Ανορθωτικές δίοδοι

Δίοδος - μια συσκευή ημιαγωγών δύο ηλεκτροδίων με μία σύνδεση p-n, η οποία έχει μονόπλευρη αγωγιμότητα ρεύματος. Υπάρχουν πολλοί διαφορετικοί τύποι διόδων - διόδους ανορθωτή, παλμικής, τούνελ, αντίστροφης, μικροκυμάτων, καθώς και δίοδοι zener, varicaps, φωτοδίοδοι, LED και πολλά άλλα.

Ανορθωτικές δίοδοι

Η λειτουργία της διόδου ανορθωτή εξηγείται από τις ιδιότητες της ηλεκτρικής σύνδεσης p — n.

Κοντά στο όριο δύο ημιαγωγών, σχηματίζεται ένα στρώμα που στερείται κινητών φορέων φορτίου (λόγω ανασυνδυασμού) και έχει υψηλή ηλεκτρική αντίσταση — το λεγόμενο Στρώμα αποκλεισμού. Αυτό το στρώμα καθορίζει τη διαφορά δυναμικού επαφής (εμπόδιο δυναμικού).

Εάν εφαρμοστεί εξωτερική τάση στη διασταύρωση p — n, δημιουργώντας ένα ηλεκτρικό πεδίο προς την αντίθετη κατεύθυνση από το πεδίο του ηλεκτρικού στρώματος, τότε το πάχος αυτού του στρώματος θα μειωθεί και σε τάση 0,4 — 0,6 V το στρώμα μπλοκαρίσματος θα εξαφανίζονται και το ρεύμα θα αυξηθεί σημαντικά (το ρεύμα αυτό ονομάζεται συνεχές ρεύμα).

Όταν συνδεθεί μια εξωτερική τάση διαφορετικής πολικότητας, το στρώμα μπλοκαρίσματος θα αυξηθεί και η αντίσταση της σύνδεσης p — n θα αυξηθεί και το ρεύμα λόγω της κίνησης των φορέων μειοψηφίας φορτίου θα είναι αμελητέο ακόμη και σε σχετικά υψηλές τάσεις.

Το μπροστινό ρεύμα της διόδου δημιουργείται από τους κύριους φορείς φόρτισης και το αντίστροφο ρεύμα από τους φορείς μειοψηφίας φορτίου. Μια δίοδος διέρχεται θετικό (εμπρός) ρεύμα προς την κατεύθυνση από την άνοδο προς την κάθοδο.

Στο σχ. 1 δείχνει τη συμβατική γραφική ονομασία (UGO) και τα χαρακτηριστικά των διόδων ανορθωτή (τα ιδανικά και τα πραγματικά χαρακτηριστικά ρεύματος-τάσης τους). Η φαινομενική ασυνέχεια του χαρακτηριστικού ρεύματος-τάσης διόδου (CVC) στην αρχή σχετίζεται με διαφορετικές κλίμακες ρεύματος και τάσης στο πρώτο και το τρίτο τεταρτημόριο της γραφικής παράστασης. Δύο έξοδοι διόδου: η άνοδος Α και η κάθοδος Κ στο UGO δεν καθορίζονται και φαίνονται στο σχήμα για επεξήγηση.

Το χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης μιας πραγματικής διόδου δείχνει την περιοχή ηλεκτρικής βλάβης, όταν για μια μικρή αύξηση στην αντίστροφη τάση το ρεύμα αυξάνεται απότομα.

Η ηλεκτρική βλάβη είναι αναστρέψιμη. Κατά την επιστροφή στην περιοχή εργασίας, η δίοδος δεν χάνει τις ιδιότητές της. Εάν το αντίστροφο ρεύμα υπερβεί μια ορισμένη τιμή, τότε η ηλεκτρική βλάβη θα γίνει μη αναστρέψιμη θερμική με την αστοχία της συσκευής.

Ρύζι. 1. Ανορθωτής ημιαγωγών: α — συμβατική γραφική παράσταση, β — χαρακτηριστικό ιδανικό ρεύμα-τάση, γ — χαρακτηριστικό πραγματικό ρεύμα-τάση

Η βιομηχανία παράγει κυρίως διόδους γερμανίου (Ge) και πυριτίου (Si).

