דיודות כוח

מתחם חור אלקטרוני

עקרון הפעולה של רוב מכשירי המוליכים למחצה מבוסס על תופעות ותהליכים המתרחשים בגבול בין שני אזורים של מוליך למחצה עם סוגים שונים של מוליכות חשמלית - אלקטרונים (סוג n) וחור (סוג p). באזור מסוג n שולטים אלקטרונים שהם הנשאים העיקריים של מטענים חשמליים, באזור p אלו מטענים חיוביים (חורים). הגבול בין שני אזורים מסוגי מוליכות שונים נקרא צומת pn.

מבחינה פונקציונלית, הדיודה (איור 1) יכולה להיחשב למתג אלקטרוני לא מבוקר עם הולכה חד-צדדית. דיודה נמצאת במצב מוליך (מתג סגור) אם מופעל עליה מתח קדימה.

אורז. 1. ייעוד גרפי קונבנציונלי של הדיודה

הזרם דרך דיודה iF נקבע על ידי הפרמטרים של המעגל החיצוני, ולמפלת המתח במבנה המוליכים למחצה אין חשיבות. אם מופעל מתח הפוך על הדיודה, היא במצב לא מוליך (מתג פתוח) וזרם קטן זורם דרכה. נפילת המתח על פני הדיודה במקרה זה נקבעת על ידי הפרמטרים של המעגל החיצוני.

הגנה על הדיודות

הגורמים האופייניים ביותר לכשלים חשמליים של דיודה הם קצב עלייה גבוה של זרם קדימה diF / dt כאשר הוא פועל, מתח יתר כאשר כבוי, חריגה מהערך המרבי של הזרם קדימה ושבירת המבנה עם מתח לאחור גבוה באופן בלתי מקובל.

בערכים גבוהים של diF / dt, מופיע ריכוז לא אחיד של נושאי מטען במבנה הדיודה וכתוצאה מכך התחממות יתר מקומית עם נזק שלאחר מכן למבנה. הסיבה העיקרית לערכים הגבוהים של diF / dt היא הקטן הַשׁרָאוּת במעגל המכיל מקור מתח קדימה ודיודה דולק. כדי להפחית את ערכי diF / dt, מחוברת השראות בסדרה עם הדיודה, המגבילה את קצב עליית הזרם.

כדי להפחית את ערכי האמפליטודות של המתחים המופעלים על הדיודה כאשר המעגל כבוי, נעשה שימוש בנגד R המחובר בסדרה. קַבָּל C הוא מה שנקרא מעגל RC המחובר במקביל לדיודה.

כדי להגן על הדיודות מפני עומסי זרם במצבי חירום, נעשה שימוש בנתיכים חשמליים במהירות גבוהה.

הסוגים העיקריים של דיודות כוח

על פי הפרמטרים והמטרה העיקריים, דיודות מחולקות בדרך כלל לשלוש קבוצות: דיודות לשימוש כללי, דיודות התאוששות מהירה ודיודות שוטקי.

דיודות לשימוש כללי

קבוצה זו של דיודות נבדלת על ידי ערכים גבוהים של מתח הפוך (מ-50 V עד 5 קילו-וולט) וזרם קדימה (מ-10 A עד 5 kA). מבנה המוליכים למחצה המאסיבי של דיודות פוגע בביצועים שלהן. לכן, זמן ההתאוששות ההפוכה של דיודות הוא בדרך כלל בטווח של 25-100 μs, מה שמגביל את השימוש בהן במעגלים עם תדרים מעל 1 קילו-הרץ.ככלל, הם עובדים ברשתות תעשייתיות בתדר של 50 (60) הרץ. ירידת המתח הרציפה על פני הדיודות של קבוצה זו היא 2.5-3 V.

דיודות כוח מגיעות באריזות שונות. הנפוצים ביותר הם שני סוגי ביצוע: סיכה וטאבלט (איור 2 א, ב).

אורז. 2. בניית גופי דיודה: א - סיכה; ב - טאבלט

דיודות התאוששות מהירה. בייצור של קבוצת דיודות זו, נעשה שימוש בשיטות טכנולוגיות שונות להפחתת זמן ההתאוששות ההפוכה. בפרט נעשה שימוש בסימום סיליקון בשיטת דיפוזיה של זהב או פלטינה, דבר זה מאפשר להפחית את זמן ההתאוששות ל-3-5 μs. עם זאת, זה מפחית את הערכים המותרים של זרם קדימה ומתח הפוך. ערכי הזרם המותרים הם מ-10 A ל-1 kA, מתח הפוך - מ-50 V עד 3 kV. לדיודות המהירות ביותר יש זמן התאוששות הפוך של 0.1-0.5 μs. דיודות כאלה משמשות במעגלים דופק ותדר גבוה עם תדרים של 10 קילו-הרץ ומעלה. העיצוב של דיודות בקבוצה זו דומה לזה של דיודות לשימוש כללי.

דיודה שוטקי

עקרון הפעולה של דיודות שוטקי מבוסס על המאפיינים של אזור המעבר בין המתכת לחומר המוליך למחצה. עבור דיודות כוח, שכבה של סיליקון מדולדל מסוג n משמשת כמוליך למחצה. במקרה זה, קיים מטען שלילי באזור המעבר בצד המתכת ומטען חיובי בצד המוליך למחצה.

ייחוד של דיודות שוטקי הוא שהזרם קדימה נובע מתנועה של הנשאים העיקריים בלבד - אלקטרונים. היעדר הצטברות נשא מיעוט מפחית באופן משמעותי את האינרציה של דיודות שוטקי.זמן ההתאוששות הוא בדרך כלל לא יותר מ-0.3 μs, ירידת המתח קדימה היא בערך 0.3 V. ערכי הזרם ההפוכה בדיודות אלה גבוהים ב-2-3 סדרי גודל מאשר בדיודות p-n-צומת. המתח ההפוך המגביל הוא בדרך כלל לא יותר מ-100 V. הם משמשים במעגלי דופק בתדר גבוה ובמתח נמוך.