Diodos rectificadores

Diodo: un dispositivo semiconductor de dos electrodos con una unión p-n, que tiene una conducción de corriente unilateral. Hay muchos tipos diferentes de diodos: diodos rectificadores, de pulso, de túnel, inversos, de microondas, así como diodos zener, varicaps, fotodiodos, LED y más.

Diodos rectificadores

El funcionamiento del diodo rectificador se explica por las propiedades de la unión eléctrica p — n.

Cerca del borde de dos semiconductores, se forma una capa que carece de portadores de carga móviles (debido a la recombinación) y tiene una alta resistencia eléctrica, la llamada Capa de bloqueo. Esta capa determina la diferencia de potencial de contacto (barrera de potencial).

Si se aplica un voltaje externo a la unión p — n, creando un campo eléctrico en la dirección opuesta al campo de la capa eléctrica, entonces el grosor de esta capa disminuirá y con un voltaje de 0,4 — 0,6 V, la capa de bloqueo se reducirá. desaparecerá y la corriente aumentará significativamente (esta corriente se llama corriente continua).

Cuando se conecta un voltaje externo de diferente polaridad, la capa de bloqueo aumentará y la resistencia de la unión p — n aumentará, y la corriente debida al movimiento de los portadores de carga minoritarios será insignificante incluso a voltajes relativamente altos.

La corriente directa del diodo es creada por los portadores de carga principales y la corriente inversa por los portadores de carga minoritarios. Un diodo pasa corriente positiva (directa) en la dirección del ánodo al cátodo.

En la Fig. 1 muestra la designación gráfica convencional (UGO) y las características de los diodos rectificadores (sus características de corriente-voltaje ideales y reales). La aparente discontinuidad de la característica corriente-voltaje (CVC) del diodo en el origen está asociada con diferentes escalas de corriente y voltaje en el primer y tercer cuadrante de la gráfica. Dos salidas de diodo: ánodo A y cátodo K en UGO no se especifican y se muestran en la figura para su explicación.

La característica corriente-voltaje de un diodo real muestra la región de ruptura eléctrica, cuando para un pequeño aumento en el voltaje inverso la corriente aumenta bruscamente.

El daño eléctrico es reversible. Al regresar al área de trabajo, el diodo no pierde sus propiedades. Si la corriente inversa supera un cierto valor, entonces la falla eléctrica se volverá térmica irreversible con la falla del dispositivo.

Arroz. 1. Rectificador de semiconductores: a — representación gráfica convencional, b — característica ideal de corriente-voltaje, c — característica real de corriente-voltaje

La industria produce principalmente diodos de germanio (Ge) y silicio (Si).

Los diodos de silicio tienen corrientes inversas bajas, temperatura de funcionamiento más alta (150 - 200 ° C frente a 80 - 100 ° C), soportan voltajes inversos altos y densidades de corriente (60 - 80 A / cm2 frente a 20 - 40 A / cm2) . Además, el silicio es un elemento común (a diferencia de los diodos de germanio, que es un elemento de tierras raras).

Las ventajas de los diodos de germanio incluyen una baja caída de voltaje cuando fluye una corriente continua (0,3 - 0,6 V frente a 0,8 - 1,2 V). Además de los materiales semiconductores enumerados, el GaAs de arseniuro de galio se utiliza en circuitos de microondas.

Según la tecnología de producción, los diodos semiconductores se dividen en dos clases: puntuales y planos.

Los diodos puntuales forman una placa de Si o Ge de tipo n con un área de 0,5 - 1,5 mm2 y una aguja de acero que forma una unión p - n en el punto de contacto. Como resultado del área pequeña, la unión tiene una capacitancia baja, por lo tanto, dicho diodo puede funcionar en circuitos de alta frecuencia, pero la corriente a través de la unión no puede ser grande (generalmente no más de 100 mA).