Οι δίοδοι πυριτίου έχουν χαμηλά αντίστροφα ρεύματα, υψηλότερη θερμοκρασία λειτουργίας (150 — 200 ° C έναντι 80 — 100 ° C), αντέχουν σε υψηλές αντίστροφες τάσεις και πυκνότητες ρεύματος (60 — 80 A / cm2 έναντι 20 — 40 A / cm2) . Επιπλέον, το πυρίτιο είναι ένα κοινό στοιχείο (σε αντίθεση με τις διόδους γερμανίου, που είναι στοιχείο σπανίων γαιών).

Τα πλεονεκτήματα των διόδων γερμανίου περιλαμβάνουν μια χαμηλή πτώση τάσης όταν ρέει συνεχές ρεύμα (0,3 — 0,6 V έναντι 0,8 — 1,2 V). Εκτός από τα υλικά ημιαγωγών που αναφέρονται, το αρσενίδιο του γαλλίου GaAs χρησιμοποιείται σε κυκλώματα μικροκυμάτων.

Σύμφωνα με την τεχνολογία παραγωγής, οι δίοδοι ημιαγωγών χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: σημειακές και επίπεδες.

Οι σημειακές δίοδοι σχηματίζουν μια πλάκα Si ή Ge τύπου n με εμβαδόν 0,5 - 1,5 mm2 και μια χαλύβδινη βελόνα που σχηματίζει μια διασταύρωση p - n στο σημείο επαφής. Ως αποτέλεσμα της μικρής περιοχής, η διασταύρωση έχει χαμηλή χωρητικότητα, επομένως μια τέτοια δίοδος μπορεί να λειτουργήσει σε κυκλώματα υψηλής συχνότητας, αλλά το ρεύμα μέσω της διασταύρωσης δεν μπορεί να είναι μεγάλο (συνήθως όχι περισσότερο από 100 mA).

Μια επίπεδη δίοδος αποτελείται από δύο συνδεδεμένες πλάκες Si ή Ge με διαφορετική ηλεκτρική αγωγιμότητα. Η μεγάλη περιοχή επαφής έχει ως αποτέλεσμα μια μεγάλη χωρητικότητα διασταύρωσης και μια σχετικά χαμηλή συχνότητα λειτουργίας, αλλά το ρεύμα που ρέει μπορεί να είναι μεγάλο (μέχρι 6000 A).

Οι κύριες παράμετροι των διόδων ανορθωτή είναι:

• μέγιστο επιτρεπόμενο προς τα εμπρός ρεύμα Ipr.max,

• μέγιστη επιτρεπόμενη αντίστροφη τάση Urev.max,

• μέγιστη επιτρεπόμενη συχνότητα fmax.

Σύμφωνα με την πρώτη παράμετρο, οι δίοδοι ανορθωτή χωρίζονται σε διόδους:

• χαμηλή ισχύς, σταθερό ρεύμα έως 300 mA,

• μέση ισχύς, συνεχές ρεύμα 300 mA — 10 A,

• υψηλή ισχύς — ισχύς, το μέγιστο προς τα εμπρός ρεύμα καθορίζεται από την κατηγορία και είναι 10, 16, 25, 40 — 1600 A.

Οι παλμικές δίοδοι χρησιμοποιούνται σε κυκλώματα χαμηλής ισχύος με παλμικό χαρακτήρα της εφαρμοζόμενης τάσης. Μια ξεχωριστή απαίτηση για αυτά είναι ο σύντομος χρόνος μετάβασης από την κλειστή κατάσταση στην ανοιχτή κατάσταση και αντίστροφα (τυπικός χρόνος 0,1 — 100 μs). Οι παλμικές δίοδοι UGO είναι ίδιες με τις διόδους ανορθωτή.

