Токоизправителни диоди

Диод -двуелектродно полупроводниково устройство с един p-n преход, което има едностранна проводимост на тока. Има много различни видове диоди — токоизправителни, импулсни, тунелни, обърнати, микровълнови диоди, както и ценерови диоди, варикапи, фотодиоди, светодиоди и др.

Токоизправителни диоди

Работата на токоизправителния диод се обяснява със свойствата на електрическия p — n преход.

Близо до границата на два полупроводника се образува слой, който е лишен от мобилни носители на заряд (поради рекомбинация) и има високо електрическо съпротивление — т. Нар. Блокиращ слой. Този слой определя контактната потенциална разлика (потенциална бариера).

Ако към p — n прехода се приложи външно напрежение, създавайки електрическо поле в посока, противоположна на полето на електрическия слой, тогава дебелината на този слой ще намалее и при напрежение 0,4 — 0,6 V блокиращият слой ще изчезват и токът ще се увеличи значително (този ток се нарича директен).

Когато е свързано външно напрежение с различна полярност, блокиращият слой ще се увеличи и съпротивлението на p — n прехода ще се увеличи, а токът поради движението на малцинствени носители на заряд ще бъде незначителен дори при относително високи напрежения.

Правият ток на диода се създава от основните носители на заряд, а обратният от малцинствените носители на заряд. Диодът преминава положителен (напред) ток в посока от анода към катода.

На фиг. 1 показва конвенционалното графично обозначение (UGO) и характеристиките на токоизправителните диоди (техните идеални и реални характеристики на токово напрежение). Видимото прекъсване на характеристиката ток-напрежение на диода (CVC) в началото на координатите е свързано с различни скали на токове и напрежения в първия и третия квадрант на графиката. Два изхода на диода: анод А и катод К в UGO не са посочени и са показани на фигурата за обяснение.

Характеристиката ток-напрежение на истински диод показва областта на електрически пробив, когато при малко увеличение на обратното напрежение токът нараства рязко.

Електрическата повреда е обратима. При връщане в работната зона диодът не губи свойствата си. Ако обратният ток надвиши определена стойност, тогава електрическата повреда ще се превърне в необратима топлинна с повредата на устройството.

Ориз. 1. Полупроводников токоизправител: a — конвенционално графично изображение, b — идеална характеристика токово напрежение, c — реална характеристика токово напрежение

Промишлеността произвежда основно германиеви (Ge) и силициеви (Si) диоди.

Силиконови диоди имат ниски обратни токове, по -висока работна температура (150 — 200 ° С срещу 80 — 100 ° С), издържат на високи обратни напрежения и плътности на тока (60 — 80 A / cm2 срещу 20 — 40 A / cm2). В допълнение, силицийът е широко разпространен елемент (за разлика от германиевите диоди, който е рядкоземен елемент).

Предимствата на германиевите диоди включват нисък спад на напрежението при протичане на постоянен ток (0,3 — 0,6 V срещу 0,8 — 1,2 V). В допълнение към посочените полупроводникови материали, галиевият арсенид GaAs се използва в микровълнови схеми.

Според технологията на производство полупроводниковите диоди са разделени на два класа: точкови и равнинни.

Точкови диоди образуват плоча Si или Ge от n тип с площ 0,5 — 1,5 mm2 и стоманена игла, образуваща p — n преход в точката на контакт. В резултат на малката площ кръстовището има нисък капацитет, следователно такъв диод може да работи във високочестотни схеми.Но токът през кръстовището не може да бъде голям (обикновено не повече от 100 mA).

Плосък диод се състои от две свързани Si или Ge плочи с различна електрическа проводимост. Голямата контактна площ води до голям капацитет на кръстовището и относително ниска работна честота, но протичащият ток може да бъде голям (до 6000 А).

Основните параметри на токоизправителните диоди са:

• максимално допустим ток напред Ipr.max,

• максимално допустимо обратно напрежение Urev.max,

• максимално допустима честота fmax.

Според първия параметър токоизправителните диоди са разделени на диоди:

• ниска мощност, постоянен ток до 300 mA,

• средна мощност, постоянен ток 300 mA — 10 A,

• висока мощност — мощност, максималният ток напред се определя от класа и е 10, 16, 25, 40 — 1600 А.

Импулсни диоди се използват в схеми с ниска мощност с импулсен характер на подаденото напрежение. Отличително изискване за тях е краткото време на преход от затворено състояние към отворено състояние и обратно (типично време 0,1 — 100 μs). UGO импулсните диоди са същите като тези на токоизправителните диоди.

Фиг. 2. Преходни процеси в импулсни диоди: а — зависимостта на тока при превключване на напрежението от директно към обратно, б — зависимостта на напрежението, когато през диода преминава токов импулс

Специфичните параметри на импулсните диоди включват:

• време за възстановяване Tvosst

• това е интервалът от време между момента, в който напрежението на диода се превключва от напред към обратното и момента, в който обратният ток намалява до дадена стойност (фиг. 2, а),

• времето за утаяване Tust е интервалът от време между началото на прекия ток на дадена стойност през диода и момента, когато напрежението върху диода достигне 1,2 от стойността в стационарно състояние (Фигура 2, б),

• максималният ток на възстановяване Iobr.imp.max., равен на най -голямата стойност на обратния ток през диода след превключване на напрежението от напред към обратно (фиг. 2, а).

Инвертирани диоди получени, когато концентрацията на примеси в p- и n-регионите е по-голяма от тази на конвенционалните токоизправители. Такъв диод има ниско съпротивление на преминаващия ток по време на обратна връзка (фиг. 3) и относително високо съпротивление по време на директно свързване. Следователно те се използват при коригиране на малки сигнали с амплитуда на напрежението няколко десети от волта.

Ориз. 3. UGO и VAC на обърнати диоди

Диоди Шотки получени чрез преход метал-полупроводник. В този случай се използват субстрати от n-силиций с ниско съпротивление (или силициев карбид) с високоустойчив тънък епитаксиален слой от същия полупроводник (фиг. 4).

Ориз. 4. UGO и структурата на диода на Шотки: 1 — първоначален силициев кристал с ниско съпротивление, 2 — епитаксиален слой от силиций с висока устойчивост, 3 — област на космически заряд, 4 — метален контакт

На повърхността на епитаксиалния слой се прилага метален електрод, който осигурява ректификация, но не инжектира малцинствени носители в основната област (най -често злато). Поради това в тези диоди няма такива бавни процеси като натрупване и резорбция на малцинствени носители в основата. Следователно инерцията на диодите на Шотки не е висока. Определя се от стойността на бариерния капацитет на токоизправителния контакт (1 — 20 pF).

В допълнение, серийното съпротивление на диодите на Шотки е значително по -ниско от това на токоизправителните диоди, тъй като металният слой има ниско съпротивление в сравнение с всеки, дори силно легиран полупроводник. Това позволява използването на диоди на Шотки за коригиране на значителни токове (десетки ампера). Те обикновено се използват в импулсни вторични захранвания за коригиране на високочестотни напрежения (до няколко MHz).

Потапов Л.А.