דיודות מיישר

דיודה - התקן מוליכים למחצה דו אלקטרודות עם צומת p-n אחד, בעל הולכת זרם חד צדדית. ישנם סוגים רבים ושונים של דיודות - מיישר, דופק, מנהרה, הפוך, דיודות מיקרוגל, כמו גם דיודות זנר, וריקאפס, פוטודיודות, נוריות LED ועוד.

דיודות מיישר

פעולת דיודת המיישר מוסברת על ידי המאפיינים של צומת p - n החשמלי.

בסמוך לגבול של שני מוליכים למחצה נוצרת שכבה נטולת נושאי מטען ניידים (בשל ריקומבינציה) ובעלת התנגדות חשמלית גבוהה - מה שנקרא שכבת חסימה. שכבה זו קובעת את הפרש פוטנציאל המגע (מחסום פוטנציאלי).

אם מופעל מתח חיצוני על צומת p - n, היוצר שדה חשמלי בכיוון המנוגד לשדה של השכבה החשמלית, אזי עובי שכבה זו יקטן ובמתח של 0.4 - 0.6 V השכבה החוסמת תקטן. להיעלם והזרם יגדל באופן משמעותי (זרם זה נקרא זרם ישר).

כאשר מתחברים מתח חיצוני בעל קוטביות שונה, שכבת החסימה תגדל וההתנגדות של צומת p - n תגדל, והזרם הנובע מתנועת נושאי מטען מיעוט יהיה זניח גם במתחים גבוהים יחסית.

הזרם הקדמי של הדיודה נוצר על ידי נושאי המטען העיקריים והזרם ההפוך על ידי נושאי המטען המיעוט. דיודה מעבירה זרם חיובי (קדימה) בכיוון מהאנודה לקתודה.

באיור. 1 מציג את הייעוד הגרפי המקובל (UGO) ואת המאפיינים של דיודות מיישרים (מאפייני מתח הזרם האידיאליים והממשיים שלהן). האי-רציפות הנראית לעין של מאפיין זרם-מתח הדיודה (CVC) במקור קשורה לסולמות זרם ומתח שונים ברביע הראשון והשלישי של העלילה. שתי יציאות דיודות: אנודה A וקתודה K ב-UGO אינן מצוינות ומוצגות באיור להסבר.

מאפיין הזרם-מתח של דיודה אמיתית מראה את אזור התמוטטות החשמל, כאשר עבור עלייה קטנה במתח הפוך הזרם גדל בחדות.

נזק חשמלי הוא הפיך. כאשר חוזרים לאזור העבודה, הדיודה אינה מאבדת את תכונותיה. אם הזרם ההפוך חורג מערך מסוים, הכשל החשמלי יהפוך לתרמי בלתי הפיך עם כשל המכשיר.

אורז. 1. מיישר מוליכים למחצה: a - ייצוג גרפי רגיל, ב - מאפיין מתח זרם אידיאלי, ג - מאפיין מתח זרם אמיתי

התעשייה מייצרת בעיקר דיודות גרמניום (Ge) וסיליקון (Si).

לדיודות סיליקון יש זרמים הפוכים נמוכים, טמפרטורת פעולה גבוהה יותר (150 - 200 מעלות צלזיוס לעומת 80 - 100 מעלות צלזיוס), עומדות במתחים הפוכים גבוהים וצפיפות זרם (60 - 80 A / cm2 לעומת 20 - 40 A / cm2). בנוסף, סיליקון הוא יסוד נפוץ (בניגוד לדיודות גרמניום, שהוא יסוד אדמה נדיר).

היתרונות של דיודות גרמניום כוללים ירידת מתח נמוכה כאשר זורם זרם ישר (0.3 - 0.6 וולט לעומת 0.8 - 1.2 וולט). בנוסף לחומרים המוליכים למחצה המפורטים, גליום arsenide GaAs משמש במעגלי מיקרוגל.

על פי טכנולוגיית הייצור, דיודות מוליכים למחצה מחולקות לשתי מחלקות: נקודתית ומישורית.

דיודות נקודתיות יוצרות צלחת Si או Ge מסוג n בשטח של 0.5 - 1.5 מ"מ ומחט פלדה היוצרות צומת p - n בנקודת המגע. כתוצאה מהשטח הקטן, לצומת יש קיבול נמוך, ולכן דיודה כזו יכולה לעבוד במעגלים בתדר גבוה.אבל הזרם דרך הצומת לא יכול להיות גדול (בדרך כלל לא יותר מ-100 mA).

