Ispravljačke diode

Dioda - dvoelektrodni poluvodički uređaj s jednim p-n spojem, koji ima jednostrano provođenje struje. Postoji mnogo različitih vrsta dioda—ispravljačke, pulsne, tunelske, reverzne, mikrovalne diode, kao i zener diode, varikape, fotodiode, LED diode i još mnogo toga.

Ispravljačke diode

Rad ispravljačke diode objašnjava se svojstvima električnog p — n spoja.

U blizini granice dvaju poluvodiča formira se sloj koji je lišen pokretnih nositelja naboja (zbog rekombinacije) i ima veliki električni otpor — tzv. Blokirajući sloj. Ovaj sloj određuje kontaktnu razliku potencijala (potencijalnu barijeru).

Ako se vanjski napon primijeni na p - n spoj, stvarajući električno polje u smjeru suprotnom od polja električnog sloja, tada će se debljina ovog sloja smanjiti i pri naponu od 0,4 - 0,6 V blokirajući sloj će se nestati i struja će se značajno povećati (ta se struja naziva istosmjerna).

Kada se spoji vanjski napon različitog polariteta, povećat će se blokirajući sloj i povećati otpor p — n spoja, a struja zbog gibanja manjinskih nositelja naboja bit će zanemariva čak i pri relativno visokim naponima.

Prednju struju diode stvaraju veliki nositelji naboja, a obrnutu struju manjinski nositelji naboja. Dioda propušta pozitivnu (pravu) struju u smjeru od anode prema katodi.

Na sl. Slika 1 prikazuje konvencionalnu grafičku oznaku (UGO) i karakteristike ispravljačkih dioda (njihove idealne i stvarne strujno-naponske karakteristike). Očigledni diskontinuitet diodne strujno-naponske karakteristike (CVC) na početku povezan je s različitim strujnim i naponskim skalama u prvom i trećem kvadrantu dijagrama. Dva diodna izlaza: anoda A i katoda K u UGO nisu navedeni i prikazani su na slici radi objašnjenja.

Strujno-naponska karakteristika stvarne diode pokazuje područje električnog sloma, kada za malo povećanje reverznog napona struja naglo raste.

Električno oštećenje je reverzibilno. Kada se vrati u radno područje, dioda ne gubi svoja svojstva. Ako povratna struja prijeđe određenu vrijednost, tada će električni kvar postati nepovratan toplinski s kvarom uređaja.

Riža. 1. Poluvodički ispravljač: a — konvencionalni grafički prikaz, b — idealna strujno-naponska karakteristika, c — stvarna strujno-naponska karakteristika

Industrija uglavnom proizvodi germanijske (Ge) i silicijeve (Si) diode.

Silicijske diode imaju niske obrnute struje, višu radnu temperaturu (150 — 200 ° C naspram 80 — 100 ° C), podnose visoke obrnute napone i gustoće struje (60 — 80 A / cm2 naspram 20 — 40 A / cm2). Osim toga, silicij je uobičajeni element (za razliku od germanijevih dioda, koje su rijetke zemlje).

Prednosti germanijevih dioda uključuju mali pad napona kada teče istosmjerna struja (0,3 — 0,6 V prema 0,8 — 1,2 V). Uz navedene poluvodičke materijale, galijev arsenid GaAs koristi se u mikrovalnim krugovima.

Prema proizvodnoj tehnologiji, poluvodičke diode dijele se u dvije klase: točkaste i planarne.

Točkaste diode tvore Si ili Ge ploču n-tipa s površinom od 0,5 - 1,5 mm2 i čeličnom iglom koja tvori p - n spoj na kontaktnoj točki. Zbog male površine, spoj ima mali kapacitet, stoga takva dioda može raditi u visokofrekventnim krugovima, ali struja kroz spoj ne može biti velika (obično ne više od 100 mA).

Planarna dioda sastoji se od dvije spojene Si ili Ge ploče različite električne vodljivosti. Velika kontaktna površina rezultira velikim kapacitetom spoja i relativno niskom radnom frekvencijom, ali struja koja teče može biti velika (do 6000 A).

Glavni parametri ispravljačkih dioda su:

• najveća dopuštena prednja struja Ipr.max,

• najveći dopušteni povratni napon Urev.max,

• najveća dopuštena frekvencija fmax.

Prema prvom parametru ispravljačke diode dijelimo na diode:

• mala snaga, konstantna struja do 300 mA,

• prosječna snaga, istosmjerna struja 300 mA — 10 A,

• velika snaga - snaga, maksimalna prednja struja određena je klasom i iznosi 10, 16, 25, 40 - 1600 A.

Pulsne diode koriste se u krugovima male snage s pulsnim karakterom primijenjenog napona. Poseban zahtjev za njih je kratko vrijeme prijelaza iz zatvorenog stanja u otvoreno stanje i obrnuto (tipično vrijeme 0,1 — 100 μs). UGO pulsne diode su iste kao i ispravljačke diode.

sl. 2. Prijelazni procesi u pulsnim diodama: a - ovisnost o struji pri prebacivanju napona iz izravnog u obrnuti, b - ovisnost o naponu kada strujni impuls prolazi kroz diodu

Specifični parametri pulsnih dioda uključuju:

• vrijeme oporavka Tvosst

• ovo je vremenski interval između trenutka kada se napon diode prebaci s naprijed na natrag i trenutka kada se povratna struja smanji na zadanu vrijednost (slika 2, a),

• vrijeme ustaljivanja Tust je vremenski interval između početka istosmjerne struje određene vrijednosti kroz diodu i trenutka kada napon na diodi dosegne 1,2 vrijednosti u stacionarnom stanju (slika 2, b),

• maksimalna struja oporavka Iobr.imp.max., jednaka najvećoj vrijednosti obrnute struje kroz diodu nakon prebacivanja napona iz naprijed unatrag (slika 2, a).

Invertirane diode dobivene kada je koncentracija nečistoća u p- i n-područjima veća nego kod konvencionalnih ispravljača. Takva dioda ima mali otpor na struju naprijed tijekom obrnutog spoja (slika 3) i relativno visok otpor tijekom izravnog spoja. Stoga se koriste u korekciji malih signala s amplitudom napona od nekoliko desetinki volta.

Riža. 3. UGO i VAC invertiranih dioda

Schottky diode dobivene prijelazom metal-poluvodič.U ovom slučaju koriste se niskootporne podloge od n-silicija (ili silicij-karbida) s visokootpornim tankim epitaksijalnim slojem istog poluvodiča (slika 4).

Riža. 4. UGO i struktura Schottky diode: 1 — početni kristal silicija s malim otporom, 2 — epitaksijalni sloj silicija s visokim otporom, 3 — područje prostornog naboja, 4 — metalni kontakt

Na površinu epitaksijalnog sloja postavlja se metalna elektroda koja omogućuje ispravljanje, ali ne ubrizgava manjinske nosioce u područje jezgre (najčešće zlato). Stoga u ovim diodama nema tako sporih procesa kao što su nakupljanje i resorpcija manjinskih nositelja u bazi. Stoga tromost Schottky dioda nije velika. Određuje se vrijednošću barijernog kapaciteta kontakta ispravljača (1 — 20 pF).

Osim toga, serijski otpor Schottky dioda znatno je niži od otpora ispravljačkih dioda jer metalni sloj ima mali otpor u usporedbi s bilo kojim, čak i visoko dopiranim poluvodičem. To omogućuje korištenje Schottky dioda za ispravljanje značajnih struja (desetke ampera). Općenito se koriste u sklopnim sekundarima za ispravljanje visokofrekventnih napona (do nekoliko MHz).

Potapov L.A.