Tasasuuntaajan diodit

Diodi - kaksielektrodinen puolijohdelaite, jossa on yksi p-n-liitos, jolla on yksipuolinen virranjohtavuus. Diodeja on monia eri tyyppejä - tasasuuntaaja-, pulssi-, tunneli-, käänteis-, mikroaaltouunidiodit sekä zener-diodit, varikapit, valodiodit, LEDit ja paljon muuta.

Tasasuuntaajan diodit

Tasasuuntausdiodin toiminta selittyy sähköisen p — n -liitoksen ominaisuuksilla.

Kahden puolijohteen rajan lähelle muodostuu kerros, joka on vailla liikkuvia varauksenkantajia (rekombinaatiosta johtuen) ja jolla on korkea sähkövastus — ns. Estävä kerros. Tämä kerros määrittää kosketuspotentiaalieron (potentiaaliesteen).

Jos p — n-liitokseen syötetään ulkoinen jännite, joka luo sähkökentän vastakkaiseen suuntaan kuin sähkökerroksen kenttää, tämän kerroksen paksuus pienenee ja 0,4 - 0,6 V:n jännitteellä sulkukerros hajoaa. katoavat ja virta kasvaa merkittävästi (tätä virtaa kutsutaan tasavirraksi).

Kun kytketään eri polariteettinen ulkoinen jännite, estokerros kasvaa ja p — n -liitoksen resistanssi kasvaa, ja vähemmistövarauksenkuljettajien liikkeestä johtuva virta on mitätön jopa suhteellisen korkeilla jännitteillä.

Diodin myötävirran muodostavat suurimmat varauksenkantajat ja käänteisen virran vähemmistövarauksen kantajat. Diodi siirtää positiivista (eteenpäin) virtaa anodilta katodille.

Kuvassa Kuva 1 esittää tasasuuntausdiodien tavanomaisen graafisen merkinnän (UGO) ja ominaisuudet (niiden ihanteelliset ja todelliset virta-jännite-ominaisuudet). Diodin virta-jännite-ominaiskäyrän (CVC) näennäinen epäjatkuvuus origossa liittyy erilaisiin virta- ja jänniteasteikkoihin kaavion ensimmäisessä ja kolmannessa neljänneksessä. Kahta diodilähtöä: anodi A ja katodi K UGO:ssa ei ole määritelty, ja ne on esitetty kuvassa selityksenä.

Todellisen diodin virta-jännite-ominaisuus näyttää sähkökatkon alueen, kun käänteisjännitteen pienellä lisäyksellä virta kasvaa jyrkästi.

Sähkövaurio on korjattavissa. Palatessaan työalueelle diodi ei menetä ominaisuuksiaan. Jos käänteisvirta ylittää tietyn arvon, sähkövika muuttuu peruuttamattomaksi lämpöiseksi laitteen vian myötä.

Riisi. 1. Puolijohdetasasuuntaaja: a — tavanomainen graafinen esitys, b — ihanteellinen virta-jännite-ominaisuus, c — todellinen virta-jännite-ominaisuus

Teollisuus tuottaa pääasiassa germanium- (Ge)- ja piidiodeja (Si).

Piidiodeilla on alhaiset käänteisvirrat, korkeampi käyttölämpötila (150 - 200 °C vs. 80 - 100 °C), ne kestävät korkeita käänteisiä jännitteitä ja virrantiheyksiä (60 - 80 A / cm2 vs. 20 - 40 A / cm2). Lisäksi pii on yleinen alkuaine (toisin kuin germaniumdiodit, joka on harvinainen maametalli).

Germaniumdiodien etuja ovat pieni jännitehäviö tasavirran kulkiessa (0,3 - 0,6 V vs. 0,8 - 1,2 V). Listattujen puolijohdemateriaalien lisäksi mikroaaltopiireissä käytetään galliumarsenidi GaAs.

Tuotantotekniikan mukaan puolijohdediodit jaetaan kahteen luokkaan: piste- ja tasodiodit.

Pistediodit muodostavat n-tyypin Si- tai Ge-levyn, jonka pinta-ala on 0,5 - 1,5 mm2, ja teräsneula, joka muodostaa p - n -liitoksen kosketuspisteeseen. Pienen alueen vuoksi liitoksella on pieni kapasitanssi, joten tällainen diodi voi toimia korkeataajuisissa piireissä, mutta liitoksen läpi kulkeva virta ei voi olla suuri (yleensä enintään 100 mA).

