Gelijkrichter diodes

Diode - een halfgeleiderapparaat met twee elektroden met één pn-overgang, die eenzijdige stroomgeleiding heeft. Er zijn veel verschillende soorten diodes: gelijkrichter-, puls-, tunnel-, reverse-, microgolfdiodes, maar ook zenerdiodes, varicaps, fotodiodes, LED's en meer.

Gelijkrichter diodes

De werking van de gelijkrichterdiode wordt verklaard door de eigenschappen van de elektrische p-n-overgang.

Nabij de grens van twee halfgeleiders wordt een laag gevormd die verstoken is van mobiele ladingsdragers (door recombinatie) en een hoge elektrische weerstand heeft - de zogenaamde Blokkerende laag. Deze laag bepaalt het contactpotentiaalverschil (potentiaalbarrière).

Als op de p-n-overgang een externe spanning wordt aangelegd, waardoor een elektrisch veld ontstaat in de richting tegengesteld aan het veld van de elektrische laag, dan zal de dikte van deze laag afnemen en bij een spanning van 0,4 - 0,6 V zal de blokkeerlaag verdwijnen en de stroom zal aanzienlijk toenemen (deze stroom wordt gelijkstroom genoemd).

Wanneer een externe spanning van verschillende polariteit wordt aangesloten, zal de blokkeerlaag toenemen en zal de weerstand van de p - n-overgang toenemen, en zal de stroom als gevolg van de beweging van minderheidsladingsdragers verwaarloosbaar zijn, zelfs bij relatief hoge spanningen.

De doorlaatstroom van de diode wordt gecreëerd door de grote ladingsdragers en de tegenstroom door de minderheidsladingsdragers. Een diode geeft een positieve (doorlaat) stroom door in de richting van de anode naar de kathode.

In afb. 1 toont de conventionele grafische aanduiding (UGO) en kenmerken van gelijkrichterdiodes (hun ideale en werkelijke stroom-spanningskarakteristieken). De schijnbare discontinuïteit van de stroom-spanningskarakteristiek (CVC) van de diode aan de oorsprong hangt samen met verschillende stroom- en spanningsschalen in het eerste en derde kwadrant van de grafiek. Twee diode-uitgangen: anode A en kathode K in UGO zijn niet gespecificeerd en worden ter verduidelijking in de afbeelding weergegeven.

De stroom-spanningskarakteristiek van een echte diode toont het gebied van elektrische doorslag, wanneer voor een kleine toename van de sperspanning de stroom sterk toeneemt.

Elektrische schade is omkeerbaar. Bij terugkeer naar het werkgebied verliest de diode zijn eigenschappen niet. Als de tegenstroom een ​​bepaalde waarde overschrijdt, wordt de elektrische storing onomkeerbaar thermisch met het falen van het apparaat.

Rijst. 1. Halfgeleidergelijkrichter: a — conventionele grafische weergave, b — ideale stroom-spanningskarakteristiek, c — reële stroom-spanningskarakteristiek

De industrie produceert voornamelijk germanium (Ge) en silicium (Si) diodes.

Siliciumdiodes hebben lage sperstromen, hogere bedrijfstemperatuur (150 - 200 ° C vs. 80 - 100 ° C), zijn bestand tegen hoge sperspanningen en stroomdichtheden (60 - 80 A / cm2 vs. 20 - 40 A / cm2). Bovendien is silicium een ​​gemeenschappelijk element (in tegenstelling tot germaniumdiodes, dat een zeldzaam aardelement is).

De voordelen van germaniumdiodes zijn onder meer een lage spanningsval wanneer er gelijkstroom loopt (0,3 - 0,6 V vs. 0,8 - 1,2 V). Naast de vermelde halfgeleidermaterialen wordt galliumarsenide GaAs gebruikt in microgolfcircuits.

Volgens de productietechnologie zijn halfgeleiderdiodes verdeeld in twee klassen: punt en vlak.

Puntdioden vormen een n-type Si- of Ge-plaat met een oppervlakte van 0,5 - 1,5 mm2 en een stalen naald vormt een p - n-overgang op het contactpunt. Door het kleine oppervlak heeft het knooppunt een lage capaciteit, daarom kan zo'n diode in hoogfrequente circuits werken, maar de stroom door het knooppunt kan niet groot zijn (meestal niet meer dan 100 mA).