דיודה מישורית מורכבת משתי לוחות Si או Ge מחוברות עם מוליכות חשמלית שונה. שטח המגע הגדול מביא לקיבול צומת גדול ותדר פעולה נמוך יחסית, אך הזרם הזורם יכול להיות גדול (עד 6000 A).

הפרמטרים העיקריים של דיודות מיישרים הם:

• זרם קדימה המקסימלי המותר Ipr.max,

• מתח הפוך המקסימלי המותר Urev.max,

• התדר המרבי המותר fmax.

על פי הפרמטר הראשון, דיודות מיישרים מחולקות לדיודות:

• הספק נמוך, זרם קבוע עד 300 mA,

• הספק ממוצע, זרם ישר 300 mA - 10 A,

• הספק גבוה - הספק, הזרם המקסימלי קדימה נקבע על ידי המחלקה והוא 10, 16, 25, 40 - 1600 A.

דיודות דופק משמשות במעגלים בעלי הספק נמוך עם אופי דופק של המתח המופעל. דרישה ייחודית עבורם היא זמן המעבר הקצר ממצב סגור למצב פתוח ולהיפך (זמן אופייני 0.1 - 100 מיקרון שניות). דיודות פולסים של UGO זהות לדיודות מיישר.

תאנה. 2. תהליכים חולפים בדיודות פולסים: א - התלות של הזרם בעת החלפת המתח מישיר לאחור, ב - התלות של המתח כאשר פולס זרם עובר דרך הדיודה

פרמטרים ספציפיים של דיודות דופק כוללים:

• זמן החלמה Tvosst

• זהו מרווח הזמן בין הרגע שבו מתח הדיודה עובר מ קדימה לאחור לבין הרגע שבו הזרם ההפוך יורד לערך נתון (איור 2, א),

• זמן השקיעה Tust הוא מרווח הזמן בין תחילת הזרם הישר של ערך נתון דרך הדיודה לבין הרגע שבו המתח על הדיודה מגיע ל-1.2 מהערך במצב יציב (איור 2, ב).

• זרם ההתאוששות המרבי Iobr.imp.max., שווה לערך הגדול ביותר של הזרם ההפוך דרך הדיודה לאחר החלפת המתח מלפנים לאחור (איור 2, א).

דיודות הפוכות המתקבלות כאשר ריכוז הזיהומים באזורי p ו-n גדול מזה של מיישרים קונבנציונליים. לדיודה כזו יש התנגדות נמוכה לזרם קדימה בזמן חיבור הפוך (איור 3) והתנגדות גבוהה יחסית בזמן חיבור ישיר. לכן, הם משמשים לתיקון של אותות קטנים עם משרעת מתח של כמה עשיריות וולט.

אורז. 3. UGO ו- VAC של דיודות הפוכות

דיודות שוטקי מתקבלות על ידי מעבר מתכת מוליכים למחצה.במקרה זה, נעשה שימוש במצעי n-סיליקון (או סיליקון קרביד) בעלי התנגדות נמוכה בשכבה אפיטקסיאלית דקה של אותו מוליך למחצה (איור 4).

אורז. 4. UGO והמבנה של דיודת Schottky: 1 - גביש סיליקון ראשוני עם התנגדות נמוכה, 2 - שכבת סיליקון אפיטקסיאלית עם התנגדות גבוהה, 3 - אזור מטען חלל, 4 - מגע מתכת

אלקטרודת מתכת מוחלת על פני השכבה האפיטקסיאלית, אשר מספקת תיקון אך אינה מזריקה נשאים מיעוט לאזור הליבה (לרוב זהב). לכן, בדיודות אלה אין תהליכים איטיים כמו הצטברות וספיגה של נשאי מיעוטים בבסיס. לכן, האינרציה של דיודות שוטקי אינה גבוהה. זה נקבע לפי הערך של קיבול המחסום של מגע המיישר (1 - 20 pF).

בנוסף, ההתנגדות הסדרתית של דיודות שוטקי נמוכה משמעותית מזו של דיודות מיישרים מכיוון שלשכבת המתכת יש התנגדות נמוכה בהשוואה לכל מוליך למחצה, אפילו מסומם מאוד. זה מאפשר שימוש בדיודות שוטקי לתיקון זרמים משמעותיים (עשרות אמפר). הם משמשים בדרך כלל במיתוג משניים כדי לתקן מתחים בתדר גבוה (עד כמה מגה-הרץ).

פוטאפוב ל.א.