Gleichrichterdioden

Diode – ein Zwei-Elektroden-Halbleiterbauelement mit einem pn-Übergang, der eine einseitige Stromleitung aufweist. Es gibt viele verschiedene Arten von Dioden – Gleichrichter-, Impuls-, Tunnel-, Umkehr-, Mikrowellendioden sowie Zenerdioden, Varicaps, Fotodioden, LEDs und mehr.

Gleichrichterdioden

Die Funktionsweise der Gleichrichterdiode wird durch die Eigenschaften des elektrischen p-n-Übergangs erklärt.

Nahe der Grenze zweier Halbleiter bildet sich eine Schicht, die frei von beweglichen Ladungsträgern (aufgrund der Rekombination) ist und einen hohen elektrischen Widerstand aufweist – die sogenannte Sperrschicht. Diese Schicht bestimmt die Kontaktpotentialdifferenz (Potenzialbarriere).

Wenn an den p-n-Übergang eine externe Spannung angelegt wird, die ein elektrisches Feld in entgegengesetzter Richtung zum Feld der elektrischen Schicht erzeugt, nimmt die Dicke dieser Schicht ab und bei einer Spannung von 0,4 bis 0,6 V nimmt die Sperrschicht ab verschwinden und der Strom wird deutlich erhöht (dieser Strom wird Gleichstrom genannt).

Wenn eine externe Spannung unterschiedlicher Polarität angeschlossen wird, erhöht sich die Sperrschicht und der Widerstand des p-n-Übergangs, und der Strom aufgrund der Bewegung von Minoritätsladungsträgern ist selbst bei relativ hohen Spannungen vernachlässigbar.

Der Vorwärtsstrom der Diode wird durch die Hauptladungsträger und der Rückwärtsstrom durch die Minoritätsladungsträger erzeugt. Eine Diode leitet einen positiven (Vorwärts-)Strom in Richtung von der Anode zur Kathode.

In Abb. In Abb. 1 zeigt die konventionelle grafische Bezeichnung (UGO) und die Eigenschaften von Gleichrichterdioden (ihre ideale und tatsächliche Strom-Spannungs-Charakteristik). Die scheinbare Diskontinuität der Strom-Spannungs-Kennlinie (CVC) der Diode am Ursprung ist mit unterschiedlichen Strom- und Spannungsskalen im ersten und dritten Quadranten des Diagramms verbunden. Zwei Diodenausgänge: Anode A und Kathode K in UGO sind nicht spezifiziert und zur Erläuterung in der Abbildung dargestellt.

Die Strom-Spannungs-Kennlinie einer echten Diode zeigt den Bereich des elektrischen Durchbruchs, wenn bei einem kleinen Anstieg der Sperrspannung der Strom stark ansteigt.

Elektrische Schäden sind reversibel. Bei der Rückkehr in den Arbeitsbereich verliert die Diode ihre Eigenschaften nicht. Überschreitet der Rückstrom einen bestimmten Wert, wird der elektrische Fehler mit dem Ausfall des Gerätes thermisch irreversibel.

Reis. 1. Halbleitergleichrichter: a – konventionelle grafische Darstellung, b – ideale Strom-Spannungs-Kennlinie, c – reale Strom-Spannungs-Kennlinie

Die Industrie produziert hauptsächlich Germanium- (Ge) und Silizium-Dioden (Si).

Siliziumdioden haben niedrige Sperrströme, eine höhere Betriebstemperatur (150 – 200 °C vs. 80 – 100 °C), halten hohen Sperrspannungen und Stromdichten stand (60 – 80 A/cm2 vs. 20 – 40 A/cm2). Darüber hinaus ist Silizium ein häufig vorkommendes Element (im Gegensatz zu Germaniumdioden, die zu den seltenen Erden gehören).

Zu den Vorteilen von Germaniumdioden gehört ein geringer Spannungsabfall bei fließendem Gleichstrom (0,3 – 0,6 V gegenüber 0,8 – 1,2 V). Zusätzlich zu den aufgeführten Halbleitermaterialien wird Galliumarsenid GaAs in Mikrowellenschaltungen verwendet.

Je nach Produktionstechnologie werden Halbleiterdioden in zwei Klassen eingeteilt: Punkt- und Planardioden.

Punktdioden bilden eine Si- oder Ge-Platte vom n-Typ mit einer Fläche von 0,5 bis 1,5 mm2 und einer Stahlnadel, die am Kontaktpunkt einen p-n-Übergang bildet. Aufgrund der kleinen Fläche weist der Übergang eine geringe Kapazität auf, sodass eine solche Diode in Hochfrequenzschaltungen eingesetzt werden kann. Der Strom durch den Übergang kann jedoch nicht groß sein (normalerweise nicht mehr als 100 mA).

