Δίοδοι ισχύος
Σύνθεση οπών ηλεκτρονίων
Η αρχή της λειτουργίας των περισσότερων συσκευών ημιαγωγών βασίζεται σε φαινόμενα και διεργασίες που συμβαίνουν στο όριο μεταξύ δύο περιοχών ενός ημιαγωγού με διαφορετικούς τύπους ηλεκτρικής αγωγιμότητας - ηλεκτρόνιο (n-type) και οπή (p-type). Στην περιοχή τύπου n, κυριαρχούν τα ηλεκτρόνια, τα οποία είναι οι κύριοι φορείς ηλεκτρικών φορτίων, στην περιοχή p, αυτά είναι θετικά φορτία (οπές). Το όριο μεταξύ δύο περιοχών διαφορετικών τύπων αγωγιμότητας ονομάζεται διασταύρωση pn.
Λειτουργικά, η δίοδος (Εικ. 1) μπορεί να θεωρηθεί ένας μη ελεγχόμενος ηλεκτρονικός διακόπτης με μονόπλευρη αγωγιμότητα. Μια δίοδος βρίσκεται σε αγώγιμη κατάσταση (κλειστός διακόπτης) εάν εφαρμοστεί τάση προς τα εμπρός.
Ρύζι. 1. Συμβατική γραφική ονομασία της διόδου
Το ρεύμα μέσω της διόδου iF καθορίζεται από τις παραμέτρους του εξωτερικού κυκλώματος και η πτώση τάσης στη δομή του ημιαγωγού είναι μικρής σημασίας. Εάν εφαρμοστεί αντίστροφη τάση στη δίοδο, αυτή είναι σε μη αγώγιμη κατάσταση (ανοιχτός διακόπτης) και διαρρέει μικρό ρεύμα. Η πτώση τάσης στη δίοδο σε αυτή την περίπτωση καθορίζεται από τις παραμέτρους του εξωτερικού κυκλώματος.
Προστασία των διόδων
Οι πιο τυπικές αιτίες ηλεκτρικών αστοχιών μιας διόδου είναι ο υψηλός ρυθμός ανόδου του μπροστινού ρεύματος diF / dt όταν είναι ενεργοποιημένος, η υπέρταση όταν είναι απενεργοποιημένη, η υπέρβαση της μέγιστης τιμής του μπροστινού ρεύματος και η θραύση της δομής με μια απαράδεκτα υψηλή αντίστροφη τάση.
Σε υψηλές τιμές diF / dt, εμφανίζεται μια ανομοιόμορφη συγκέντρωση φορέων φορτίου στη δομή της διόδου και, ως αποτέλεσμα, τοπική υπερθέρμανση με επακόλουθη βλάβη στη δομή. Ο κύριος λόγος για τις υψηλές τιμές του diF / dt είναι το μικρό επαγωγή σε ένα κύκλωμα που περιέχει μια πηγή μπροστινής τάσης και μια δίοδο on. Για να μειωθούν οι τιμές των diF / dt, μια αυτεπαγωγή συνδέεται σε σειρά με τη δίοδο, η οποία περιορίζει τον ρυθμό ανόδου του ρεύματος.
Για να μειωθούν οι τιμές των πλατών των τάσεων που εφαρμόζονται στη δίοδο όταν το κύκλωμα είναι απενεργοποιημένο, χρησιμοποιείται μια αντίσταση R συνδεδεμένη σε σειρά και πυκνωτής Το C είναι το λεγόμενο κύκλωμα RC που συνδέεται παράλληλα με τη δίοδο.
Για την προστασία των διόδων από υπερφόρτωση ρεύματος σε καταστάσεις έκτακτης ανάγκης, χρησιμοποιούνται ηλεκτρικές ασφάλειες υψηλής ταχύτητας.
Οι κύριοι τύποι διόδων ισχύος
Σύμφωνα με τις κύριες παραμέτρους και τον σκοπό, οι δίοδοι χωρίζονται συνήθως σε τρεις ομάδες: δίοδοι γενικής χρήσης, δίοδοι γρήγορης ανάκτησης και δίοδοι Schottky.
