Diodi raddrizzatori

Diodo - un dispositivo a semiconduttore a due elettrodi con una giunzione p-n, che ha una conduzione di corrente unilaterale. Esistono molti tipi diversi di diodi: diodi raddrizzatori, a impulsi, tunnel, inversi, a microonde, nonché diodi zener, varicap, fotodiodi, LED e altro ancora.

Diodi raddrizzatori

Il funzionamento del diodo raddrizzatore è spiegato dalle proprietà della giunzione elettrica p-n.

Vicino al bordo di due semiconduttori si forma uno strato privo di portatori di carica mobili (a causa della ricombinazione) e dotato di un'elevata resistenza elettrica, il cosiddetto Strato bloccante. Questo strato determina la differenza di potenziale di contatto (barriera potenziale).

Se viene applicata una tensione esterna alla giunzione p - n, creando un campo elettrico nella direzione opposta al campo dello strato elettrico, lo spessore di questo strato diminuirà e ad una tensione di 0,4 - 0,6 V lo strato di blocco diminuirà scompaiono e la corrente aumenterà in modo significativo (questa corrente è chiamata corrente continua).

Quando viene collegata una tensione esterna di diversa polarità, lo strato di blocco aumenterà e la resistenza della giunzione p-n aumenterà e la corrente dovuta al movimento dei portatori di carica minoritari sarà trascurabile anche a tensioni relativamente elevate.

La corrente diretta del diodo è creata dai principali portatori di carica e la corrente inversa dai portatori di carica minoritari. Un diodo trasmette corrente positiva (diretta) nella direzione dall'anodo al catodo.

Nella fig. 1 mostra la designazione grafica convenzionale (UGO) e le caratteristiche dei diodi raddrizzatori (le loro caratteristiche di corrente-tensione ideali ed effettive). L'apparente discontinuità della caratteristica corrente-tensione del diodo (CVC) all'origine è associata a diverse scale di corrente e tensione nel primo e nel terzo quadrante del grafico. Due uscite diodi: anodo A e catodo K in UGO non sono specificate e sono mostrate nella figura per spiegazione.

La caratteristica corrente-tensione di un diodo reale mostra la regione della rottura elettrica, quando per un piccolo aumento della tensione inversa la corrente aumenta bruscamente.

Il danno elettrico è reversibile. Quando si ritorna nell'area di lavoro, il diodo non perde le sue proprietà. Se la corrente inversa supera un certo valore, allora il guasto elettrico diventerà termico irreversibile con il guasto del dispositivo.

Riso. 1. Raddrizzatore a semiconduttore: a - rappresentazione grafica convenzionale, b - caratteristica corrente-tensione ideale, c - caratteristica corrente-tensione reale

L'industria produce principalmente diodi al germanio (Ge) e al silicio (Si).

I diodi al silicio hanno correnti inverse basse, temperature operative più elevate (150 — 200 ° C rispetto a 80 — 100 ° C), resistono a tensioni inverse elevate e densità di corrente (60 — 80 A / cm2 rispetto a 20 — 40 A / cm2) . Inoltre, il silicio è un elemento comune (a differenza dei diodi al germanio, che è un elemento delle terre rare).

I vantaggi dei diodi al germanio includono una bassa caduta di tensione quando scorre una corrente continua (0,3 - 0,6 V contro 0,8 - 1,2 V). Oltre ai materiali semiconduttori elencati, l'arseniuro di gallio GaAs viene utilizzato nei circuiti a microonde.

Secondo la tecnologia di produzione, i diodi a semiconduttore sono divisi in due classi: puntiformi e planari.

I diodi puntiformi formano una piastra Si o Ge di tipo n con un'area di 0,5 - 1,5 mm2 e un ago d'acciaio che forma una giunzione p - n nel punto di contatto. A causa della piccola area, la giunzione ha una bassa capacità, quindi un tale diodo può funzionare circuiti ad alta frequenza... Ma la corrente attraverso la giunzione non può essere grande (di solito non più di 100 mA).

