Diody mocy

Związek dziur elektronowych

Zasada działania większości przyrządów półprzewodnikowych opiera się na zjawiskach i procesach zachodzących na granicy dwóch obszarów półprzewodnika o różnych rodzajach przewodnictwa elektrycznego - elektronu (typu n) i dziury (typu p). W obszarze typu n dominują elektrony, które są głównymi nośnikami ładunków elektrycznych, w obszarze p są to ładunki dodatnie (dziury). Granica między dwoma obszarami o różnych typach przewodnictwa nazywana jest złączem pn.

Funkcjonalnie diodę (rys. 1) można uznać za niesterowany przełącznik elektroniczny o jednostronnym przewodzeniu. Dioda jest w stanie przewodzącym (przełącznik zamknięty), jeśli przyłożone jest do niej napięcie przewodzenia.

Ryż. 1. Konwencjonalne oznaczenie graficzne diody

Prąd płynący przez diodę iF jest określony parametrami obwodu zewnętrznego, a spadek napięcia w strukturze półprzewodnikowej ma niewielkie znaczenie. Jeśli do diody zostanie przyłożone napięcie wsteczne, znajduje się ona w stanie nieprzewodzącym (przełącznik otwarty) i przepływa przez nią mały prąd. Spadek napięcia na diodzie w tym przypadku zależy od parametrów obwodu zewnętrznego.

Ochrona diod

Najbardziej typowymi przyczynami uszkodzeń elektrycznych diody są: duże tempo narastania prądu przewodzenia diF/dt przy włączonej diodzie, przepięcie przy wyłączonej diodzie, przekroczenie maksymalnej wartości prądu przewodzenia oraz przerwanie konstrukcji niedopuszczalnie wysokim napięciem wstecznym.

Przy wysokich wartościach diF/dt w strukturze diody pojawia się nierównomierna koncentracja nośników ładunku i w efekcie miejscowe przegrzanie z późniejszym uszkodzeniem struktury. Głównym powodem wysokich wartości diF / dt jest mały indukcyjność w obwodzie zawierającym źródło napięcia przewodzenia i diodę włączoną. Aby zmniejszyć wartości diF/dt, szeregowo z diodą łączy się indukcyjność, co ogranicza szybkość narastania prądu.

Aby zmniejszyć wartości amplitud napięć przykładanych do diody, gdy obwód jest wyłączony, stosuje się rezystor R połączony szeregowo i kondensator C to tak zwany obwód RC połączony równolegle z diodą.

Aby zabezpieczyć diody przed przeciążeniem prądowym w trybach awaryjnych, stosuje się szybkie bezpieczniki elektryczne.

Główne typy diod mocy

Zgodnie z głównymi parametrami i przeznaczeniem diody są zwykle podzielone na trzy grupy: diody ogólnego przeznaczenia, diody szybkiego odzyskiwania i diody Schottky'ego.

Diody ogólnego przeznaczenia

Ta grupa diod wyróżnia się wysokimi wartościami napięcia wstecznego (od 50 V do 5 kV) oraz prądu przewodzenia (od 10 A do 5 kA). Masywna struktura półprzewodnikowa diod obniża ich wydajność. W związku z tym czas powrotu wstecznego diod zwykle mieści się w przedziale 25-100 μs, co ogranicza ich zastosowanie w obwodach o częstotliwościach powyżej 1 kHz.Z reguły pracują w sieciach przemysłowych o częstotliwości 50 (60) Hz. Ciągły spadek napięcia na diodach tej grupy wynosi 2,5-3 V.

Diody mocy są dostępne w różnych opakowaniach. Najbardziej rozpowszechnione są dwa rodzaje wykonania: szpilka i tablet (ryc. 2 a, b).

Ryż. 2. Budowa korpusów diod: a — pin; b — tabletka

Diody szybkiego odzyskiwania. W produkcji tej grupy diod stosuje się różne metody technologiczne mające na celu skrócenie czasu powrotu do stanu wyjściowego. W szczególności stosuje się domieszkowanie krzemem metodą dyfuzyjną złota lub platyny, co pozwala na skrócenie czasu powrotu do stanu wyjściowego do 3-5 μs. Zmniejsza to jednak dopuszczalne wartości prądu przewodzenia i napięcia wstecznego. Dopuszczalne wartości prądu wynoszą od 10 A do 1 kA, napięcie wsteczne — od 50 V do 3 kV. Najszybsze diody mają czas powrotu wstecznego wynoszący 0,1-0,5 μs. Takie diody są stosowane w obwodach impulsowych i wysokiej częstotliwości o częstotliwościach 10 kHz i wyższych. Konstrukcja diod z tej grupy jest podobna do konstrukcji diod ogólnego przeznaczenia.

Dioda Schottky'ego

Zasada działania diod Schottky'ego opiera się na właściwościach obszaru przejściowego między metalem a materiałem półprzewodnikowym. W przypadku diod mocy warstwa zubożonego krzemu typu n jest stosowana jako półprzewodnik. W tym przypadku występuje ładunek ujemny w obszarze przejściowym po stronie metalu i ładunek dodatni po stronie półprzewodnika.

Osobliwością diod Schottky'ego jest to, że prąd przewodzenia wynika z ruchu tylko głównych nośników - elektronów. Brak akumulacji nośników mniejszościowych znacznie zmniejsza bezwładność diod Schottky'ego.Czas regeneracji wynosi zwykle nie więcej niż 0,3 μs, spadek napięcia przewodzenia wynosi około 0,3 V. Wartości prądu wstecznego w tych diodach są o 2-3 rzędy wielkości wyższe niż w diodach p-n-junction. Ograniczające napięcie wsteczne wynosi zwykle nie więcej niż 100 V. Są one stosowane w obwodach impulsowych o wysokiej częstotliwości i niskim napięciu.