Điốt chỉnh lưu
Điốt - một thiết bị bán dẫn hai điện cực với một điểm nối pn, có sự dẫn điện một chiều. Có nhiều loại điốt khác nhau—điốt chỉnh lưu, xung, đường hầm, đảo ngược, điốt vi sóng, cũng như điốt zener, varicaps, điốt quang, đèn LED, v.v.
Điốt chỉnh lưu
Hoạt động của diode chỉnh lưu được giải thích bằng các thuộc tính của đường giao nhau điện p - n.
Gần ranh giới của hai chất bán dẫn, một lớp được hình thành không có hạt mang điện di động (do tái hợp) và có điện trở cao - cái gọi là Lớp chặn Lớp này xác định sự khác biệt tiềm năng tiếp xúc (hàng rào tiềm năng).
Nếu đặt một hiệu điện thế ngoài vào tiếp giáp p - n, tạo ra một điện trường ngược chiều với chiều của lớp điện, thì độ dày của lớp này sẽ giảm và ở hiệu điện thế 0,4 - 0,6 V, lớp chặn sẽ biến mất và dòng điện sẽ tăng lên đáng kể (dòng điện này được gọi là dòng điện một chiều).
Khi một điện áp bên ngoài có cực tính khác nhau được kết nối, lớp chặn sẽ tăng lên và điện trở của tiếp giáp p - n sẽ tăng lên và dòng điện do chuyển động của các hạt mang điện thiểu số sẽ không đáng kể ngay cả ở điện áp tương đối cao.
Dòng điện thuận của diode được tạo ra bởi các hạt mang điện chính và dòng điện ngược bởi các hạt mang điện thiểu số. Một diode truyền dòng điện dương (thuận) theo hướng từ cực dương sang cực âm.
Trong bộ lễ phục. Hình 1 cho thấy ký hiệu đồ họa thông thường (UGO) và các đặc tính của điốt chỉnh lưu (đặc tính dòng điện-điện áp thực tế và lý tưởng của chúng). Sự không liên tục rõ ràng của đặc tính điện áp dòng điện diode (CVC) tại điểm gốc có liên quan đến các thang đo dòng điện và điện áp khác nhau trong góc phần tư thứ nhất và thứ ba của biểu đồ. Hai đầu ra diode: cực dương A và cực âm K trong UGO không được chỉ định và được hiển thị trong hình để giải thích.
Đặc tính điện áp dòng điện của một diode thực cho thấy vùng đánh thủng điện, khi điện áp ngược tăng một chút thì dòng điện tăng mạnh.
Thiệt hại điện là đảo ngược. Khi trở lại khu vực làm việc, diode không bị mất các đặc tính của nó. Nếu dòng điện ngược vượt quá một giá trị nhất định, thì sự cố về điện sẽ trở thành nhiệt không thể đảo ngược cùng với sự cố của thiết bị.
Cơm. 1. Bộ chỉnh lưu bán dẫn: a — biểu diễn đồ thị thông thường, b — đặc tính dòng điện-điện áp lý tưởng, c — đặc tính dòng điện-điện áp thực
Ngành công nghiệp này chủ yếu sản xuất điốt germanium (Ge) và silicon (Si).
Điốt silicon có dòng điện ngược thấp, nhiệt độ hoạt động cao hơn (150 — 200 ° C so với 80 — 100 ° C), chịu được điện áp ngược và mật độ dòng điện cao (60 — 80 A / cm2 so với 20 — 40 A / cm2) . Ngoài ra, silicon là một nguyên tố phổ biến (không giống như điốt germanium, là một nguyên tố đất hiếm).
Ưu điểm của điốt gecmani bao gồm giảm điện áp thấp khi dòng điện một chiều chạy qua (0,3 — 0,6 V so với 0,8 — 1,2 V). Ngoài các vật liệu bán dẫn được liệt kê, gallium arsenide GaAs được sử dụng trong các mạch vi sóng.
Theo công nghệ sản xuất, điốt bán dẫn được chia thành hai loại: điểm và phẳng.
Điốt điểm tạo thành một tấm Si hoặc Ge loại n có diện tích 0,5—1,5 mm2 và một kim thép tạo thành mối nối p—n tại điểm tiếp xúc. Do diện tích nhỏ, mối nối có điện dung thấp nên diode như vậy có thể hoạt động ở mạch tần số cao, nhưng dòng điện qua mối nối không được lớn (thường không quá 100 mA).
