Leistungsdioden

Elektronen-Loch-Verbindung

Das Funktionsprinzip der meisten Halbleiterbauelemente basiert auf Phänomenen und Prozessen, die an der Grenze zwischen zwei Bereichen eines Halbleiters mit unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit – Elektron (n-Typ) und Loch (p-Typ) – auftreten. Im n-Typ-Bereich überwiegen Elektronen, die die Hauptträger elektrischer Ladungen sind, im p-Bereich sind dies positive Ladungen (Löcher). Die Grenze zwischen zwei Bereichen unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps wird als pn-Übergang bezeichnet.

Funktionell kann die Diode (Abb. 1) als ungesteuerter elektronischer Schalter mit einseitiger Leitung betrachtet werden. Eine Diode befindet sich im leitenden Zustand (geschlossener Schalter), wenn an ihr eine Durchlassspannung anliegt.

Konventionelle grafische Darstellung der Diode

Reis. 1. Konventionelle grafische Bezeichnung der Diode

Der Strom durch die iF-Diode wird durch die Parameter des externen Stromkreises bestimmt und der Spannungsabfall in der Halbleiterstruktur spielt keine große Rolle. Wird an die Diode eine Sperrspannung angelegt, befindet sie sich im nichtleitenden Zustand (offener Schalter) und es fließt ein kleiner Strom durch sie. Der Spannungsabfall an der Diode wird in diesem Fall durch die Parameter des externen Stromkreises bestimmt.

Leistungsdioden

Schutz der Dioden

Die häufigsten Ursachen für elektrische Ausfälle einer Diode sind eine hohe Anstiegsgeschwindigkeit des Durchlassstroms diF/dt im eingeschalteten Zustand, eine Überspannung im ausgeschalteten Zustand, das Überschreiten des Maximalwerts des Durchlassstroms und die Zerstörung der Struktur mit einer unzulässig hohen Sperrspannung.

Bei hohen Werten von diF/dt kommt es zu einer ungleichmäßigen Ladungsträgerkonzentration in der Diodenstruktur und in der Folge zu einer lokalen Überhitzung mit anschließender Schädigung der Struktur. Der Hauptgrund für die hohen Werte von diF/dt ist die geringe Induktivität in einem Stromkreis, der eine Durchlassspannungsquelle und eine Ein-Diode enthält. Um die Werte von diF/dt zu reduzieren, wird eine Induktivität in Reihe mit der Diode geschaltet, die die Anstiegsgeschwindigkeit des Stroms begrenzt.

Um die Werte der Amplituden der an die Diode angelegten Spannungen beim Ausschalten des Stromkreises zu reduzieren, wird ein in Reihe geschalteter Widerstand R verwendet und Kondensator C ist die sogenannte RC-Schaltung, die parallel zur Diode geschaltet ist.

Um die Dioden im Notbetrieb vor Stromüberlastungen zu schützen, werden schnelle elektrische Sicherungen verwendet.

Die wichtigsten Arten von Leistungsdioden

Entsprechend den Hauptparametern und dem Zweck werden Dioden normalerweise in drei Gruppen eingeteilt: Allzweckdioden, Dioden mit schneller Wiederherstellung und Schottky-Dioden.

Allzweckdioden

Diese Diodengruppe zeichnet sich durch hohe Werte der Sperrspannung (von 50 V bis 5 kV) und des Durchlassstroms (von 10 A bis 5 kA) aus. Die massive Halbleiterstruktur von Dioden beeinträchtigt ihre Leistung. Daher liegt die Sperrverzögerungszeit von Dioden normalerweise im Bereich von 25–100 μs, was ihren Einsatz in Schaltkreisen mit Frequenzen über 1 kHz einschränkt.Sie arbeiten in der Regel in Industrienetzen mit einer Frequenz von 50 (60) Hz. Der Dauerspannungsabfall an den Dioden dieser Gruppe beträgt 2,5-3 V.

Leistungsdioden gibt es in verschiedenen Gehäusen. Am weitesten verbreitet sind zwei Ausführungsarten: eine Nadel und eine Tablette (Abb. 2 a, b).

Das Design der Diodenkörper: a - Stift; b - Tablette

Reis. 2. Aufbau der Diodenkörper: a – Stift; b – Tablette

Dioden mit schneller Wiederherstellung. Bei der Herstellung dieser Diodengruppe werden verschiedene technologische Methoden eingesetzt, um die Zeit der Sperrverzögerung zu verkürzen. Dabei kommt insbesondere eine Siliziumdotierung im Diffusionsverfahren von Gold oder Platin zum Einsatz, wodurch die Erholungszeit auf 3–5 μs reduziert werden kann. Allerdings verringern sich dadurch die zulässigen Werte von Vorwärtsstrom und Sperrspannung. Die zulässigen Stromwerte liegen zwischen 10 A und 1 kA, die Sperrspannung zwischen 50 V und 3 kV. Die schnellsten Dioden haben eine Sperrverzögerungszeit von 0,1–0,5 μs. Solche Dioden werden in Puls- und Hochfrequenzschaltungen mit Frequenzen von 10 kHz und höher eingesetzt. Der Aufbau der Dioden dieser Gruppe ähnelt dem der Allzweckdioden.

Leistungsdioden

Diode Schottky

Das Funktionsprinzip von Schottky-Dioden basiert auf den Eigenschaften des Übergangsbereichs zwischen Metall und Halbleitermaterial. Bei Leistungsdioden wird als Halbleiter eine Schicht aus n-Typ-verarmtem Silizium verwendet. Dabei liegt im Übergangsbereich auf der Metallseite eine negative Ladung und auf der Halbleiterseite eine positive Ladung vor.

Eine Besonderheit von Schottky-Dioden besteht darin, dass der Durchlassstrom nur auf die Bewegung der Hauptträger – der Elektronen – zurückzuführen ist. Die fehlende Ansammlung von Minoritätsträgern verringert die Trägheit von Schottky-Dioden erheblich.Die Erholzeit beträgt in der Regel nicht mehr als 0,3 μs, der Spannungsabfall in Vorwärtsrichtung beträgt etwa 0,3 V. Die Sperrstromwerte sind bei diesen Dioden um 2-3 Größenordnungen höher als bei Dioden mit p-n-Übergang. Die Grenzsperrspannung beträgt in der Regel nicht mehr als 100 V. Sie werden in Hochfrequenz- und Niederspannungsimpulsschaltungen eingesetzt.

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