Diodi di potenza

Composto di lacune elettroniche

Il principio di funzionamento della maggior parte dei dispositivi a semiconduttore si basa su fenomeni e processi che si verificano al confine tra due regioni di un semiconduttore con diversi tipi di conduttività elettrica: elettrone (tipo n) e buco (tipo p). Nella regione di tipo n predominano gli elettroni, che sono i principali portatori di cariche elettriche, nella regione p si tratta di cariche positive (lacune). Il confine tra due regioni di diversi tipi di conducibilità è chiamato giunzione pn.

Funzionalmente, il diodo (Fig. 1) può essere considerato un interruttore elettronico non controllato con conduzione unilaterale. Un diodo è in stato di conduzione (interruttore chiuso) se gli viene applicata una tensione diretta.

Riso. 1. Designazione grafica convenzionale del diodo

La corrente attraverso il diodo iF è determinata dai parametri del circuito esterno e la caduta di tensione nella struttura del semiconduttore ha poca importanza. Se viene applicata una tensione inversa al diodo, questo si trova in uno stato non conduttivo (interruttore aperto) e una piccola corrente scorre attraverso di esso. La caduta di tensione attraverso il diodo in questo caso è determinata dai parametri del circuito esterno.

Protezione dei diodi

Le cause più tipiche dei guasti elettrici di un diodo sono un'elevata velocità di salita della corrente diretta diF/dt quando acceso, sovratensione quando spento, il superamento del valore massimo della corrente diretta e la rottura della struttura con una tensione inversa inaccettabilmente alta.

A valori elevati di diF / dt, nella struttura del diodo compare una concentrazione irregolare di portatori di carica e, di conseguenza, un surriscaldamento locale con conseguente danneggiamento della struttura. Il motivo principale per gli alti valori di diF / dt è il piccolo induttanza in un circuito contenente una sorgente di tensione diretta e un diodo attivo. Per ridurre i valori di diF/dt si collega in serie al diodo un'induttanza che limita la velocità di salita della corrente.

Per ridurre i valori delle ampiezze delle tensioni applicate al diodo quando il circuito è spento, viene utilizzato un resistore R collegato in serie e condensatore C è il cosiddetto circuito RC collegato in parallelo al diodo.

Per proteggere i diodi dai sovraccarichi di corrente nelle modalità di emergenza, vengono utilizzati fusibili elettrici ad alta velocità.

I principali tipi di diodi di potenza

In base ai parametri e allo scopo principali, i diodi sono generalmente divisi in tre gruppi: diodi per uso generale, diodi a recupero rapido e diodi Schottky.

Diodi per uso generico

Questo gruppo di diodi si distingue per alti valori di tensione inversa (da 50 V a 5 kV) e corrente diretta (da 10 A a 5 kA). La massiccia struttura a semiconduttore dei diodi ne degrada le prestazioni. Pertanto, il tempo di ripristino inverso dei diodi è solitamente compreso tra 25 e 100 μs, il che ne limita l'uso in circuiti con frequenze superiori a 1 kHz.Di norma, lavorano in reti industriali con una frequenza di 50 (60) Hz. La caduta di tensione continua attraverso i diodi di questo gruppo è di 2,5-3 V.

I diodi di potenza sono disponibili in confezioni diverse. I più diffusi sono due tipi di esecuzione: uno spillo e una tavoletta (Fig. 2 a, b).

Riso. 2. Costruzione dei corpi dei diodi: a — perno; b - tavoletta

Diodi a recupero rapido. Nella produzione di questo gruppo di diodi vengono utilizzati vari metodi tecnologici per ridurre i tempi di recupero inverso. In particolare viene utilizzato il drogaggio del silicio con il metodo della diffusione dell'oro o del platino, che consente di ridurre il tempo di recupero a 3-5 μs. Tuttavia, ciò riduce i valori consentiti di corrente diretta e tensione inversa. I valori di corrente consentiti vanno da 10 A a 1 kA, tensione inversa - da 50 V a 3 kV. I diodi più veloci hanno un tempo di recupero inverso di 0,1-0,5 μs. Tali diodi sono utilizzati nei circuiti a impulsi e ad alta frequenza con frequenze di 10 kHz e superiori. Il design dei diodi in questo gruppo è simile a quello dei diodi generici.

Diodo Schottky

Il principio di funzionamento dei diodi Schottky si basa sulle proprietà della regione di transizione tra il metallo e il materiale semiconduttore. Per i diodi di potenza, uno strato di silicio impoverito di tipo n viene utilizzato come semiconduttore. In questo caso, c'è una carica negativa nella regione di transizione sul lato del metallo e una carica positiva sul lato del semiconduttore.

Una particolarità dei diodi Schottky è che la corrente diretta è dovuta al movimento dei soli portatori principali: gli elettroni. La mancanza di accumulo di portatori minoritari riduce significativamente l'inerzia dei diodi Schottky.Il tempo di recupero di solito non è superiore a 0,3 μs, la caduta di tensione diretta è di circa 0,3 V. I valori di corrente inversa in questi diodi sono 2-3 ordini di grandezza superiori rispetto ai diodi a giunzione p-n. La tensione inversa limitante di solito non supera i 100 V. Sono utilizzati nei circuiti di impulsi ad alta frequenza e bassa tensione.