoho různých typů diod — usměrňovací, pulzní, tunelové, reverzní, mikrovlnné diody, stejně jako zenerovy diody, varikapy, fotodiody, LED a další.

Usměrňovací diody

Činnost usměrňovací diody je vysvětlena vlastnostmi elektrického p — n přechodu.

Poblíž hranice dvou polovodičů vzniká vrstva, která je zbavena mobilních nosičů náboje (díky rekombinaci) a má vysoký elektrický odpor — tzv. Blokovací vrstva. Tato vrstva určuje rozdíl kontaktních potenciálů (potenciální bariéru).

Pokud je na přechod p — n přivedeno vnější napětí, které vytváří elektrické pole ve směru opačném k poli elektrické vrstvy, pak se tloušťka této vrstvy zmenší a při napětí 0,4 — 0,6 V se blokovací vrstva zmenší. zmizí a proud se výrazně zvýší (tento proud se nazývá stejnosměrný proud).

Při připojení vnějšího napětí různé polarity se zvýší blokovací vrstva a zvýší se odpor p — n přechodu a proud v důsledku pohybu menšinových nosičů náboje bude zanedbatelný i při relativně vysokých napětích.

Propustný proud diody je vytvářen hlavními nosiči náboje a zpětný proud menšinovými nosiči náboje. Diodou prochází kladný (dopředný) proud ve směru od anody ke katodě.

Na Obr. 1 znázorňuje konvenční grafické označení (UGO) a charakteristiky usměrňovacích diod (jejich ideální a skutečné proudově-napěťové charakteristiky). Zdánlivá diskontinuita charakteristiky proud-napětí diody (CVC) na počátku je spojena s různými stupnicemi proudu a napětí v prvním a třetím kvadrantu grafu. Dva výstupy diod: anoda A a katoda K v UGO nejsou specifikovány a jsou pro vysvětlení znázorněny na obrázku.

Proudově napěťová charakteristika skutečné diody ukazuje oblast elektrického průrazu, kdy při malém zvýšení zpětného napětí proud prudce vzroste.

Elektrické poškození je vratné. Při návratu do pracovní oblasti dioda neztrácí své vlastnosti. Pokud zpětný proud překročí určitou hodnotu, pak se elektrické selhání stane nevratným tepelným selháním zařízení.

Rýže. 1. Polovodičový usměrňovač: a — konvenční grafické znázornění, b — ideální charakteristika proud-napětí, c — skutečná charakteristika proud-napětí

Průmysl vyrábí hlavně germaniové (Ge) a křemíkové (Si) diody.

Křemíkové diody mají nízké zpětné proudy, vyšší provozní teplotu (150 — 200 °C vs. 80 — 100 °C), odolávají vysokým zpětným napětím a proudovým hustotám (60 — 80 A / cm2 vs. 20 — 40 A / cm2) . Kromě toho je křemík běžným prvkem (na rozdíl od germaniových diod, což je prvek vzácných zemin).

Mezi výhody germaniových diod patří nízký úbytek napětí při protékání stejnosměrného proudu (0,3 — 0,6 V vs. 0,8 — 1,2 V). Kromě uvedených polovodičových materiálů se v mikrovlnných obvodech používá arsenid galia GaAs.

Podle technologie výroby se polovodičové diody dělí do dvou tříd: bodové a planární.

Bodové diody tvoří Si nebo Ge destičku typu n o ploše 0,5 — 1,5 mm2 a ocelovou jehlu tvořící p — n přechod v místě kontaktu. V důsledku malé plochy má přechod malou kapacitu, proto může taková dioda pracovat ve vysokofrekvenčních obvodech, ale proud přechodem nemůže být velký (obvykle ne více než 100 mA).

Planární dioda se skládá ze dvou spojených Si nebo Ge desek s různou elektrickou vodivostí. Velká kontaktní plocha má za následek velkou kapacitu přechodu a relativně nízkou pracovní frekvenci, ale protékající proud může být velký (až 6000 A).

Hlavní parametry usměrňovacích diod jsou:

• maximální povolený dopředný proud Ipr.max,

• maximální povolené zpětné napětí Urev.max,

• maximální přípustná frekvence fmax.

Podle prvního parametru se usměrňovací diody dělí na diody:

• nízký výkon, konstantní proud až 300 mA,

• průměrný výkon, stejnosměrný proud 300 mA — 10 A,

• vysoký výkon — výkon, maximální dopředný proud je určen třídou a je 10, 16, 25, 40 — 1600 A.

Pulzní diody se používají v obvodech malého výkonu s pulzním charakterem přiváděného napětí. Výrazným požadavkem je pro ně krátká doba přechodu z uzavřeného stavu do otevřeného stavu a naopak (typická doba 0,1 — 100 μs). Pulzní diody UGO jsou stejné jako usměrňovací diody.

Obr. 2. Přechodové děje v pulzních diodách: a — závislost proudu při přepínání napětí z přímého na reverzní, b — závislost napětí při průchodu proudového pulzu diodou

Mezi specifické parametry pulzních diod patří:

• doba zotavení Tvosst

• je to časový interval mezi okamžikem, kdy se napětí diody přepne z propustného na zpětný, a okamžikem, kdy zpětný proud klesne na danou hodnotu (obr. 2, a),

• doba ustálení Tust je časový interval mezi začátkem stejnosměrného proudu dané hodnoty diodou a okamžikem, kdy napětí na diodě dosáhne 1,2 hodnoty v ustáleném stavu (obrázek 2, b),

• maximální obnovovací proud Iobr.imp.max., rovný největší hodnotě zpětného proudu diodou po přepnutí napětí z propustného na zpětný (obr. 2, a).

Invertované diody získané, když je koncentrace nečistot v p- a n-oblastech větší než u běžných usměrňovačů. Taková dioda má při zpětném zapojení nízký odpor proti propustnému proudu (obr. 3) a při přímém zapojení poměrně vysoký odpor. Proto se používají při korekci malých signálů s amplitudou napětí několik desetin voltu.

Rýže. 3. UGO a VAC invertovaných diod

Schottkyho diody získané přechodem kov-polovodič.V tomto případě jsou použity nízkoodporové substráty n-křemíku (nebo karbidu křemíku) s vysokoodporovou tenkou epitaxní vrstvou stejného polovodiče (obr. 4).

Rýže. 4. UGO a struktura Schottkyho diody: 1 — počáteční křemíkový krystal s nízkým odporem, 2 — epitaxní vrstva křemíku s vysokým odporem, 3 — oblast prostorového náboje, 4 — kovový kontakt

Na povrch epitaxní vrstvy je aplikována kovová elektroda, která zajišťuje rektifikaci, ale nevstřikuje menšinové nosiče do oblasti jádra (nejčastěji zlato). Proto v těchto diodách nedochází k tak pomalým procesům, jako je akumulace a resorpce menšinových nosičů v bázi. Proto setrvačnost Schottkyho diod není vysoká. Je určena hodnotou bariérové ​​kapacity kontaktu usměrňovače (1 — 20 pF).

Sériový odpor Schottkyho diod je navíc výrazně nižší než u usměrňovacích diod, protože kovová vrstva má nízký odpor ve srovnání s jakýmkoli, i vysoce dopovaným polovodičem. To umožňuje použití Schottkyho diod pro usměrnění významných proudů (desítky ampérů). Obecně se používají při spínání sekundárů pro usměrnění vysokofrekvenčních napětí (až několik MHz).

Potapov L.A.