Usmerňovacie diódy

Dióda - dvojelektródové polovodičové zariadenie s jedným p-n prechodom, ktoré má jednostranné vedenie prúdu. Existuje mnoho rôznych typov diód — usmerňovacie, impulzné, tunelové, reverzné, mikrovlnné diódy, ako aj zenerove diódy, varikapy, fotodiódy, LED diódy a ďalšie.

Usmerňovacie diódy

Činnosť usmerňovacej diódy je vysvetlená vlastnosťami elektrického p — n prechodu.

V blízkosti hranice dvoch polovodičov sa vytvorí vrstva, ktorá je zbavená mobilných nosičov náboja (v dôsledku rekombinácie) a má vysoký elektrický odpor — tzv. Blokovacia vrstva. Táto vrstva určuje rozdiel kontaktných potenciálov (potenciálna bariéra).

Ak sa na prechod p — n privedie vonkajšie napätie, ktoré vytvorí elektrické pole v smere opačnom k ​​poľu elektrickej vrstvy, potom sa hrúbka tejto vrstvy zníži a pri napätí 0,4 — 0,6 V sa blokovacia vrstva zmenší. zmizne a prúd sa výrazne zvýši (tento prúd sa nazýva jednosmerný prúd).

Pri pripojení externého napätia rôznej polarity sa zvýši blokovacia vrstva a zvýši sa odpor p — n prechodu a prúd v dôsledku pohybu menšinových nosičov náboja bude zanedbateľný aj pri relatívne vysokých napätiach.

Dopredný prúd diódy tvoria hlavné nosiče náboja a spätný prúd menšinové nosiče náboja. Diódou prechádza kladný (dopredný) prúd v smere od anódy ku katóde.

Na obr. 1 je znázornené konvenčné grafické označenie (UGO) a charakteristiky usmerňovacích diód (ich ideálna a skutočná charakteristika prúdového napätia). Zjavná diskontinuita prúdovo-napäťovej charakteristiky diódy (CVC) na začiatku je spojená s rôznymi stupnicami prúdu a napätia v prvom a treťom kvadrante grafu. Dva diódové výstupy: anóda A a katóda K v UGO nie sú špecifikované a pre vysvetlenie sú znázornené na obrázku.

Prúdovo-napäťová charakteristika skutočnej diódy ukazuje oblasť elektrického prierazu, keď pri malom zvýšení spätného napätia prúd prudko stúpa.

Elektrické poškodenie je reverzibilné. Pri návrate do pracovnej oblasti dióda nestráca svoje vlastnosti. Ak spätný prúd prekročí určitú hodnotu, potom sa elektrická porucha stane nezvratnou tepelnou s poruchou zariadenia.

Ryža. 1. Polovodičový usmerňovač: a — konvenčné grafické znázornenie, b — ideálna charakteristika prúdového napätia, c — skutočná charakteristika prúdového napätia

Priemysel vyrába hlavne germániové (Ge) a kremíkové (Si) diódy.

Kremíkové diódy majú nízke spätné prúdy, vyššiu prevádzkovú teplotu (150 – 200 °C oproti 80 – 100 °C), odolávajú vysokým spätným napätiam a prúdovým hustotám (60 – 80 A / cm2 oproti 20 – 40 A / cm2). Okrem toho je kremík bežným prvkom (na rozdiel od germániových diód, čo je prvok vzácnych zemín).

Medzi výhody germániových diód patrí nízky úbytok napätia pri jednosmernom prúde (0,3 — 0,6 V oproti 0,8 — 1,2 V). Okrem uvedených polovodičových materiálov sa v mikrovlnných obvodoch používa arzenid gália GaAs.

Podľa technológie výroby sú polovodičové diódy rozdelené do dvoch tried: bodové a rovinné.

Bodové diódy tvoria n-typ Si alebo Ge doštičku s plochou 0,5 — 1,5 mm2 a oceľovú ihlu tvoriacu p — n prechod v kontaktnom bode. V dôsledku malej plochy má prechod nízku kapacitu, preto môže takáto dióda pracovať vo vysokofrekvenčných obvodoch, ale prúd cez prechod nemôže byť veľký (zvyčajne nie viac ako 100 mA).

