Usmerniške diode

Dioda - polprevodniška naprava z dvema elektrodama z enim p-n spojem, ki ima enostransko prevodnost toka. Obstaja veliko različnih vrst diod - usmerniške, impulzne, tunelske, povratne, mikrovalovne diode, pa tudi zener diode, varikape, fotodiode, LED in druge.

Usmerniške diode

Delovanje usmerniške diode je razloženo z lastnostmi električnega p-n spoja.

V bližini meje dveh polprevodnikov nastane plast, ki je brez mobilnih nosilcev naboja (zaradi rekombinacije) in ima visoko električno upornost — t.i. Blokirna plast. Ta plast določa kontaktno potencialno razliko (potencialno pregrado).

Če se na p-n spoj uporabi zunanja napetost, ki ustvarja električno polje v smeri, nasprotni polju električnega sloja, se bo debelina tega sloja zmanjšala in pri napetosti 0,4-0,6 V bo blokirni sloj izginejo in tok se bo znatno povečal (ta tok se imenuje enosmerni tok).

Ko priključimo zunanjo napetost drugačne polarnosti, se poveča blokirna plast in poveča upor p-n spoja, tok zaradi gibanja manjšinskih nosilcev naboja pa bo zanemarljiv tudi pri relativno visokih napetostih.

Prednji tok diode ustvarjajo glavni nosilci naboja, povratni tok pa manjšinski nosilci naboja. Dioda prepušča pozitivni (naprej) tok v smeri od anode proti katodi.

Na sl. 1 prikazuje konvencionalno grafično oznako (UGO) in značilnosti usmerniških diod (njihove idealne in dejanske tokovno-napetostne karakteristike). Navidezna prekinitev diodne tokovno-napetostne karakteristike (CVC) na izvoru je povezana z različnimi tokovnimi in napetostnimi lestvicami v prvem in tretjem kvadrantu grafa. Dva diodna izhoda: anoda A in katoda K v UGO nista navedena in sta prikazana na sliki za razlago.

Tokovno-napetostna karakteristika prave diode kaže območje električnega razpada, ko se za majhno povečanje povratne napetosti tok močno poveča.

Električna poškodba je reverzibilna. Pri vrnitvi v delovno območje dioda ne izgubi svojih lastnosti. Če povratni tok preseže določeno vrednost, bo električna okvara postala nepopravljiva termična z odpovedjo naprave.

riž. 1. Polprevodniški usmernik: a — konvencionalni grafični prikaz, b — idealna tokovno-napetostna karakteristika, c — realna tokovno-napetostna karakteristika

Industrija v glavnem proizvaja germanijeve (Ge) in silicijeve (Si) diode.

Silicijeve diode imajo nizke povratne tokove, višjo delovno temperaturo (150 — 200 ° C proti 80 — 100 ° C), vzdržijo visoke povratne napetosti in gostote toka (60 — 80 A / cm2 proti 20 — 40 A / cm2) . Poleg tega je silicij pogost element (za razliko od germanijevih diod, ki je redkozemeljski element).

Prednosti germanijevih diod so nizek padec napetosti pri enosmernem toku (0,3 - 0,6 V proti 0,8 - 1,2 V). Poleg naštetih polprevodniških materialov se v mikrovalovnih vezjih uporablja galijev arzenid GaAs.

Glede na proizvodno tehnologijo so polprevodniške diode razdeljene v dva razreda: točkovne in ravninske.

Točkovne diode tvorijo ploščo Si ali Ge n-tipa s površino 0,5-1,5 mm2 in jekleno iglo, ki na kontaktni točki tvori p-n spoj. Zaradi majhne površine ima stičišče majhno kapacitivnost, zato lahko takšna dioda deluje v visokofrekvenčnih tokokrogih, vendar tok skozi spoj ne more biti velik (običajno ne več kot 100 mA).

