Diody prostownicze

Dioda - dwuelektrodowe urządzenie półprzewodnikowe z jednym złączem p-n, które ma jednostronne przewodzenie prądu. Istnieje wiele różnych rodzajów diod — diody prostownicze, impulsowe, tunelowe, wsteczne, mikrofalowe, a także diody Zenera, warikapy, fotodiody, diody LED i inne.

Diody prostownicze

Działanie diody prostowniczej wyjaśniają właściwości elektrycznego złącza p — n.

W pobliżu granicy dwóch półprzewodników tworzy się warstwa pozbawiona ruchomych nośników ładunku (w wyniku rekombinacji) i charakteryzująca się dużą rezystancją elektryczną — tzw. Warstwa blokująca. Warstwa ta określa kontaktową różnicę potencjałów (barierę potencjału).

Jeśli do złącza p — n zostanie przyłożone zewnętrzne napięcie, które wytworzy pole elektryczne o kierunku przeciwnym do pola warstwy elektrycznej, to grubość tej warstwy zmniejszy się i przy napięciu 0,4 — 0,6 V warstwa blokująca znikną, a prąd znacznie wzrośnie (prąd ten nazywa się prądem stałym).

Po podłączeniu napięcia zewnętrznego o różnej biegunowości warstwa blokująca wzrośnie, a rezystancja złącza p — n wzrośnie, a prąd spowodowany ruchem nośników ładunku mniejszościowego będzie pomijalny nawet przy stosunkowo wysokich napięciach.

Prąd przewodzenia diody jest wytwarzany przez główne nośniki ładunku, a prąd wsteczny przez mniejszościowe nośniki ładunku. Dioda przepuszcza prąd dodatni (do przodu) w kierunku od anody do katody.

na ryc. 1 pokazuje konwencjonalne oznaczenie graficzne (UGO) i charakterystykę diod prostowniczych (ich idealną i rzeczywistą charakterystykę prądowo-napięciową). Pozorna nieciągłość charakterystyki prądowo-napięciowej diody (CVC) na początku jest związana z różnymi skalami prądu i napięcia w pierwszej i trzeciej ćwiartce wykresu. Dwa wyjścia diodowe: anoda A i katoda K w UGO nie są określone i są pokazane na rysunku dla wyjaśnienia.

Charakterystyka prądowo-napięciowa rzeczywistej diody pokazuje obszar przebicia elektrycznego, w którym przy niewielkim wzroście napięcia wstecznego prąd gwałtownie wzrasta.

Uszkodzenia elektryczne są odwracalne. Po powrocie do obszaru roboczego dioda nie traci swoich właściwości. Jeśli prąd wsteczny przekroczy określoną wartość, awaria elektryczna stanie się nieodwracalna termicznie wraz z awarią urządzenia.

Ryż. 1. Prostownik półprzewodnikowy: a — konwencjonalne przedstawienie graficzne, b — idealna charakterystyka prądowo-napięciowa, c — rzeczywista charakterystyka prądowo-napięciowa

Przemysł produkuje głównie diody germanowe (Ge) i krzemowe (Si).

Diody krzemowe charakteryzują się niskimi prądami wstecznymi, wyższą temperaturą pracy (150 — 200°C vs. 80 — 100°C), wytrzymują wysokie napięcia wsteczne i gęstości prądu (60 — 80 A/cm2 vs. 20 — 40 A/cm2). Ponadto krzem jest powszechnym pierwiastkiem (w przeciwieństwie do diod germanowych, które są pierwiastkami ziem rzadkich).

Zaletą diod germanowych jest niski spadek napięcia przy przepływie prądu stałego (0,3 — 0,6 V vs. 0,8 — 1,2 V). Oprócz wymienionych materiałów półprzewodnikowych w obwodach mikrofalowych stosowany jest arsenek galu GaAs.

Zgodnie z technologią produkcji diody półprzewodnikowe dzielą się na dwie klasy: punktową i płaską.

Diody punktowe tworzą płytkę Si lub Ge typu n o powierzchni 0,5 — 1,5 mm2 oraz stalową igłę tworzącą złącze p — n w punkcie styku. Ze względu na małą powierzchnię złącze ma małą pojemność, dlatego taka dioda może pracować w obwodach wysokiej częstotliwości, ale prąd płynący przez złącze nie może być duży (zwykle nie większy niż 100 mA).