Tasodiodi koostuu kahdesta yhdistetystä Si- tai Ge-levystä, joilla on eri sähkönjohtavuus. Suuri kosketuspinta-ala johtaa suureen liitoskapasitanssiin ja suhteellisen alhaiseen toimintataajuuteen, mutta virtaava virta voi olla suuri (jopa 6000 A).

Tasasuuntaajadiodien pääparametrit ovat:

• suurin sallittu myötävirta Ipr.max,

• suurin sallittu paluujännite Urev.max,

• suurin sallittu taajuus fmax.

Ensimmäisen parametrin mukaan tasasuuntausdiodit jaetaan diodeihin:

• pieni teho, vakiovirta jopa 300 mA,

• keskiteho, tasavirta 300 mA - 10 A,

• suuri teho - teho, suurin myötävirta määräytyy luokan mukaan ja on 10, 16, 25, 40 - 1600 A.

Pulssidiodeja käytetään pienitehoisissa piireissä, joissa syötetyllä jännitteellä on pulssi. Niille erottuva vaatimus on lyhyt siirtymäaika suljetusta tilasta avoimeen tilaan ja päinvastoin (tyypillinen aika 0,1 - 100 μs). UGO-pulssidiodit ovat samat kuin tasasuuntausdiodit.

Kuva. 2. Transienttiprosessit pulssidiodeissa: a — virran riippuvuus, kun jännite vaihdetaan suorasta käänteiseen, b — jännitteen riippuvuus, kun virtapulssi kulkee diodin läpi

Pulssidiodien erityisparametreja ovat:

• toipumisaika Tvosst

• tämä on aika, joka kuluu hetkestä, jolloin diodin jännite vaihtuu eteenpäin suunnasta taaksepäin, ja hetken välillä, jolloin vastasuuntainen virta laskee tiettyyn arvoon (kuva 2, a),

• asettumisaika Tust on aikaväli tietyn arvon tasavirran alkamisesta diodin läpi ja hetkeen, jolloin diodin jännite saavuttaa 1,2:n vakaan tilan arvosta (kuva 2, b),

• suurin palautusvirta Iobr.imp.max., joka on yhtä suuri kuin diodin läpi kulkevan käänteisvirran suurin arvo jännitteen kytkemisen jälkeen eteenpäin suunnasta taaksepäin (kuva 2, a).

Käänteiset diodit saadaan, kun epäpuhtauksien pitoisuus p- ja n-alueilla on suurempi kuin tavanomaisissa tasasuuntaajissa. Tällaisella diodilla on alhainen resistanssi myötävirtaa vastaan ​​paluukytkennän aikana (kuva 3) ja suhteellisen korkea suorassa kytkennässä. Siksi niitä käytetään pienten signaalien korjaamiseen, joiden jänniteamplitudi on useita kymmenesosia voltteja.

Riisi. 3. Käänteisten diodien UGO ja VAC

Schottky-diodit, jotka on saatu metalli-puolijohde-siirtymällä.Tässä tapauksessa käytetään matalaresistanssisia n-pii- (tai piikarbidi) substraatteja, joissa on korkearesistanssinen ohut epitaksiaalinen kerros samasta puolijohteesta (kuva 4).

Riisi. 4. UGO ja Schottky-diodin rakenne: 1 — alkuperäinen piikide, jolla on pieni vastus, 2 — epitaksiaalinen piikerros korkealla resistanssilla, 3 — avaruusvarausalue, 4 — metallikontakti

Epitaksiaalikerroksen pinnalle asetetaan metallielektrodi, joka saa aikaan oikaisun, mutta ei ruiskuta vähemmistökantajaa ydinalueelle (useimmiten kultaa). Siksi näissä diodeissa ei ole sellaisia ​​hitaita prosesseja kuin vähemmistökantoaaltojen kerääntyminen ja resorptio kantaan. Siksi Schottky-diodien inertia ei ole korkea. Se määräytyy tasasuuntaajan koskettimen sulkukapasitanssin arvon mukaan (1 - 20 pF).

Lisäksi Schottky-diodien sarjaresistanssi on huomattavasti pienempi kuin tasasuuntaajadiodien, koska metallikerroksen vastus on pieni verrattuna mihin tahansa, jopa voimakkaasti seostettuun, puolijohteeseen. Tämä mahdollistaa Schottky-diodien käytön merkittävien virtojen (kymmeniä ampeerit) tasasuuntaamiseen. Niitä käytetään yleensä toisiopiirien kytkemiseen suurtaajuisten jännitteiden (jopa useisiin MHz) tasasuuntaamiseen.

Potapov L.A.