ไดโอดเรียงกระแส

ไดโอด - อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์สองขั้วที่มีทางแยก p-n หนึ่งตัวซึ่งมีการนำกระแสด้านเดียว ไดโอดมีหลายประเภท เช่น วงจรเรียงกระแส พัลส์ ทันเนล รีเวิร์ส ไมโครเวฟไดโอด ตลอดจนซีเนอร์ไดโอด วาริแคป โฟโตไดโอด LED และอื่นๆ

ไดโอดเรียงกระแส

การทำงานของไดโอดเรียงกระแสอธิบายได้จากคุณสมบัติของจุดเชื่อมต่อทางไฟฟ้า p — n

ใกล้กับขอบของเซมิคอนดักเตอร์สองตัว จะเกิดชั้นที่ไม่มีตัวพาประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ (เนื่องจากการรวมตัวกันอีกครั้ง) และมีความต้านทานไฟฟ้าสูง ซึ่งเรียกว่า เลเยอร์การปิดกั้น เลเยอร์นี้กำหนดความต่างศักย์ของการสัมผัส (สิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้น)

หากใช้แรงดันไฟฟ้าภายนอกกับจุดเชื่อมต่อ p - n สร้างสนามไฟฟ้าในทิศทางตรงกันข้ามกับสนามของชั้นไฟฟ้า ความหนาของชั้นนี้จะลดลงและที่แรงดัน 0.4 - 0.6 V ชั้นการปิดกั้นจะ หายไปและกระแสจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก (กระแสนี้เรียกว่า กระแสตรง)

เมื่อเชื่อมต่อแรงดันไฟฟ้าภายนอกของขั้วที่แตกต่างกันชั้นการปิดกั้นจะเพิ่มขึ้นและความต้านทานของจุดเชื่อมต่อ p - n จะเพิ่มขึ้นและกระแสเนื่องจากการเคลื่อนที่ของพาหะของประจุส่วนน้อยจะเล็กน้อยแม้ในแรงดันไฟฟ้าที่ค่อนข้างสูง

กระแสไปข้างหน้าของไดโอดถูกสร้างขึ้นโดยตัวพาประจุหลักและกระแสย้อนกลับโดยตัวพาประจุส่วนน้อย ไดโอดส่งผ่านกระแสบวก (ไปข้างหน้า) ในทิศทางจากแอโนดไปยังแคโทด

ในรูป 1 แสดงการกำหนดกราฟิกทั่วไป (UGO) และคุณลักษณะของไดโอดเรียงกระแส (ลักษณะแรงดันกระแสในอุดมคติและที่เกิดขึ้นจริง) ความไม่ต่อเนื่องที่เห็นได้ชัดของคุณลักษณะกระแส-แรงดันของไดโอด (CVC) ที่จุดกำเนิดนั้นสัมพันธ์กับสเกลกระแสและแรงดันที่แตกต่างกันในส่วนที่หนึ่งและสามของแผนภาพ เอาต์พุตไดโอดสองตัว: แอโนด A และแคโทด K ใน UGO ไม่ได้ระบุและแสดงไว้ในรูปภาพเพื่ออธิบาย

ลักษณะแรงดันไฟฟ้าปัจจุบันของไดโอดจริงแสดงขอบเขตของการสลายตัวทางไฟฟ้าเมื่อแรงดันย้อนกลับเพิ่มขึ้นเล็กน้อยกระแสจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว

ความเสียหายทางไฟฟ้าสามารถย้อนกลับได้ เมื่อกลับสู่พื้นที่ทำงานไดโอดจะไม่สูญเสียคุณสมบัติ หากกระแสย้อนกลับเกินค่าที่กำหนด ความล้มเหลวทางไฟฟ้าจะกลายเป็นความร้อนกลับไม่ได้พร้อมกับความล้มเหลวของอุปกรณ์

ข้าว. 1. วงจรเรียงกระแสเซมิคอนดักเตอร์: a — การแสดงภาพกราฟิกทั่วไป, b — คุณลักษณะของแรงดันกระแสในอุดมคติ, c — คุณลักษณะของแรงดันกระแสจริง