Eine Planardiode besteht aus zwei verbundenen Si- oder Ge-Platten mit unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit. Die große Kontaktfläche führt zu einer großen Sperrschichtkapazität und einer relativ niedrigen Betriebsfrequenz, der fließende Strom kann jedoch groß sein (bis zu 6000 A).

Die Hauptparameter von Gleichrichterdioden sind:

• maximal zulässiger Durchlassstrom Ipr.max,

• maximal zulässige Sperrspannung Urev.max,

• maximal zulässige Frequenz fmax.

Nach dem ersten Parameter werden Gleichrichterdioden in Dioden unterteilt:

• geringer Stromverbrauch, Konstantstrom bis 300 mA,

• mittlere Leistung, Gleichstrom 300 mA – 10 A,

• hohe Leistung – Leistung, der maximale Vorwärtsstrom wird durch die Klasse bestimmt und beträgt 10, 16, 25, 40 – 1600 A.

Impulsdioden werden in Stromkreisen mit geringer Leistung eingesetzt, bei denen die angelegte Spannung einen Impulscharakter hat. Eine besondere Anforderung an sie ist die kurze Übergangszeit vom geschlossenen Zustand in den offenen Zustand und umgekehrt (typische Zeit 0,1 – 100 μs). UGO-Pulsdioden sind dasselbe wie Gleichrichterdioden.

Feige. 2. Transiente Prozesse in Impulsdioden: a – die Abhängigkeit des Stroms beim Umschalten der Spannung von Gleichstrom auf Rückwärts, b – die Abhängigkeit der Spannung, wenn ein Stromimpuls durch die Diode fließt

Zu den spezifischen Parametern von Pulsdioden gehören:

• Erholungszeit Tvosst

• Dies ist das Zeitintervall zwischen dem Zeitpunkt, an dem die Diodenspannung von Vorwärts auf Rückwärts umschaltet, und dem Zeitpunkt, an dem der Rückwärtsstrom auf einen bestimmten Wert abnimmt (Abb. 2, a).

• Die Einschwingzeit Tust ist das Zeitintervall zwischen dem Beginn des Gleichstroms eines bestimmten Werts durch die Diode und dem Moment, in dem die Spannung an der Diode das 1,2-fache des Wertes im eingeschwungenen Zustand erreicht (Abbildung 2, b).

• der maximale Erholungsstrom Iobr.imp.max., gleich dem größten Wert des Rückstroms durch die Diode nach dem Umschalten der Spannung von Vorwärts auf Rückwärts (Abb. 2, a).

Invertierte Dioden entstehen, wenn die Konzentration an Verunreinigungen im p- und n-Bereich größer ist als bei herkömmlichen Gleichrichtern. Eine solche Diode hat beim Rückwärtsanschluss einen geringen Widerstand gegenüber dem Vorwärtsstrom (Abb. 3) und beim Direktanschluss einen relativ hohen Widerstand. Daher werden sie zur Korrektur kleiner Signale mit einer Spannungsamplitude von mehreren Zehntel Volt eingesetzt.

Reis. 3. UGO und VAC von invertierten Dioden

Durch Metall-Halbleiter-Übergang erhaltene Schottky-Dioden.In diesem Fall werden niederohmige n-Silizium- (oder Siliziumkarbid-)Substrate mit einer hochohmigen dünnen Epitaxieschicht aus demselben Halbleiter verwendet (Abb. 4).

Reis. 4. UGO und die Struktur der Schottky-Diode: 1 – anfänglicher Siliziumkristall mit niedrigem Widerstand, 2 – epitaktische Siliziumschicht mit hohem Widerstand, 3 – Raumladungsbereich, 4 – Metallkontakt

Auf der Oberfläche der Epitaxieschicht wird eine Metallelektrode angebracht, die für Gleichrichtung sorgt, aber keine Minoritätsladungsträger in den Kernbereich injiziert (meistens Gold). Daher gibt es in diesen Dioden keine so langsamen Prozesse wie die Ansammlung und Resorption von Minoritätsträgern in der Basis. Daher ist die Trägheit von Schottky-Dioden nicht hoch. Sie wird durch den Wert der Sperrkapazität des Gleichrichterkontakts (1 – 20 pF) bestimmt.

Darüber hinaus ist der Serienwiderstand von Schottky-Dioden deutlich geringer als der von Gleichrichterdioden, da die Metallschicht im Vergleich zu jedem, auch hochdotierten Halbleiter, einen geringen Widerstand aufweist. Dies ermöglicht die Verwendung von Schottky-Dioden zur Gleichrichtung erheblicher Ströme (mehrere zehn Ampere). Sie werden im Allgemeinen in Schaltsekundärteilen zur Gleichrichtung hochfrequenter Spannungen (bis zu mehreren MHz) eingesetzt.

Potapov L.A.