Một diode phẳng bao gồm hai tấm Si hoặc Ge được kết nối với độ dẫn điện khác nhau. Diện tích tiếp xúc lớn dẫn đến điện dung mối nối lớn và tần số hoạt động tương đối thấp, nhưng dòng điện chạy qua có thể lớn (lên đến 6000 A).
Các thông số chính của điốt chỉnh lưu là:
- Ipr.max hiện tại chuyển tiếp tối đa cho phép,
- điện áp ngược tối đa cho phép Urev.max,
- tần số tối đa cho phép fmax.
Theo tham số đầu tiên, điốt chỉnh lưu được chia thành các điốt:
- công suất thấp, dòng điện không đổi lên đến 300 mA,
- công suất trung bình, dòng điện một chiều 300 mA — 10 A,
- công suất cao - công suất, dòng chuyển tiếp tối đa được xác định bởi loại và là 10, 16, 25, 40 - 1600 A.
Điốt xung được sử dụng trong các mạch công suất thấp có đặc tính xung của điện áp đặt vào. Một yêu cầu đặc biệt đối với chúng là thời gian chuyển đổi ngắn từ trạng thái đóng sang trạng thái mở và ngược lại (thời gian điển hình 0,1 — 100 μs). Điốt xung UGO cũng giống như điốt chỉnh lưu.
Quả sung. 2. Các quá trình quá độ trong điốt xung: a — sự phụ thuộc của dòng điện khi chuyển đổi điện áp từ một chiều sang ngược lại, b — sự phụ thuộc của điện áp khi một xung dòng điện đi qua diode
Các thông số cụ thể của diode xung bao gồm:
- thời gian phục hồi Tvosst
- đây là khoảng thời gian giữa thời điểm điện áp diode chuyển từ thuận sang ngược và thời điểm dòng điện ngược giảm xuống một giá trị nhất định (Hình 2, a),
- thời gian ổn định Tust là khoảng thời gian giữa thời điểm bắt đầu dòng điện trực tiếp của một giá trị nhất định đi qua diode và thời điểm khi điện áp trên diode đạt 1,2 giá trị ở trạng thái ổn định (Hình 2, b),
- dòng điện phục hồi tối đa Iobr.imp.max., bằng giá trị lớn nhất của dòng điện ngược qua diode sau khi chuyển điện áp từ thuận sang ngược (Hình 2, a).
Điốt ngược thu được khi nồng độ tạp chất trong vùng p và n lớn hơn so với các bộ chỉnh lưu thông thường. Một đi-ốt như vậy có điện trở thấp đối với dòng thuận trong quá trình kết nối ngược (Hình 3) và điện trở tương đối cao trong quá trình kết nối trực tiếp. Do đó, chúng được sử dụng để hiệu chỉnh các tín hiệu nhỏ có biên độ điện áp vài phần mười vôn.
Cơm. 3. UGO và VAC của điốt ngược
Điốt Schottky thu được bằng quá trình chuyển đổi bán dẫn kim loại.Trong trường hợp này, chất nền n-silicon (hoặc silicon carbide) có điện trở thấp với lớp epitaxy mỏng có điện trở cao của cùng chất bán dẫn được sử dụng (Hình 4).
Cơm. 4. UGO và cấu trúc của diode Schottky: 1 — tinh thể silicon ban đầu có điện trở thấp, 2 — lớp silicon epitaxy có điện trở cao, 3 — vùng điện tích không gian, 4 — tiếp xúc kim loại
Một điện cực kim loại được áp dụng cho bề mặt của lớp epitaxy, cung cấp khả năng chỉnh lưu nhưng không đưa các chất mang thiểu số vào vùng lõi (thường là vàng). Do đó, trong các điốt này không có quá trình chậm như tích lũy và tái hấp thu các chất mang thiểu số trong cơ sở. Do đó, quán tính của điốt Schottky không cao. Nó được xác định bởi giá trị của điện dung rào cản của tiếp điểm chỉnh lưu (1 — 20 pF).
Ngoài ra, điện trở nối tiếp của điốt Schottky thấp hơn đáng kể so với điốt chỉnh lưu vì lớp kim loại có điện trở thấp so với bất kỳ chất bán dẫn nào, thậm chí có độ pha tạp cao. Điều này cho phép sử dụng điốt Schottky để chỉnh lưu dòng điện đáng kể (hàng chục ampe). Chúng thường được sử dụng trong chuyển mạch thứ cấp để chỉnh lưu điện áp tần số cao (lên đến vài MHz).
Potapov L.A.