Močnostne diode

Spojina elektronskih lukenj

Načelo delovanja večine polprevodniških naprav temelji na pojavih in procesih, ki se pojavljajo na meji med dvema področjema polprevodnika z različnimi vrstami električne prevodnosti - elektronom (n-tip) in luknjo (p-tip). V območju tipa n prevladujejo elektroni, ki so glavni nosilci električnih nabojev, v območju p pa so to pozitivni naboji (luknje). Meja med dvema področjema z različnimi tipi prevodnosti se imenuje pn spoj.

Funkcionalno lahko diodo (slika 1) štejemo za nekontrolirano elektronsko stikalo z enostransko prevodnostjo. Dioda je v prevodnem stanju (zaprto stikalo), če je nanjo priključena napetost naprej.

riž. 1. Konvencionalna grafična oznaka diode

Tok skozi iF diodo določajo parametri zunanjega vezja, padec napetosti v polprevodniški strukturi pa ni pomemben. Če na diodo pripeljemo reverzno napetost, je ta v neprevodnem stanju (odprto stikalo) in skozi njo teče majhen tok. Padec napetosti na diodi je v tem primeru določen s parametri zunanjega vezja.

Zaščita diod

Najpogostejši vzroki električnih okvar diode so visoka stopnja naraščanja prednjega toka diF / dt, ko je vklopljena, prenapetost, ko je izklopljena, prekoračitev največje vrednosti prednjega toka in zlom strukture z nesprejemljivo visoko povratno napetostjo.

Pri visokih vrednostih diF / dt se v strukturi diode pojavi neenakomerna koncentracija nosilcev naboja in posledično lokalno pregrevanje s kasnejšo poškodbo strukture. Glavni razlog za visoke vrednosti diF / dt je majhen induktivnost v vezju, ki vsebuje izvor napetosti naprej in vklopljeno diodo. Za zmanjšanje vrednosti diF / dt je induktivnost zaporedno povezana z diodo, ki omejuje hitrost naraščanja toka.

Za zmanjšanje vrednosti amplitud napetosti, ki se uporabljajo za diodo, ko je vezje izklopljeno, se uporablja zaporedno povezan upor R in kondenzator C je tako imenovano RC vezje, ki je priključeno vzporedno z diodo.

Za zaščito diod pred tokovnimi preobremenitvami v izrednih razmerah se uporabljajo hitre električne varovalke.

Glavne vrste močnostnih diod

Glede na glavne parametre in namen so diode običajno razdeljene v tri skupine: diode za splošno uporabo, diode za hitro obnovitev in diode Schottky.

Diode za splošno uporabo

To skupino diod odlikujejo visoke vrednosti povratne napetosti (od 50 V do 5 kV) in smernega toka (od 10 A do 5 kA). Masivna polprevodniška struktura diod poslabša njihovo delovanje. Zato je povratni obnovitveni čas diod običajno v območju 25-100 μs, kar omejuje njihovo uporabo v vezjih s frekvencami nad 1 kHz.Praviloma delujejo v industrijskih omrežjih s frekvenco 50 (60) Hz. Stalni padec napetosti na diodah te skupine je 2,5-3 V.

Močnostne diode so v različnih paketih. Najbolj razširjeni sta dve vrsti izvedbe: žebljiček in tablica (sl. 2 a, b).

riž. 2. Konstrukcija teles diode: a — zatič; b - tableta

Diode za hitro obnovitev. Pri proizvodnji te skupine diod se uporabljajo različne tehnološke metode za zmanjšanje časa povratne obnovitve. Zlasti se uporablja dopiranje silicija z difuzijsko metodo zlata ali platine, kar omogoča zmanjšanje časa obnovitve na 3-5 μs. Vendar pa to zmanjša dovoljene vrednosti prednjega toka in povratne napetosti. Dovoljene vrednosti toka so od 10 A do 1 kA, povratna napetost - od 50 V do 3 kV. Najhitrejše diode imajo povratni čas obnovitve 0,1-0,5 μs. Takšne diode se uporabljajo v impulznih in visokofrekvenčnih vezjih s frekvencami 10 kHz in več. Zasnova diod v tej skupini je podobna diodam za splošno uporabo.

Dioda Schottky

Načelo delovanja Schottky diod temelji na lastnostih prehodnega območja med kovino in polprevodniškim materialom. Pri močnostnih diodah se kot polprevodnik uporablja plast osiromašenega silicija tipa n. V tem primeru je v prehodnem območju na kovinski strani negativen naboj, na polprevodniški strani pa pozitiven naboj.

Posebnost Schottkyjevih diod je, da je prednji tok posledica gibanja samo glavnih nosilcev - elektronov. Pomanjkanje kopičenja manjšinskih nosilcev bistveno zmanjša vztrajnost Schottkyjevih diod.Čas okrevanja običajno ni daljši od 0,3 μs, padec napetosti naprej je približno 0,3 V. Vrednosti povratnega toka v teh diodah so 2-3 reda velikosti višje kot pri diodah p-n-spoj. Omejitvena povratna napetost običajno ni večja od 100 V. Uporabljajo se v visokofrekvenčnih in nizkonapetostnih impulznih tokokrogih.