パワーダイオード

電子正孔化合物

ほとんどの半導体デバイスの動作原理は、電子 (n 型) と正孔 (p 型) という異なる種類の導電性を持つ半導体の 2 つの領域の境界で発生する現象とプロセスに基づいています。 n型領域では電荷の主なキャリアである電子が優勢ですが、p型領域では正電荷（ホール）になります。導電型の異なる 2 つの領域間の境界は、pn 接合と呼ばれます。

機能的には、ダイオード (図 1) は、片側導通の制御されていない電子スイッチと考えることができます。ダイオードに順方向電圧が印加されると、ダイオードは導通状態 (スイッチが閉じた状態) になります。

米。 1. ダイオードの従来のグラフィック表示

iF ダイオードを流れる電流は外部回路のパラメータによって決まり、半導体構造内の電圧降下はほとんど重要ではありません。逆電圧がダイオードに印加されると、ダイオードは非導通状態 (スイッチが開いた状態) になり、小さな電流が流れます。この場合のダイオード両端の電圧降下は、外部回路のパラメータによって決まります。

ダイオードの保護

ダイオードの電気的故障の最も一般的な原因は、オン時の順電流 diF / dt の高い上昇率、オフ時の過電圧、順電流の最大値の超過、許容できないほど高い逆電圧による構造の破壊です。

diF / dt の値が高いと、ダイオード構造内に不均一な電荷キャリア濃度が現れ、その結果、局所的な過熱が生じ、構造が損傷します。 diF / dt の値が高い主な理由は、 インダクタンス 順電圧源とオンダイオードを含む回路内。 diF / dt の値を下げるために、インダクタンスがダイオードと直列に接続され、電流の上昇率が制限されます。

回路がオフになったときにダイオードに印加される電圧の振幅の値を減らすために、直列接続された抵抗Rが使用され、 コンデンサ C は、ダイオードと並列に接続されたいわゆる RC 回路です。

緊急モードでダイオードを過電流から保護するために、高速電気ヒューズが使用されます。

パワーダイオードの主な種類

主なパラメータと目的に応じて、ダイオードは通常、汎用ダイオード、ファストリカバリダイオード、ショットキーダイオードの 3 つのグループに分類されます。

汎用ダイオード

このグループのダイオードは、高い値の逆電圧（50 Vから5 kV）と順電流（10 Aから5 kA）によって区別されます。ダイオードの巨大な半導体構造は、その性能を低下させます。したがって、ダイオードの逆回復時間は通常 25 ～ 100 μs の範囲にあり、1 kHz を超える周波数の回路での使用は制限されます。通常、これらは 50 (60) Hz の周波数の産業用ネットワークで動作します。このグループのダイオード間の連続電圧降下は 2.5 ～ 3 V です。

パワーダイオードはさまざまなパッケージで提供されます。最も広く普及しているのは、ピンとタブレットの 2 種類の実行です (図 2a、b)。

米。 2. ダイオード本体の構造: — ピン。 b — タブレット

ファストリカバリダイオード。このグループのダイオードの製造では、逆回復時間を短縮するためにさまざまな技術的方法が使用されています。特に金や白金の拡散法によるシリコンドーピングを用いることで、リカバリタイムを3～5μsまで短縮することが可能です。ただし、順電流と逆電圧の許容値は下がります。許容電流値は10A～1kA、逆電圧は50V～3kVです。最速のダイオードの逆回復時間は 0.1 ～ 0.5 μs です。このようなダイオードは、10 kHz 以上の周波数のパルス回路や高周波回路で使用されます。このグループのダイオードの設計は、汎用ダイオードの設計と似ています。

ダイオードショットキー

ショットキー ダイオードの動作原理は、金属と半導体材料の間の遷移領域の特性に基づいています。パワーダイオードの場合、n 型の空乏シリコン層が半導体として使用されます。この場合、金属側の遷移領域には負の電荷があり、半導体側には正の電荷が存在します。

ショットキー ダイオードの特徴は、順方向電流が主キャリアである電子のみの移動によるものであることです。少数キャリアの蓄積がないため、ショットキー ダイオードの慣性が大幅に減少します。通常、回復時間は 0.3 μs 以下で、順方向電圧降下は約 0.3 V です。これらのダイオードの逆電流値は、pn 接合ダイオードよりも 2 ～ 3 桁大きくなります。制限逆電圧は通常 100 V を超えません。高周波および低電圧パルス回路で使用されます。