อุตสาหกรรมส่วนใหญ่ผลิตไดโอดเจอร์เมเนียม (Ge) และซิลิคอน (Si)

ไดโอดซิลิคอนมีกระแสย้อนกลับต่ำ อุณหภูมิในการทำงานที่สูงขึ้น (150 — 200 ° C เทียบกับ 80 — 100 ° C) ทนต่อแรงดันย้อนกลับสูงและความหนาแน่นของกระแส (60 — 80 A / cm2 เทียบกับ 20 — 40 A / cm2) . นอกจากนี้ ซิลิกอนยังเป็นองค์ประกอบทั่วไป (ไม่เหมือนกับเจอร์เมเนียมไดโอดซึ่งเป็นธาตุหายาก)

ข้อดีของไดโอดเจอร์เมเนียม ได้แก่ แรงดันตกคร่อมเมื่อกระแสตรงไหล (0.3 — 0.6 V เทียบกับ 0.8 — 1.2 V) นอกจากวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่ระบุไว้แล้ว แกลเลียมอาร์เซไนด์ GaAs ยังใช้ในวงจรไมโครเวฟอีกด้วย

ตามเทคโนโลยีการผลิตไดโอดเซมิคอนดักเตอร์แบ่งออกเป็นสองชั้น: จุดและระนาบ

ไดโอดพอยต์สร้างแผ่น Si หรือ Ge ชนิด n ที่มีพื้นที่ 0.5 — 1.5 mm2 และเข็มเหล็กสร้างจุดเชื่อมต่อ p — n ที่จุดสัมผัส เนื่องจากพื้นที่ขนาดเล็ก ทางแยกมีความจุต่ำ ดังนั้นไดโอดดังกล่าวจึงสามารถทำงานในวงจรความถี่สูงได้ แต่กระแสที่ไหลผ่านทางแยกจะต้องไม่เกิน 100 มิลลิแอมป์ (โดยปกติจะไม่เกิน 100 มิลลิแอมป์)

ไดโอดระนาบประกอบด้วยแผ่น Si หรือ Ge ที่เชื่อมต่อกันสองแผ่นที่มีค่าการนำไฟฟ้าต่างกัน พื้นที่สัมผัสขนาดใหญ่ส่งผลให้มีความจุของจุดเชื่อมต่อขนาดใหญ่และความถี่ในการทำงานค่อนข้างต่ำ แต่กระแสที่ไหลอาจมีขนาดใหญ่ (สูงถึง 6,000 A)

พารามิเตอร์หลักของไดโอดเรียงกระแสคือ:

• Ipr.max กระแสไปข้างหน้าสูงสุดที่อนุญาต

• แรงดันย้อนกลับสูงสุดที่อนุญาต Urev.max,

• ความถี่สูงสุดที่อนุญาต fmax

ตามพารามิเตอร์แรก ไดโอดเรียงกระแสแบ่งออกเป็นไดโอด:

• พลังงานต่ำ, กระแสคงที่สูงถึง 300 mA,

• พลังงานเฉลี่ย กระแสตรง 300 mA — 10 A

• พลังงานสูง — พลังงาน กระแสไปข้างหน้าสูงสุดถูกกำหนดโดยคลาสและคือ 10, 16, 25, 40 — 1600 A

พัลส์ไดโอดใช้ในวงจรพลังงานต่ำที่มีอักขระพัลส์ของแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ ข้อกำหนดที่โดดเด่นสำหรับพวกเขาคือเวลาเปลี่ยนสั้น ๆ จากสถานะปิดเป็นสถานะเปิด และในทางกลับกัน (เวลาปกติ 0.1 — 100 μs) ไดโอดพัลส์ UGO เหมือนกับไดโอดเรียงกระแส

รูปที่. 2. กระบวนการชั่วคราวในไดโอดพัลส์: a - การพึ่งพาของกระแสเมื่อเปลี่ยนแรงดันจากโดยตรงเป็นย้อนกลับ b - การพึ่งพาของแรงดันเมื่อพัลส์ปัจจุบันผ่านไดโอด

พารามิเตอร์เฉพาะของไดโอดพัลส์ประกอบด้วย:

• เวลาพักฟื้น Tvosst

• นี่คือช่วงเวลาระหว่างช่วงเวลาที่แรงดันไดโอดเปลี่ยนจากไปข้างหน้าเป็นย้อนกลับและช่วงเวลาที่กระแสย้อนกลับลดลงเป็นค่าที่กำหนด (รูปที่ 2, a)

• เวลาตกตะกอน Tust คือช่วงเวลาระหว่างจุดเริ่มต้นของกระแสตรงของค่าที่กำหนดผ่านไดโอดและช่วงเวลาที่แรงดันไฟฟ้าบนไดโอดถึง 1.2 ของค่าในสถานะคงที่ (รูปที่ 2, b)

• กระแสการกู้คืนสูงสุด Iobr.imp.max. เท่ากับค่าสูงสุดของกระแสย้อนกลับผ่านไดโอดหลังจากเปลี่ยนแรงดันจากไปข้างหน้าเป็นย้อนกลับ (รูปที่ 2, a)

ไดโอดกลับหัวได้รับเมื่อความเข้มข้นของสิ่งเจือปนในบริเวณ p- และ n มากกว่าความเข้มข้นของวงจรเรียงกระแสทั่วไป ไดโอดดังกล่าวมีความต้านทานต่ำต่อกระแสไปข้างหน้าระหว่างการเชื่อมต่อแบบย้อนกลับ (รูปที่ 3) และความต้านทานที่ค่อนข้างสูงระหว่างการเชื่อมต่อโดยตรง ดังนั้นจึงใช้ในการแก้ไขสัญญาณขนาดเล็กที่มีแอมพลิจูดของแรงดันไฟฟ้าหลายในสิบของโวลต์

ข้าว. 3. UGO และ VAC ของไดโอดกลับด้าน

ไดโอด Schottky ที่ได้จากการเปลี่ยนสถานะของสารกึ่งตัวนำโลหะในกรณีนี้ จะใช้ซับสเตรต n-ซิลิกอน (หรือซิลิกอนคาร์ไบด์) ความต้านทานต่ำที่มีชั้น epitaxial บางที่มีความต้านทานสูงของสารกึ่งตัวนำชนิดเดียวกัน (รูปที่ 4)

ข้าว. 4. UGO และโครงสร้างของไดโอด Schottky: 1 — ผลึกซิลิกอนเริ่มต้นที่มีความต้านทานต่ำ 2 — ชั้น epitaxial ของซิลิคอนที่มีความต้านทานสูง 3 — พื้นที่ประจุอวกาศ 4 — หน้าสัมผัสโลหะ

อิเล็กโทรดโลหะถูกนำไปใช้กับพื้นผิวของชั้น epitaxial ซึ่งให้การแก้ไข แต่ไม่ได้ฉีดพาหะส่วนน้อยเข้าไปในบริเวณแกนกลาง (ส่วนใหญ่มักเป็นทองคำ) ดังนั้นในไดโอดเหล่านี้จึงไม่มีกระบวนการที่ช้าเช่นการสะสมและการสลายตัวของพาหะส่วนน้อยในฐาน ดังนั้นความเฉื่อยของไดโอด Schottky จึงไม่สูง ถูกกำหนดโดยค่าความจุของสิ่งกีดขวางของหน้าสัมผัสวงจรเรียงกระแส (1 — 20 pF)

นอกจากนี้ อนุกรมความต้านทานของไดโอด Schottky ยังต่ำกว่าไดโอดเรียงกระแสอย่างมาก เนื่องจากชั้นโลหะมีความต้านทานต่ำเมื่อเทียบกับสารกึ่งตัวนำที่มีการเจือสารเจือสูง สิ่งนี้ทำให้สามารถใช้ไดโอด Schottky เพื่อแก้ไขกระแสที่มีนัยสำคัญ (หลายสิบแอมแปร์) โดยทั่วไปจะใช้ในสวิตชิ่งทุติยภูมิเพื่อแก้ไขแรงดันไฟฟ้าความถี่สูง (สูงถึงหลาย MHz)

โปตาปอฟ แอล.เอ.