Díodes rectificadors

Díode: un dispositiu semiconductor de dos elèctrodes amb una unió p-n, que té conducció de corrent unilateral. Hi ha molts tipus diferents de díodes: rectificador, pols, túnel, invers, díodes de microones, així com díodes zener, varicaps, fotodiodes, LED i molt més.

Díodes rectificadors

El funcionament del díode rectificador s'explica per les propietats de la unió elèctrica p — n.

Prop de la vora de dos semiconductors, es forma una capa que no té portadors de càrrega mòbils (a causa de la recombinació) i té una alta resistència elèctrica, l'anomenada Capa de bloqueig. Aquesta capa determina la diferència de potencial de contacte (barrera de potencial).

Si s'aplica una tensió externa a la unió p — n, creant un camp elèctric en la direcció oposada al camp de la capa elèctrica, el gruix d'aquesta capa disminuirà i a una tensió de 0,4 — 0,6 V la capa de bloqueig desapareixen i el corrent augmentarà significativament (aquest corrent s'anomena corrent continu).

Quan es connecta una tensió externa de diferent polaritat, la capa de bloqueig augmentarà i la resistència de la unió p — n augmentarà, i el corrent degut al moviment dels portadors de càrrega minoritaris serà insignificant fins i tot a tensions relativament altes.

El corrent directe del díode és creat pels portadors de càrrega principals i el corrent invers pels portadors de càrrega minoritaris. Un díode fa passar un corrent positiu (en endavant) en la direcció de l'ànode al càtode.

A la fig. La figura 1 mostra la designació gràfica convencional (UGO) i les característiques dels díodes rectificadors (les seves característiques ideals i reals de corrent-tensió). La discontinuïtat aparent de la característica de corrent-tensió del díode (CVC) a l'origen s'associa a diferents escales de corrent i tensió al primer i tercer quadrants de la trama. Dues sortides de díodes: l'ànode A i el càtode K a UGO no s'especifiquen i es mostren a la figura per a l'explicació.

La característica de tensió de corrent d'un díode real mostra la regió d'avaria elèctrica, quan per a un petit augment de la tensió inversa el corrent augmenta bruscament.

Els danys elèctrics són reversibles. En tornar a la zona de treball, el díode no perd les seves propietats. Si el corrent invers supera un cert valor, la fallada elèctrica esdevindrà tèrmica irreversible amb la fallada del dispositiu.

Arròs. 1. Rectificador de semiconductor: a — representació gràfica convencional, b — característica ideal corrent-tensió, c — característica real corrent-tensió

La indústria produeix principalment díodes de germani (Ge) i silici (Si).

Els díodes de silici tenen corrents inverses baixes, temperatura de funcionament més alta (150 — 200 ° C enfront de 80 — 100 ° C), suporten altes tensions inverses i densitats de corrent (60 — 80 A / cm2 enfront de 20 — 40 A / cm2). A més, el silici és un element comú (a diferència dels díodes de germani, que és un element de terres rares).

Els avantatges dels díodes de germani inclouen una baixa caiguda de tensió quan flueix un corrent continu (0,3 - 0,6 V vs. 0,8 - 1,2 V). A més dels materials semiconductors enumerats, l'arsenur de gal·li GaAs s'utilitza en circuits de microones.

Segons la tecnologia de producció, els díodes semiconductors es divideixen en dues classes: puntuals i plans.

Els díodes puntuals formen una placa de Si o Ge de tipus n amb una àrea de 0,5 - 1,5 mm2 i una agulla d'acer que forma una unió p - n al punt de contacte. Com a resultat de la petita àrea, la unió té una capacitat baixa, per tant, aquest díode pot funcionar en circuits d'alta freqüència, però el corrent a través de la unió no pot ser gran (normalment no més de 100 mA).

Un díode pla està format per dues plaques de Si o Ge connectades amb conductivitats elèctriques diferents. La gran àrea de contacte dóna com a resultat una gran capacitat d'unió i una freqüència de funcionament relativament baixa, però el corrent que flueix pot ser gran (fins a 6000 A).

Els principals paràmetres dels díodes rectificadors són:

• corrent directe màxim admissible Ipr.max,

• tensió inversa màxima admissible Urev.max,

• freqüència màxima permesa fmax.

Segons el primer paràmetre, els díodes rectificadors es divideixen en díodes:

• baixa potència, corrent constant fins a 300 mA,

• potència mitjana, corrent continu 300 mA - 10 A,

• alta potència — potència, el corrent directe màxim el determina la classe i és de 10, 16, 25, 40 — 1600 A.

Els díodes de pols s'utilitzen en circuits de baixa potència amb un caràcter de pols de la tensió aplicada. Un requisit distintiu per a ells és el curt temps de transició de l'estat tancat a l'estat obert i viceversa (temps típic de 0,1 a 100 μs). Els díodes de pols UGO són ​​els mateixos que els díodes rectificadors.

Fig. 2. Processos transitoris en díodes de pols: a — la dependència del corrent en canviar la tensió de directa a inversa, b — la dependència de la tensió quan un pols de corrent passa pel díode

Els paràmetres específics dels díodes de pols inclouen:

• temps de recuperació Tvosst

• aquest és l'interval de temps entre el moment en què la tensió del díode canvia d'avançat a invers i el moment en què el corrent invers disminueix fins a un valor donat (Fig. 2, a),

• el temps d'assentament Tust és l'interval de temps entre l'inici del corrent continu d'un valor donat a través del díode i el moment en què la tensió del díode arriba a 1,2 del valor en estat estacionari (figura 2, b),

• la intensitat màxima de recuperació Iobr.imp.max., igual al valor més gran del corrent invers a través del díode després de canviar la tensió de cap endavant a invers (Fig. 2, a).

Díodes invertits obtinguts quan la concentració d'impureses a les regions p i n és superior a la dels rectificadors convencionals. Aquest díode té una baixa resistència al corrent directe durant la connexió inversa (Fig. 3) i una resistència relativament alta durant la connexió directa. Per tant, s'utilitzen en la correcció de petits senyals amb una amplitud de tensió de diverses dècimes de volt.

Arròs. 3. UGO i VAC dels díodes invertits

Díodes Schottky obtinguts per transició metall-semiconductor.En aquest cas, s'utilitzen substrats de n-silici (o carbur de silici) de baixa resistència amb una capa epitaxial fina d'alta resistència del mateix semiconductor (Fig. 4).

Arròs. 4. UGO i l'estructura del díode Schottky: 1 — cristall de silici inicial amb baixa resistència, 2 — capa epitaxial de silici amb alta resistència, 3 — regió de càrrega espacial, 4 — contacte metàl·lic

S'aplica un elèctrode metàl·lic a la superfície de la capa epitaxial, que proporciona rectificació però no injecta portadors minoritaris a la regió central (la majoria de vegades or). Per tant, en aquests díodes no hi ha processos tan lents com l'acumulació i reabsorció de portadors minoritaris a la base. Per tant, la inèrcia dels díodes Schottky no és alta. Es determina pel valor de la capacitat de barrera del contacte del rectificador (1 - 20 pF).

A més, la resistència en sèrie dels díodes Schottky és significativament inferior a la dels díodes rectificadors perquè la capa metàl·lica té una resistència baixa en comparació amb qualsevol semiconductor, fins i tot molt dopat. Això permet l'ús de díodes Schottky per rectificar corrents importants (desenes d'amperes). S'utilitzen generalment en la commutació de secundaris per rectificar tensions d'alta freqüència (fins a diversos MHz).

Potapov L.A.