Σύκο. 2. Μεταβατικές διεργασίες σε παλμικές διόδους: α — η εξάρτηση του ρεύματος κατά την εναλλαγή της τάσης από άμεση σε αντίστροφη, β — η εξάρτηση της τάσης όταν ένας παλμός ρεύματος διέρχεται από τη δίοδο

Οι ειδικές παράμετροι των παλμικών διόδων περιλαμβάνουν:

• χρόνος αποθεραπείας Tvosst

• αυτό είναι το χρονικό διάστημα μεταξύ της στιγμής που η τάση της διόδου αλλάζει από εμπρός σε αντίστροφη και τη στιγμή που το αντίστροφο ρεύμα μειώνεται σε μια δεδομένη τιμή (Εικ. 2, α),

• ο χρόνος καθίζησης Tust είναι το χρονικό διάστημα μεταξύ της έναρξης του συνεχούς ρεύματος μιας δεδομένης τιμής μέσω της διόδου και της στιγμής που η τάση στη δίοδο φτάνει το 1,2 της τιμής στη σταθερή κατάσταση (Εικόνα 2, β),

• το μέγιστο ρεύμα ανάκτησης Iobr.imp.max., ίσο με τη μεγαλύτερη τιμή του αντίστροφου ρεύματος μέσω της διόδου μετά την αλλαγή της τάσης από εμπρός στην αντίστροφη (Εικ. 2, α).

Αντεστραμμένες δίοδοι που λαμβάνονται όταν η συγκέντρωση των ακαθαρσιών στις περιοχές p και n είναι μεγαλύτερη από αυτή των συμβατικών ανορθωτών. Μια τέτοια δίοδος έχει χαμηλή αντίσταση στο προς τα εμπρός ρεύμα κατά την αντίστροφη σύνδεση (Εικ. 3) και σχετικά υψηλή αντίσταση κατά την απευθείας σύνδεση. Ως εκ τούτου, χρησιμοποιούνται στη διόρθωση μικρών σημάτων με πλάτος τάσης αρκετών δέκατων του βολτ.

Ρύζι. 3. UGO και VAC αντεστραμμένων διόδων

Δίοδοι Schottky που λαμβάνονται με μετάβαση μετάλλου-ημιαγωγού.Σε αυτή την περίπτωση, χρησιμοποιούνται υποστρώματα n-πυριτίου (ή καρβιδίου του πυριτίου) χαμηλής αντίστασης με λεπτό επιταξιακό στρώμα υψηλής αντοχής του ίδιου ημιαγωγού (Εικ. 4).

Ρύζι. 4. UGO και η δομή της διόδου Schottky: 1 — αρχικός κρύσταλλος πυριτίου με χαμηλή αντίσταση, 2 — επιταξιακό στρώμα πυριτίου με υψηλή αντίσταση, 3 — περιοχή φόρτισης χώρου, 4 — μεταλλική επαφή

Ένα μεταλλικό ηλεκτρόδιο εφαρμόζεται στην επιφάνεια του επιταξιακού στρώματος, το οποίο παρέχει ανόρθωση αλλά δεν εγχέει μειοψηφικούς φορείς στην περιοχή του πυρήνα (συνήθως χρυσό). Επομένως, σε αυτές τις διόδους δεν υπάρχουν τόσο αργές διεργασίες όπως η συσσώρευση και η απορρόφηση των μειοψηφικών φορέων στη βάση. Επομένως, η αδράνεια των διόδων Schottky δεν είναι υψηλή. Καθορίζεται από την τιμή της χωρητικότητας φραγμού της επαφής του ανορθωτή (1 — 20 pF).

Επιπλέον, η αντίσταση σειράς των διόδων Schottky είναι σημαντικά χαμηλότερη από αυτή των διόδων ανορθωτή, επειδή η μεταλλική στρώση έχει χαμηλή αντίσταση σε σύγκριση με οποιονδήποτε, ακόμη και με υψηλή πρόσμιξη, ημιαγωγό. Αυτό επιτρέπει τη χρήση διόδων Schottky για την ανόρθωση σημαντικών ρευμάτων (δεκάδες αμπέρ). Γενικά χρησιμοποιούνται στη μεταγωγή δευτερευόντων για τη διόρθωση τάσεων υψηλής συχνότητας (έως αρκετά MHz).

Potapov L.A.