Een vlakke diode bestaat uit twee verbonden Si- of Ge-platen met verschillende elektrische geleidbaarheid. Het grote contactoppervlak resulteert in een grote junctiecapaciteit en een relatief lage werkfrequentie, maar de stroom kan groot zijn (tot 6000 A).

De belangrijkste parameters van gelijkrichterdiodes zijn:

• maximaal toegestane doorlaatstroom Ipr.max,

• maximaal toegestane sperspanning Urev.max,

• maximaal toegestane frequentie fmax.

Volgens de eerste parameter zijn gelijkrichterdiodes verdeeld in diodes:

• laag vermogen, constante stroom tot 300 mA,

• gemiddeld vermogen, gelijkstroom 300 mA — 10 A,

• hoog vermogen — vermogen, de maximale doorlaatstroom wordt bepaald door de klasse en is 10, 16, 25, 40 — 1600 A.

Pulsdiodes worden gebruikt in laagvermogencircuits met een pulskarakter van de aangelegde spanning. Een onderscheidende vereiste voor hen is de korte overgangstijd van de gesloten toestand naar de open toestand en vice versa (typische tijd 0,1 - 100 μs). UGO-pulsdiodes zijn hetzelfde als gelijkrichterdiodes.

Afb. 2. Transiënte processen in pulsdiodes: a — de afhankelijkheid van de stroom bij het omschakelen van de spanning van direct naar omgekeerd, b — de afhankelijkheid van de spanning wanneer een stroompuls door de diode gaat

Specifieke parameters van pulsdiodes zijn onder meer:

• hersteltijd Tvosst

• dit is het tijdsinterval tussen het moment waarop de diodespanning overschakelt van vooruit naar achteruit en het moment waarop de tegenstroom afneemt tot een bepaalde waarde (Fig. 2, a),

• de insteltijd Tust is het tijdsinterval tussen het begin van de gelijkstroom van een bepaalde waarde door de diode en het moment waarop de spanning op de diode 1,2 van de waarde in de stabiele toestand bereikt (Figuur 2, b),

• de maximale herstelstroom Iobr.imp.max., gelijk aan de grootste waarde van de sperstroom door de diode na het schakelen van de spanning van vooruit naar achteruit (Fig. 2, a).

Geïnverteerde diodes worden verkregen wanneer de concentratie van onzuiverheden in het p- en n-gebied groter is dan die van conventionele gelijkrichters. Zo'n diode heeft een lage weerstand tegen de doorlaatstroom tijdens omgekeerde verbinding (fig. 3) en een relatief hoge weerstand tijdens directe verbinding. Daarom worden ze gebruikt bij de correctie van kleine signalen met een spanningsamplitude van enkele tienden van een volt.

Rijst. 3. UGO en VAC van omgekeerde diodes

Schottky-diodes verkregen door overgang van metaal naar halfgeleider.In dit geval worden n-silicium (of siliciumcarbide) substraten met lage weerstand en een dunne epitaxiale laag met hoge weerstand van dezelfde halfgeleider gebruikt (figuur 4).

Rijst. 4. UGO en de structuur van de Schottky-diode: 1 — initieel siliciumkristal met lage weerstand, 2 — epitaxiale siliciumlaag met hoge weerstand, 3 — ruimteladingsgebied, 4 — metaalcontact

Een metalen elektrode wordt aangebracht op het oppervlak van de epitaxiale laag, die zorgt voor rectificatie maar geen minderheidsdragers in het kerngebied injecteert (meestal goud). Daarom zijn er in deze diodes niet zulke langzame processen als accumulatie en resorptie van minderheidsdragers in de basis. Daarom is de traagheid van Schottky-diodes niet hoog. Het wordt bepaald door de waarde van de barrièrecapaciteit van het gelijkrichtercontact (1...20 pF).

Bovendien is de serieweerstand van Schottky-diodes aanzienlijk lager dan die van gelijkrichterdiodes, omdat de metaallaag een lage weerstand heeft in vergelijking met elke, zelfs hooggedoteerde, halfgeleider. Hierdoor kunnen Schottky-diodes worden gebruikt om aanzienlijke stromen (tientallen ampères) te corrigeren. Ze worden over het algemeen gebruikt bij het schakelen van secundaire spanningen om hoogfrequente spanningen (tot enkele MHz) te corrigeren.

Potapov LA