Diodos retificadores

Diodo - um dispositivo semicondutor de dois eletrodos com uma junção p-n, que possui condução de corrente unilateral. Existem muitos tipos diferentes de diodos - retificador, pulso, túnel, reverso, diodos de microondas, bem como diodos zener, varicaps, fotodiodos, LEDs e muito mais.

Diodos retificadores

A operação do diodo retificador é explicada pelas propriedades da junção elétrica p — n.

Perto da borda de dois semicondutores, forma-se uma camada desprovida de portadores de carga móveis (devido à recombinação) e com alta resistência elétrica - a chamada Camada de bloqueio. Esta camada determina a diferença de potencial de contato (barreira de potencial).

Se uma tensão externa for aplicada à junção p - n, criando um campo elétrico na direção oposta ao campo da camada elétrica, a espessura dessa camada diminuirá e a uma tensão de 0,4 - 0,6 V a camada de bloqueio será desaparecerá e a corrente aumentará significativamente (essa corrente é chamada de corrente contínua).

Quando uma tensão externa de polaridade diferente é conectada, a camada de bloqueio aumentará e a resistência da junção p - n aumentará, e a corrente devido ao movimento de portadores de carga minoritários será insignificante mesmo em tensões relativamente altas.

A corrente direta do diodo é criada pelos portadores de carga principais e a corrente reversa pelos portadores de carga minoritários. Um diodo passa corrente positiva (para frente) na direção do ânodo para o cátodo.

Na fig. 1 mostra a designação gráfica convencional (UGO) e as características dos diodos retificadores (suas características de corrente-tensão ideais e reais). A aparente descontinuidade da característica corrente-tensão do diodo (CVC) na origem está associada a diferentes escalas de corrente e tensão no primeiro e terceiro quadrantes do gráfico. Duas saídas de diodo: ânodo A e cátodo K em UGO não são especificadas e são mostradas na figura para explicação.

A característica corrente-tensão de um diodo real mostra a região de ruptura elétrica, quando para um pequeno aumento na tensão reversa a corrente aumenta acentuadamente.

Danos elétricos são reversíveis. Ao retornar à área de trabalho, o diodo não perde suas propriedades. Se a corrente reversa exceder um determinado valor, a falha elétrica se tornará térmica irreversível com a falha do dispositivo.

Arroz. 1. Retificador de semicondutor: a — representação gráfica convencional, b — característica corrente-tensão ideal, c — característica corrente-tensão real

A indústria produz principalmente diodos de germânio (Ge) e silício (Si).

Os diodos de silício têm baixas correntes reversas, temperatura operacional mais alta (150 — 200 ° C vs. 80 — 100 ° C), suportam altas tensões reversas e densidades de corrente (60 — 80 A / cm2 vs. 20 — 40 A / cm2) . Além disso, o silício é um elemento comum (ao contrário dos diodos de germânio, que é um elemento de terras raras).

As vantagens dos diodos de germânio incluem uma baixa queda de tensão quando uma corrente contínua flui (0,3 — 0,6 V vs. 0,8 — 1,2 V). Além dos materiais semicondutores listados, o arseneto de gálio GaAs é usado em circuitos de micro-ondas.

De acordo com a tecnologia de produção, os diodos semicondutores são divididos em duas classes: pontuais e planares.

Os diodos pontuais formam uma placa de Si ou Ge do tipo n com uma área de 0,5 — 1,5 mm2 e uma agulha de aço formando uma junção p — n no ponto de contato. Como resultado da pequena área, a junção tem uma capacitância baixa, portanto, esse diodo pode funcionar em circuitos de alta frequência... Mas a corrente através da junção não pode ser grande (geralmente não mais que 100 mA).

Um diodo planar consiste em duas placas de Si ou Ge conectadas com diferentes condutividades elétricas. A grande área de contato resulta em uma grande capacitância de junção e uma frequência operacional relativamente baixa, mas o fluxo de corrente pode ser grande (até 6.000 A).

Os principais parâmetros dos diodos retificadores são:

• corrente direta máxima permitida Ipr.max,

• tensão reversa máxima permitida Urev.max,

• frequência máxima permitida fmax.

De acordo com o primeiro parâmetro, os diodos retificadores são divididos em diodos:

• baixa potência, corrente constante até 300 mA,

• potência média, corrente contínua 300 mA — 10 A,

• alta potência — potência, a corrente direta máxima é determinada pela classe e é 10, 16, 25, 40 — 1600 A.

Os diodos de pulso são usados ​​em circuitos de baixa potência com um caráter de pulso da tensão aplicada. Um requisito distintivo para eles é o curto tempo de transição do estado fechado para o estado aberto e vice-versa (tempo típico 0,1 - 100 μs). Os diodos de pulso UGO são iguais aos diodos retificadores.

Figo. 2. Processos transitórios em diodos de pulso: a - a dependência da corrente ao alternar a tensão de direta para reversa, b - a dependência da tensão quando um pulso de corrente passa pelo diodo

Parâmetros específicos de diodos de pulso incluem:

• tempo de recuperação Tvosst

• este é o intervalo de tempo entre o momento em que a tensão do diodo muda de direto para reverso e o momento em que a corrente reversa diminui para um determinado valor (Fig. 2, a),

• o tempo de acomodação Tust é o intervalo de tempo entre o início da corrente contínua de um determinado valor através do diodo e o momento em que a tensão no diodo atinge 1,2 do valor no estado estacionário (Figura 2, b),

• a corrente máxima de recuperação Iobr.imp.max., igual ao maior valor da corrente reversa através do diodo após mudar a tensão de direto para reverso (Fig. 2, a).

Diodos invertidos obtidos quando a concentração de impurezas nas regiões p e n é maior que a dos retificadores convencionais. Esse diodo tem uma baixa resistência à corrente direta durante a conexão reversa (Fig. 3) e uma resistência relativamente alta durante a conexão direta. Portanto, eles são usados ​​na correção de pequenos sinais com amplitude de tensão de vários décimos de volt.

Arroz. 3. UGO e VAC de diodos invertidos

Diodos Schottky obtidos por transição metal-semicondutor.Neste caso, substratos de n-silício (ou carboneto de silício) de baixa resistência com uma fina camada epitaxial de alta resistência do mesmo semicondutor são usados ​​(Fig. 4).

Arroz. 4. UGO e a estrutura do diodo Schottky: 1 — cristal de silício inicial com baixa resistência, 2 — camada epitaxial de silício com alta resistência, 3 — região de carga espacial, 4 — contato metálico

Um eletrodo de metal é aplicado à superfície da camada epitaxial, o que fornece retificação, mas não injeta portadores minoritários na região do núcleo (na maioria das vezes ouro). Portanto, nesses diodos não há processos lentos como acúmulo e reabsorção de portadores minoritários na base. Portanto, a inércia dos diodos Schottky não é alta. É determinado pelo valor da capacitância de barreira do contato do retificador (1 — 20 pF).

Além disso, a resistência em série dos diodos Schottky é significativamente menor do que a dos diodos retificadores porque a camada de metal tem uma baixa resistência em comparação com qualquer semicondutor, mesmo altamente dopado. Isso permite o uso de diodos Schottky para retificar correntes significativas (dezenas de amperes). Eles são geralmente usados ​​em secundários de comutação para retificar tensões de alta frequência (até vários MHz).

Potapov LA