Dioda planarna składa się z dwóch połączonych płytek Si lub Ge o różnych przewodnościach elektrycznych. Duża powierzchnia styku skutkuje dużą pojemnością złącza i stosunkowo niską częstotliwością roboczą, ale przepływający prąd może być duży (do 6000 A).

Główne parametry diod prostowniczych to:

• maksymalny dopuszczalny prąd przewodzenia Ipr.max,

• maksymalne dopuszczalne napięcie wsteczne Urev.max,

• maksymalna dopuszczalna częstotliwość fmax.

Zgodnie z pierwszym parametrem diody prostownicze dzielą się na diody:

• mała moc, stały prąd do 300 mA,

• moc średnia, prąd stały 300 mA — 10 A,

• duża moc — moc, maksymalny prąd przewodzenia zależy od klasy i wynosi 10, 16, 25, 40 — 1600 A.

Diody impulsowe stosuje się w obwodach małej mocy o impulsowym charakterze przyłożonego napięcia. Charakterystycznym dla nich wymogiem jest krótki czas przejścia ze stanu zamkniętego do stanu otwartego i odwrotnie (typowy czas 0,1 — 100 μs). Diody pulsacyjne UGO są takie same jak diody prostownicze.

Figa. 2. Procesy przejściowe w diodach pulsacyjnych: a — zależność prądu przy przełączaniu napięcia ze stałego na przeciwny, b — zależność napięcia przy przepływie impulsu prądu przez diodę

Specyficzne parametry diod pulsacyjnych obejmują:

• czas powrotu do zdrowia Tvosst

• jest to odstęp czasu między momentem, w którym napięcie diody przełącza się z przodu na wsteczny, a momentem, w którym prąd wsteczny spada do określonej wartości (ryc. 2, a),

• czas ustalania się Tust to odstęp czasu między początkiem przepływu prądu stałego o danej wartości przez diodę do momentu, w którym napięcie na diodzie osiągnie 1,2 wartości w stanie ustalonym (rysunek 2, b),

• maksymalny prąd odzyskiwania Iobr.imp.max., równy największej wartości prądu wstecznego przez diodę po przełączeniu napięcia z przodu na wsteczny (ryc. 2, a).

Odwrócone diody uzyskuje się, gdy stężenie zanieczyszczeń w obszarach p i n jest większe niż w konwencjonalnych prostownikach. Taka dioda ma małą rezystancję na prąd przewodzenia przy połączeniu odwrotnym (rys. 3) i stosunkowo dużą rezystancję przy połączeniu bezpośrednim. Dlatego znajdują zastosowanie w korekcji małych sygnałów o amplitudzie napięcia rzędu kilku dziesiątych wolta.

Ryż. 3. UGO i VAC diod odwróconych

Diody Schottky'ego otrzymane przez przejście metal-półprzewodnik.W tym przypadku stosuje się podłoża z n-krzemu (lub węglika krzemu) o niskiej rezystancji z cienką warstwą epitaksjalną o wysokiej rezystancji tego samego półprzewodnika (ryc. 4).

Ryż. 4. UGO i budowa diody Schottky'ego: 1 — początkowy kryształ krzemu o małej rezystancji, 2 — epitaksjalna warstwa krzemu o dużej rezystancji, 3 — obszar ładunku przestrzennego, 4 — styk metalowy

Na powierzchnię warstwy epitaksjalnej nakładana jest metalowa elektroda, która zapewnia rektyfikacja, ale nie wprowadza nośników mniejszościowych do obszaru rdzenia (najczęściej złota). Dlatego w diodach tych nie zachodzą tak powolne procesy jak akumulacja i resorpcja nośników mniejszościowych w bazie. Dlatego bezwładność diod Schottky'ego nie jest wysoka. Jest to określone przez wartość pojemności barierowej styku prostownika (1 — 20 pF).

Ponadto rezystancja szeregowa diod Schottky'ego jest znacznie niższa niż w przypadku diod prostowniczych, ponieważ warstwa metalu ma niską rezystancję w porównaniu z dowolnym, nawet silnie domieszkowanym półprzewodnikiem. Pozwala to na zastosowanie diod Schottky'ego do prostowania znacznych prądów (dziesiątki amperów). Są one zwykle używane do przełączania wtórnych elementów do prostowania napięć o wysokiej częstotliwości (do kilku MHz).

Potapow LA