Un diodo planare è costituito da due piastre di Si o Ge collegate con differenti conducibilità elettriche. L'ampia area di contatto si traduce in una grande capacità di giunzione e in una frequenza operativa relativamente bassa, ma la corrente che scorre può essere elevata (fino a 6000 A).

I parametri principali dei diodi raddrizzatori sono:

• corrente diretta massima consentita Ipr.max,

• tensione inversa massima consentita Urev.max,

• frequenza massima consentita fmax.

Secondo il primo parametro, i diodi raddrizzatori sono divisi in diodi:

• bassa potenza, corrente costante fino a 300 mA,

• potenza media, corrente continua 300 mA — 10 A,

• alta potenza - potenza, la massima corrente diretta è determinata dalla classe ed è 10, 16, 25, 40 - 1600 A.

I diodi a impulsi sono utilizzati in circuiti a bassa potenza con un carattere a impulsi della tensione applicata. Un requisito distintivo per loro è il breve tempo di transizione dallo stato chiuso allo stato aperto e viceversa (tempo tipico 0,1 — 100 μs). I diodi a impulsi UGO sono gli stessi dei diodi raddrizzatori.

Fico. 2. Processi transitori nei diodi a impulsi: a - la dipendenza della corrente quando si commuta la tensione da diretta a inversa, b - la dipendenza della tensione quando un impulso di corrente passa attraverso il diodo

I parametri specifici dei diodi a impulsi includono:

• tempo di recupero Tvosst

• questo è l'intervallo di tempo tra il momento in cui la tensione del diodo passa da avanti a indietro e il momento in cui la corrente inversa diminuisce a un determinato valore (Fig. 2, a),

• il tempo di assestamento Tust è l'intervallo di tempo tra l'inizio della corrente continua di un dato valore attraverso il diodo e il momento in cui la tensione sul diodo raggiunge 1,2 del valore nello stato stazionario (Figura 2, b),

• la massima corrente di recupero Iobr.imp.max., pari al valore più grande della corrente inversa attraverso il diodo dopo aver commutato la tensione da avanti a indietro (Fig. 2, a).

Diodi invertiti ottenuti quando la concentrazione di impurità nelle regioni p e n è maggiore di quella dei raddrizzatori convenzionali. Tale diodo ha una bassa resistenza alla corrente diretta durante la connessione inversa (Fig. 3) e una resistenza relativamente elevata durante la connessione diretta. Pertanto, vengono utilizzati nella correzione di piccoli segnali con un'ampiezza di tensione di diversi decimi di volt.

Riso. 3. UGO e VAC di diodi invertiti

Diodi Schottky ottenuti per transizione metallo-semiconduttore.In questo caso vengono utilizzati substrati di n-silicio (o carburo di silicio) a bassa resistenza con uno strato epitassiale sottile ad alta resistenza dello stesso semiconduttore (Fig. 4).

Riso. 4. UGO e la struttura del diodo Schottky: 1 - cristallo iniziale di silicio a bassa resistenza, 2 - strato epitassiale di silicio ad alta resistenza, 3 - regione di carica spaziale, 4 - contatto metallico

Un elettrodo metallico viene applicato alla superficie dello strato epitassiale, che fornisce la rettifica ma non inietta portatori minoritari nella regione del nucleo (il più delle volte oro). Pertanto, in questi diodi non ci sono processi così lenti come l'accumulo e il riassorbimento di portatori minoritari nella base. Pertanto, l'inerzia dei diodi Schottky non è elevata. È determinato dal valore della capacità di barriera del contatto del raddrizzatore (1 - 20 pF).

Inoltre, la resistenza in serie dei diodi Schottky è significativamente inferiore a quella dei diodi raddrizzatori perché lo strato metallico ha una bassa resistenza rispetto a qualsiasi semiconduttore, anche altamente drogato. Ciò consente l'uso di diodi Schottky per rettificare correnti significative (decine di ampere). Sono generalmente utilizzati nella commutazione di secondari per rettificare tensioni ad alta frequenza (fino a diversi MHz).

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