Planarna dioda je sestavljena iz dveh povezanih Si ali Ge plošč z različno električno prevodnostjo. Velika kontaktna površina povzroči veliko kapacitivnost spoja in relativno nizko delovno frekvenco, vendar je tok, ki teče, lahko velik (do 6000 A).

Glavni parametri usmerniških diod so:

• največji dovoljeni prednji tok Ipr.max,

• največja dovoljena povratna napetost Urev.max,

• največja dovoljena frekvenca fmax.

Glede na prvi parameter so usmerniške diode razdeljene na diode:

• majhna moč, konstantni tok do 300 mA,

• povprečna moč, enosmerni tok 300 mA — 10 A,

• velika moč - moč, največji prednji tok je določen z razredom in je 10, 16, 25, 40 - 1600 A.

Impulzne diode se uporabljajo v tokokrogih nizke moči z impulznim značajem uporabljene napetosti. Posebna zahteva zanje je kratek čas prehoda iz zaprtega stanja v odprto stanje in obratno (tipični čas 0,1 — 100 μs). UGO impulzne diode so enake kot usmerniške diode.

sl. 2. Prehodni procesi v impulznih diodah: a - odvisnost toka pri preklopu napetosti iz neposredne v obratno, b - odvisnost napetosti, ko tokovni impulz prehaja skozi diodo

Specifični parametri pulznih diod vključujejo:

• čas okrevanja Tvosst

• to je časovni interval med trenutkom, ko se napetost diode preklopi iz naprej v obratno, in trenutkom, ko se povratni tok zmanjša na dano vrednost (slika 2, a),

• čas uravnavanja Tust je časovni interval med začetkom enosmernega toka določene vrednosti skozi diodo in trenutkom, ko napetost na diodi doseže 1,2 vrednosti v ustaljenem stanju (slika 2, b),

• največji obnovitveni tok Iobr.imp.max., ki je enak največji vrednosti povratnega toka skozi diodo po preklopu napetosti iz naprej v obratno (slika 2, a).

Invertirane diode, pridobljene, ko je koncentracija nečistoč v p- in n-območjih večja kot pri običajnih usmernikih. Takšna dioda ima pri vzvratni povezavi nizek upor na prednji tok (slika 3), pri neposredni povezavi pa razmeroma visok upor. Zato se uporabljajo pri korekciji majhnih signalov z amplitudo napetosti nekaj desetink volta.

riž. 3. UGO in VAC invertiranih diod

Schottky diode, pridobljene s prehodom kovina-polprevodnik.V tem primeru se uporabljajo substrati iz n-silicija (ali silicijevega karbida) z nizkim uporom z visokoodporno tanko epitaksialno plastjo istega polprevodnika (slika 4).

riž. 4. UGO in struktura Schottky diode: 1 - začetni silicijev kristal z nizko odpornostjo, 2 - epitaksialna plast silicija z visoko odpornostjo, 3 - območje prostorskega naboja, 4 - kovinski kontakt

Na površino epitaksialne plasti je nanešena kovinska elektroda, ki zagotavlja rektifikacijo, vendar ne vbrizga manjšinskih nosilcev v območje jedra (najpogosteje zlata). Zato v teh diodah ni tako počasnih procesov, kot sta kopičenje in resorpcija manjšinskih nosilcev v bazi. Zato vztrajnost Schottky diod ni velika. Določena je z vrednostjo pregradne kapacitivnosti kontakta usmernika (1 - 20 pF).

Poleg tega je serijski upor Schottkyjevih diod znatno nižji kot pri usmerniških diodah, ker ima kovinska plast nizko upornost v primerjavi s katerim koli, tudi visoko dopiranim polprevodnikom. To omogoča uporabo Schottkyjevih diod za popravljanje znatnih tokov (na desetine amperov). Na splošno se uporabljajo v preklopnih sekundarjih za usmerjanje visokofrekvenčnih napetosti (do nekaj MHz).

Potapov L.A.