Planárna dióda pozostáva z dvoch spojených Si alebo Ge dosiek s rôznou elektrickou vodivosťou. Veľká kontaktná plocha má za následok veľkú prechodovú kapacitu a relatívne nízku prevádzkovú frekvenciu, ale pretekajúci prúd môže byť veľký (až 6000 A).

Hlavné parametre usmerňovacej diódy sú:

• maximálny povolený dopredný prúd Ipr.max,

• maximálne povolené spätné napätie Urev.max,

• maximálna povolená frekvencia fmax.

Podľa prvého parametra sú usmerňovacie diódy rozdelené na diódy:

• nízky výkon, konštantný prúd do 300 mA,

• priemerný výkon, jednosmerný prúd 300 mA - 10 A,

• vysoký výkon - výkon, maximálny dopredný prúd je určený triedou a je 10, 16, 25, 40 - 1600 A.

Impulzné diódy sa používajú v obvodoch s nízkym výkonom s impulzným charakterom privádzaného napätia. Charakteristickou požiadavkou pre ne je krátky čas prechodu z uzavretého stavu do otvoreného stavu a naopak (typický čas 0,1 — 100 μs). Pulzné diódy UGO sú rovnaké ako usmerňovacie diódy.

Obr. 2. Prechodové procesy v impulzných diódach: a — závislosť prúdu pri prepínaní napätia z priameho na reverzný, b — závislosť napätia pri prechode prúdového impulzu cez diódu

Medzi špecifické parametre pulzných diód patria:

• čas zotavenia Tvosst

• je to časový interval medzi okamihom, keď sa napätie diódy prepne z dopredu na spätný chod, a okamihom, keď spätný prúd klesne na danú hodnotu (obr. 2, a),

• doba ustálenia Tust je časový interval medzi začiatkom jednosmerného prúdu danej hodnoty cez diódu a okamihom, keď napätie na dióde dosiahne 1,2 hodnoty v ustálenom stave (obrázok 2, b),

• maximálny obnovovací prúd Iobr.imp.max., ktorý sa rovná najväčšej hodnote spätného prúdu cez diódu po prepnutí napätia z priepustného na spätný chod (obr. 2, a).

Invertované diódy získané, keď je koncentrácia nečistôt v p- a n-oblastiach väčšia ako u bežných usmerňovačov. Takáto dióda má nízky odpor proti priepustnému prúdu pri spätnom zapojení (obr. 3) a relatívne vysoký odpor pri priamom zapojení. Preto sa používajú pri korekcii malých signálov s amplitúdou napätia niekoľko desatín voltu.

Ryža. 3. UGO a VAC invertovaných diód

Schottkyho diódy získané prechodom kov-polovodič.V tomto prípade sa používajú nízkoodporové substráty n-kremíka (alebo karbidu kremíka) s vysokoodporovou tenkou epitaxnou vrstvou toho istého polovodiča (obr. 4).

Ryža. 4. UGO a štruktúra Schottkyho diódy: 1 — počiatočný kryštál kremíka s nízkym odporom, 2 — epitaxná vrstva kremíka s vysokým odporom, 3 — oblasť priestorového náboja, 4 — kovový kontakt

Na povrch epitaxiálnej vrstvy je aplikovaná kovová elektróda, ktorá zabezpečuje rektifikáciu, ale nevstrekuje menšinové nosiče do oblasti jadra (najčastejšie zlato). Preto v týchto diódach neexistujú také pomalé procesy, ako je akumulácia a resorpcia menšinových nosičov v základni. Preto zotrvačnosť Schottkyho diód nie je vysoká. Je určená hodnotou bariérovej kapacity kontaktu usmerňovača (1 — 20 pF).

Okrem toho je sériový odpor Schottkyho diód podstatne nižší ako u usmerňovacích diód, pretože kovová vrstva má nízky odpor v porovnaní s akýmkoľvek, dokonca aj vysoko dotovaným polovodičom. To umožňuje použitie Schottkyho diód na usmernenie významných prúdov (desiatky ampérov). Vo všeobecnosti sa používajú pri spínaní sekundárnych častí na usmernenie vysokofrekvenčných napätí (až niekoľko MHz).

Potapov L.A.