Dioda penyearah

Dioda - perangkat semikonduktor dua elektroda dengan satu persimpangan p-n, yang memiliki konduksi arus satu sisi. Ada banyak jenis dioda — penyearah, pulsa, terowongan, mundur, dioda gelombang mikro, serta dioda zener, varicaps, fotodioda, LED, dan banyak lagi.

Dioda penyearah

Pengoperasian dioda penyearah dijelaskan oleh sifat-sifat persimpangan p-n listrik.

Di dekat perbatasan dua semikonduktor, sebuah lapisan terbentuk yang tidak memiliki pembawa muatan bergerak (karena rekombinasi) dan memiliki hambatan listrik yang tinggi - yang disebut Lapisan pemblokiran. Lapisan ini menentukan beda potensial kontak (potensial barrier).

Jika tegangan eksternal diterapkan ke sambungan p-n, menciptakan medan listrik dengan arah yang berlawanan dengan medan lapisan listrik, maka ketebalan lapisan ini akan berkurang dan pada tegangan 0,4-0,6 V lapisan pemblokiran akan menghilang dan arus akan meningkat secara signifikan (arus ini disebut arus searah).

Ketika tegangan eksternal dengan polaritas berbeda dihubungkan, lapisan pemblokiran akan meningkat dan resistansi sambungan p-n akan meningkat, dan arus akibat pergerakan pembawa muatan minoritas akan diabaikan bahkan pada tegangan yang relatif tinggi.

Arus maju dioda dibuat oleh pembawa muatan utama dan arus balik oleh pembawa muatan minoritas. Dioda melewatkan arus positif (maju) dalam arah dari anoda ke katoda.

Dalam gambar. 1 menunjukkan penandaan grafis konvensional (UGO) dan karakteristik dioda penyearah (karakteristik tegangan arus ideal dan aktualnya). Diskontinuitas yang tampak dari karakteristik tegangan-arus dioda (CVC) pada titik asal dikaitkan dengan skala arus dan tegangan yang berbeda di kuadran pertama dan ketiga dari plot. Dua keluaran dioda: anoda A dan katoda K dalam UGO tidak ditentukan dan ditunjukkan pada gambar untuk penjelasan.

Karakteristik arus-tegangan dari dioda nyata menunjukkan wilayah gangguan listrik, ketika untuk peningkatan kecil pada tegangan balik, arus meningkat tajam.

Kerusakan listrik bersifat reversibel. Saat kembali ke area kerja, dioda tidak kehilangan propertinya. Jika arus balik melebihi nilai tertentu, maka kegagalan listrik akan menjadi termal yang tidak dapat diubah dengan kegagalan perangkat.

Beras. 1. Penyearah semikonduktor: a — representasi grafis konvensional, b — karakteristik tegangan arus ideal, c — karakteristik tegangan arus nyata

Industri ini terutama memproduksi dioda germanium (Ge) dan silikon (Si).

Dioda silikon memiliki arus balik yang rendah, suhu operasi yang lebih tinggi (150 — 200 ° C vs. 80 — 100 ° C), menahan tegangan balik yang tinggi dan kepadatan arus (60 — 80 A / cm2 vs. 20 — 40 A / cm2) . Selain itu, silikon adalah unsur yang umum (tidak seperti dioda germanium, yang merupakan unsur tanah jarang).

Keuntungan dioda germanium termasuk penurunan tegangan rendah ketika arus searah mengalir (0,3 — 0,6 V vs. 0,8 — 1,2 V). Selain bahan semikonduktor yang terdaftar, gallium arsenide GaAs digunakan dalam rangkaian gelombang mikro.

Menurut teknologi produksi, dioda semikonduktor dibagi menjadi dua kelas: titik dan planar.

Dioda titik membentuk pelat Si atau Ge tipe-n dengan luas 0,5 — 1,5 mm2 dan jarum baja membentuk sambungan p — n pada titik kontak. Sebagai hasil dari area kecil, sambungan memiliki kapasitansi rendah, oleh karena itu dioda seperti itu dapat bekerja di sirkuit frekuensi tinggi, tetapi arus yang melalui sambungan tidak boleh besar (biasanya tidak lebih dari 100 mA).