Un diodo plano consta de dos placas conectadas de Si o Ge con diferentes conductividades eléctricas. El área de contacto grande da como resultado una capacitancia de unión grande y una frecuencia de operación relativamente baja, pero el flujo de corriente puede ser grande (hasta 6000 A).

Los principales parámetros de los diodos rectificadores son:

• corriente directa máxima permitida Ipr.max,

• voltaje inverso máximo permitido Urev.max,

• frecuencia máxima admisible fmáx.

Según el primer parámetro, los diodos rectificadores se dividen en diodos:

• baja potencia, corriente constante hasta 300 mA,

• potencia media, corriente continua 300 mA — 10 A,

• alta potencia — potencia, la corriente directa máxima está determinada por la clase y es 10, 16, 25, 40 — 1600 A.

Los diodos de pulso se utilizan en circuitos de baja potencia con un carácter de pulso del voltaje aplicado. Un requisito distintivo para ellos es el breve tiempo de transición del estado cerrado al estado abierto y viceversa (tiempo típico 0,1 - 100 μs). Los diodos de pulso UGO son los mismos que los diodos rectificadores.

Higo. 2. Procesos transitorios en diodos de pulso: a — la dependencia de la corriente cuando se cambia el voltaje de directo a inverso, b — la dependencia del voltaje cuando un pulso de corriente pasa a través del diodo

Los parámetros específicos de los diodos de pulso incluyen:

• tiempo de recuperación Tvosst

• este es el intervalo de tiempo entre el momento en que el voltaje del diodo cambia de directo a inverso y el momento en que la corriente inversa disminuye a un valor dado (Fig. 2, a),

• el tiempo de establecimiento Tust es el intervalo de tiempo entre el comienzo de la corriente continua de un valor dado a través del diodo y el momento en que el voltaje en el diodo alcanza 1.2 del valor en el estado estable (Figura 2, b),

• la corriente de recuperación máxima Iobr.imp.max., igual al mayor valor de la corriente inversa a través del diodo después de cambiar el voltaje de directa a inversa (Fig. 2, a).

Diodos invertidos obtenidos cuando la concentración de impurezas en las regiones p y n es mayor que la de los rectificadores convencionales. Tal diodo tiene una baja resistencia a la corriente directa durante la conexión inversa (Fig. 3) y una resistencia relativamente alta durante la conexión directa. Por lo tanto, se utilizan en la corrección de pequeñas señales con una amplitud de voltaje de varias décimas de voltio.

Arroz. 3. UGO y VAC de diodos invertidos

Diodos Schottky obtenidos por transición metal-semiconductor.En este caso, se utilizan sustratos de n-silicio (o carburo de silicio) de baja resistencia con una capa epitaxial delgada de alta resistencia del mismo semiconductor (Fig. 4).

Arroz. 4. UGO y la estructura del diodo Schottky: 1 — cristal de silicio inicial con baja resistencia, 2 — capa epitaxial de silicio con alta resistencia, 3 — región de carga espacial, 4 — contacto metálico

Se aplica un electrodo de metal a la superficie de la capa epitaxial, que proporciona rectificación pero no inyecta portadores minoritarios en la región del núcleo (más a menudo oro). Por lo tanto, en estos diodos no existen procesos tan lentos como la acumulación y reabsorción de portadores minoritarios en la base. Por lo tanto, la inercia de los diodos Schottky no es alta. Está determinado por el valor de la capacidad de barrera del contacto del rectificador (1 — 20 pF).

Además, la resistencia en serie de los diodos Schottky es significativamente menor que la de los diodos rectificadores porque la capa de metal tiene una resistencia baja en comparación con cualquier semiconductor, incluso altamente dopado. Esto permite el uso de diodos Schottky para rectificar corrientes significativas (decenas de amperios). Generalmente se utilizan en la conmutación de secundarios para rectificar tensiones de alta frecuencia (hasta varios MHz).

Potapov LA