Likriktardioder

Diod - en halvledarenhet med två elektroder med en p-n-övergång, som har ensidig strömledning. Det finns många olika typer av dioder – likriktare, puls-, tunnel-, back-, mikrovågsdioder, såväl som zenerdioder, varicaps, fotodioder, lysdioder och mer.

Likriktardioder

Likriktardiodens funktion förklaras av egenskaperna hos den elektriska p - n-övergången.

Nära gränsen mellan två halvledare bildas ett lager som saknar mobila laddningsbärare (på grund av rekombination) och har ett högt elektriskt motstånd — s.k. Blockerande lager. Detta lager bestämmer kontaktpotentialskillnaden (potentialbarriär).

Om en extern spänning appliceras på p - n-övergången, vilket skapar ett elektriskt fält i motsatt riktning mot det elektriska skiktets fält, kommer tjockleken på detta skikt att minska och vid en spänning på 0,4 - 0,6 V kommer det blockerande skiktet att minska försvinner och strömmen kommer att öka avsevärt (denna ström kallas likström).

När en extern spänning med olika polaritet är ansluten kommer blockeringsskiktet att öka och motståndet i p-n-övergången kommer att öka, och strömmen på grund av rörelsen hos minoritetsladdningsbärare kommer att vara försumbar även vid relativt höga spänningar.

Diodens framåtström skapas av de stora laddningsbärarna och den omvända strömmen av minoritetens laddningsbärare. En diod leder positiv (framåt) ström i riktningen från anoden till katoden.

I fig. 1 visar den konventionella grafiska beteckningen (UGO) och egenskaperna för likriktardioder (deras ideala och faktiska ström-spänningsegenskaper). Den skenbara diskontinuiteten hos diodström-spänningskarakteristiken (CVC) vid origo är associerad med olika ström- och spänningsskalor i den första och tredje kvadranten av diagrammet. Två diodutgångar: anod A och katod K i UGO är inte specificerade och visas i figuren för förklaring.

Strömspänningskarakteristiken för en riktig diod visar området för elektriskt genombrott, när för en liten ökning av backspänningen strömmen ökar kraftigt.

Elektriska skador är reversibla. När du återvänder till arbetsområdet förlorar dioden inte sina egenskaper. Om den omvända strömmen överstiger ett visst värde, kommer det elektriska felet att bli irreversibel termisk med fel på enheten.

Ris. 1. Halvledarlikriktare: a — konventionell grafisk representation, b — ideal ström-spänningskarakteristik, c — verklig ström-spänningskarakteristik

Industrin tillverkar främst germanium (Ge) och kisel (Si) dioder.

Kiseldioder har låga backströmmar, högre driftstemperatur (150 — 200 ° C mot 80 — 100 ° C), tål höga backspänningar och strömtätheter (60 — 80 A/cm2 mot 20 — 40 A/cm2) . Dessutom är kisel ett vanligt grundämne (till skillnad från germaniumdioder, som är ett sällsynt jordartsmetall).

Fördelarna med germaniumdioder inkluderar ett lågt spänningsfall när en likström flyter (0,3 - 0,6 V mot 0,8 - 1,2 V). Förutom de angivna halvledarmaterialen används galliumarsenid GaAs i mikrovågskretsar.

Enligt produktionstekniken är halvledardioder indelade i två klasser: punkt och plana.

Punktdioder bildar en n-typ Si- eller Ge-platta med en yta på 0,5 - 1,5 mm2 och en stålnål som bildar en p - n-övergång vid kontaktpunkten. Som ett resultat av det lilla området har korsningen en låg kapacitans, därför kan en sådan diod fungera i högfrekventa kretsar. Men strömmen genom korsningen kan inte vara stor (vanligtvis inte mer än 100 mA).

En plan diod består av två sammankopplade Si- eller Ge-plattor med olika elektriska konduktiviteter. Den stora kontaktytan resulterar i en stor kopplingskapacitans och en relativt låg arbetsfrekvens, men strömmen kan vara stor (upp till 6000 A).

Huvudparametrarna för likriktardioder är:

• högsta tillåtna framåtström Ipr.max,

• maximalt tillåten backspänning Urev.max,

• högsta tillåtna frekvens fmax.

Enligt den första parametern är likriktardioder uppdelade i dioder:

• låg effekt, konstant ström upp till 300 mA,

• medeleffekt, likström 300 mA — 10 A,

• hög effekt — effekt, den maximala framåtströmmen bestäms av klassen och är 10, 16, 25, 40 — 1600 A.

Pulsdioder används i lågeffektkretsar med en pulskaraktär av den pålagda spänningen. Ett utmärkande krav för dem är den korta övergångstiden från stängt till öppet tillstånd och vice versa (typisk tid 0,1 — 100 μs). UGO pulsdioder är samma som likriktardioder.

Fikon. 2. Transienta processer i pulsdioder: a — strömberoendet när spänningen växlas från direkt till omvänd, b — spänningens beroende när en strömpuls passerar genom dioden

Specifika parametrar för pulsdioder inkluderar:

• återhämtningstid Tvosst

• detta är tidsintervallet mellan det ögonblick då diodspänningen växlar från framåt till bakåt och det ögonblick då backströmmen minskar till ett givet värde (Fig. 2, a),

• inställningstiden Tust är tidsintervallet mellan början av likströmmen av ett givet värde genom dioden och det ögonblick då spänningen på dioden når 1,2 av värdet i det stationära tillståndet (Figur 2, b),

• den maximala återvinningsströmmen Iobr.imp.max., lika med det största värdet av backströmmen genom dioden efter att spänningen växlats från framåt till back (Fig. 2, a).

Inverterade dioder erhålls när koncentrationen av föroreningar i p- och n-regionerna är större än i konventionella likriktare. En sådan diod har ett lågt motstånd mot framåtströmmen vid omvänd anslutning (fig. 3) och ett relativt högt motstånd vid direktanslutning. Därför används de för korrigering av små signaler med en spänningsamplitud på flera tiondelar av en volt.

Ris. 3. UGO och VAC för inverterade dioder

Schottky-dioder erhållna genom metall-halvledarövergång.I detta fall används lågresistans n-kisel (eller kiselkarbid) substrat med ett högresistans tunt epitaxiellt skikt av samma halvledare (fig. 4).

Ris. 4. UGO och Schottky-diodens struktur: 1 — initial kiselkristall med låg resistans, 2 — epitaxiellt lager av kisel med hög resistans, 3 — rymdladdningsområde, 4 — metallkontakt

En metallelektrod appliceras på ytan av epitaxialskiktet, vilket ger likriktning men inte injicerar minoritetsbärare i kärnområdet (oftast guld). Därför finns det inga sådana långsamma processer i dessa dioder som ackumulering och resorption av minoritetsbärare i basen. Därför är trögheten hos Schottky-dioder inte hög. Det bestäms av värdet på likriktarkontaktens barriärkapacitans (1 - 20 pF).

Dessutom är serieresistansen för Schottky-dioder betydligt lägre än den för likriktardioder eftersom metallskiktet har låg resistans jämfört med vilken som helst, till och med högdopad, halvledare. Detta tillåter användningen av Schottky-dioder för att likrikta betydande strömmar (tiotals ampere). De används vanligtvis för att koppla sekundärer för att likrikta högfrekventa spänningar (upp till flera MHz).

Potapov L.A.