Dioda planar terdiri dari dua pelat Si atau Ge yang terhubung dengan konduktivitas listrik yang berbeda. Area kontak yang besar menghasilkan kapasitansi persimpangan yang besar dan frekuensi operasi yang relatif rendah, tetapi arus yang mengalir bisa besar (hingga 6000 A).

Parameter utama dioda penyearah adalah:

• Ipr.max arus maju maksimum yang diijinkan,

• tegangan balik maksimum yang diijinkan Urev.max,

• fmax frekuensi maksimum yang diizinkan.

Menurut parameter pertama, dioda penyearah dibagi menjadi dioda:

• daya rendah, arus konstan hingga 300 mA,

• daya rata-rata, arus searah 300 mA — 10 A,

• daya tinggi — daya, arus maju maksimum ditentukan oleh kelas dan 10, 16, 25, 40 — 1600 A.

Dioda pulsa digunakan dalam rangkaian daya rendah dengan karakter pulsa dari tegangan yang diberikan. Persyaratan khusus untuk mereka adalah waktu transisi yang singkat dari keadaan tertutup ke keadaan terbuka dan sebaliknya (waktu tipikal 0,1 — 100 μs). Dioda pulsa UGO sama dengan dioda penyearah.

Ara. 2. Proses transien dalam dioda pulsa: a - ketergantungan arus saat mengalihkan tegangan dari langsung ke mundur, b - ketergantungan tegangan saat pulsa arus melewati dioda

Parameter spesifik dioda pulsa meliputi:

• waktu pemulihan Tvosst

• ini adalah interval waktu antara saat tegangan dioda beralih dari maju ke mundur dan saat arus balik berkurang ke nilai yang diberikan (Gbr. 2, a),

• waktu penyelesaian Tust adalah interval waktu antara awal arus searah dari nilai yang diberikan melalui dioda dan momen ketika tegangan pada dioda mencapai 1,2 dari nilai dalam kondisi stabil (Gambar 2, b),

• arus pemulihan maksimum Iobr.imp.max., sama dengan nilai terbesar arus balik melalui dioda setelah mengalihkan tegangan dari maju ke mundur (Gbr. 2, a).

Dioda terbalik diperoleh ketika konsentrasi pengotor di daerah p dan n lebih besar daripada penyearah konvensional. Dioda semacam itu memiliki resistansi rendah terhadap arus maju selama koneksi balik (Gbr. 3) dan resistansi yang relatif tinggi selama koneksi langsung. Oleh karena itu, mereka digunakan dalam koreksi sinyal kecil dengan amplitudo tegangan beberapa persepuluh volt.

Beras. 3. UGO dan VAC dioda terbalik

Dioda Schottky diperoleh dengan transisi logam-semikonduktor.Dalam hal ini, substrat n-silikon (atau silikon karbida) resistansi rendah dengan lapisan epitaxial tipis resistansi tinggi dari semikonduktor yang sama digunakan (Gbr. 4).

Beras. 4. UGO dan struktur dioda Schottky: 1 — kristal silikon awal dengan resistansi rendah, 2 — lapisan epitaxial silikon dengan resistansi tinggi, 3 — wilayah muatan ruang, 4 — kontak logam

Sebuah elektroda logam diterapkan pada permukaan lapisan epitaxial, yang memberikan rektifikasi tetapi tidak menyuntikkan pembawa minoritas ke wilayah inti (paling sering emas). Oleh karena itu, dioda ini tidak ada proses lambat seperti akumulasi dan resorpsi pembawa minoritas di pangkalan. Oleh karena itu, inersia dioda Schottky tidak tinggi. Ini ditentukan oleh nilai kapasitansi penghalang dari kontak penyearah (1-20 pF).

Selain itu, resistansi seri dioda Schottky secara signifikan lebih rendah daripada dioda penyearah karena lapisan logam memiliki resistansi rendah dibandingkan dengan semikonduktor apa pun, bahkan dengan doping tinggi. Ini memungkinkan penggunaan dioda Schottky untuk memperbaiki arus yang signifikan (puluhan ampere). Mereka umumnya digunakan dalam beralih sekunder untuk memperbaiki tegangan frekuensi tinggi (hingga beberapa MHz).

Potapov L.A.