Δίοδοι γενικής χρήσης
Αυτή η ομάδα διόδων διακρίνεται από υψηλές τιμές αντίστροφης τάσης (από 50 V έως 5 kV) και προς τα εμπρός ρεύματα (από 10 A έως 5 kA). Η τεράστια ημιαγωγική δομή των διόδων υποβαθμίζει την απόδοσή τους. Επομένως, ο χρόνος ανάστροφης ανάκτησης των διόδων είναι συνήθως στην περιοχή 25-100 μs, γεγονός που περιορίζει τη χρήση τους σε κυκλώματα με συχνότητες άνω του 1 kHz.Κατά κανόνα λειτουργούν σε βιομηχανικά δίκτυα με συχνότητα 50 (60) Hz. Η συνεχής πτώση τάσης στις διόδους αυτής της ομάδας είναι 2,5-3 V.
Οι δίοδοι ισχύος διατίθενται σε διαφορετικές συσκευασίες. Οι πιο διαδεδομένοι είναι δύο τύποι εκτέλεσης: μια καρφίτσα και μια ταμπλέτα (Εικ. 2 α, β).
Ρύζι. 2. Κατασκευή σωμάτων διόδου: a — pin; β — δισκίο
Δίοδοι γρήγορης ανάκτησης. Στην παραγωγή αυτής της ομάδας διόδων, χρησιμοποιούνται διάφορες τεχνολογικές μέθοδοι για τη μείωση του χρόνου αντίστροφης ανάκτησης. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιείται ντόπινγκ πυριτίου με τη μέθοδο της διάχυσης χρυσού ή πλατίνας, γεγονός που καθιστά δυνατή τη μείωση του χρόνου ανάκτησης στα 3-5 μs. Ωστόσο, αυτό μειώνει τις επιτρεπόμενες τιμές του μπροστινού ρεύματος και της αντίστροφης τάσης. Οι επιτρεπόμενες τιμές ρεύματος είναι από 10 A έως 1 kA, αντίστροφη τάση - από 50 V έως 3 kV. Οι ταχύτερες δίοδοι έχουν αντίστροφο χρόνο ανάκτησης 0,1-0,5 μs. Τέτοιες δίοδοι χρησιμοποιούνται σε κυκλώματα παλμών και υψηλών συχνοτήτων με συχνότητες 10 kHz και άνω. Ο σχεδιασμός των διόδων αυτής της ομάδας είναι παρόμοιος με αυτόν των διόδων γενικής χρήσης.
Δίοδος Schottky
Η αρχή λειτουργίας των διόδων Schottky βασίζεται στις ιδιότητες της περιοχής μετάβασης μεταξύ του μετάλλου και του υλικού ημιαγωγού. Για τις διόδους ισχύος, ένα στρώμα εξαντλημένου πυριτίου τύπου n χρησιμοποιείται ως ημιαγωγός. Σε αυτή την περίπτωση, υπάρχει ένα αρνητικό φορτίο στην περιοχή μετάβασης στη μεταλλική πλευρά και ένα θετικό φορτίο στην πλευρά του ημιαγωγού.
Μια ιδιαιτερότητα των διόδων Schottky είναι ότι το μπροστινό ρεύμα οφείλεται στην κίνηση μόνο των κύριων φορέων - ηλεκτρονίων. Η έλλειψη συσσώρευσης μειοψηφικού φορέα μειώνει σημαντικά την αδράνεια των διόδων Schottky.Ο χρόνος ανάκτησης δεν είναι συνήθως μεγαλύτερος από 0,3 μs, η πτώση τάσης προς τα εμπρός είναι περίπου 0,3 V. Οι τιμές αντίστροφου ρεύματος σε αυτές τις διόδους είναι 2-3 τάξεις μεγέθους υψηλότερες από ό,τι στις διόδους σύνδεσης p-n. Η περιοριστική αντίστροφη τάση συνήθως δεν υπερβαίνει τα 100 V. Χρησιμοποιούνται σε παλμικά κυκλώματα υψηλής συχνότητας και χαμηλής τάσης.