整流ダイオード

ダイオード - 1 つの p-n 接合を備え、片側電流伝導を持つ 2 電極の半導体デバイス。ダイオードには、整流ダイオード、パルス ダイオード、トンネル ダイオード、リバース ダイオード、マイクロ波ダイオード、さらにはツェナー ダイオード、バリキャップ、フォトダイオード、LED など、さまざまな種類があります。

整流ダイオード

整流ダイオードの動作は、電気的な p - n 接合の特性によって説明されます。

2 つの半導体の境界付近には、(再結合により) 移動電荷キャリアがなく、高い電気抵抗を持つ層が形成されます。ブロッキング層。この層が接触電位差（電位障壁）を決定します。

外部電圧が p - n 接合に印加され、電気層の電界とは反対方向の電界が生成されると、この層の厚さは減少し、0.4 ～ 0.6 V の電圧でブロッキング層が減少します。が消え、電流が大幅に増加します（この電流を直流と呼びます）。

異なる極性の外部電圧が接続されると、ブロッキング層が増加し、p-n接合の抵抗が増加し、少数電荷キャリアの移動による電流は、比較的高い電圧でも無視できる程度になります。

ダイオードの順電流は主要な電荷キャリアによって生成され、逆電流は少数の電荷キャリアによって生成されます。ダイオードは、アノードからカソードの方向に正（順）電流を流します。

図では。図１は、従来のグラフィック表示（ＵＧＯ）および整流ダイオードの特性（それらの理想的および実際の電流－電圧特性）を示す。原点におけるダイオードの電流電圧特性 (CVC) の見かけ上の不連続性は、プロットの第 1 象限と第 3 象限での電流と電圧のスケールの違いに関連しています。 2 つのダイオード出力: UGO のアノード A とカソード K は指定されていないため、説明のために図に示しています。

実際のダイオードの電流-電圧特性は、逆電圧がわずかに増加すると電流が急激に増加する、絶縁破壊の領域を示します。

電気的損傷は回復可能です。作業領域に戻っても、ダイオードはその特性を失いません。逆電流が一定の値を超えると、電気的故障はデバイスの故障を伴う不可逆的な熱的故障になります。

米。 1. 半導体整流器: a — 従来のグラフ表現、b — 理想的な電流-電圧特性、c — 実際の電流-電圧特性

この業界では主にゲルマニウム (Ge) ダイオードとシリコン (Si) ダイオードが製造されています。

シリコン ダイオードは、逆電流が低く、動作温度が高く (150 ～ 200 °C 対 80 ～ 100 °C)、高い逆電圧と電流密度 (60 ～ 80 A/cm2 対 20 ～ 40 A/cm2) に耐えます。さらに、シリコンは一般的な元素です（希土類元素であるゲルマニウム ダイオードとは異なります）。

ゲルマニウムダイオードの利点は、直流電流が流れたときの電圧降下が低いことです（0.3〜0.6V対0.8〜1.2V）。リストされた半導体材料に加えて、ガリウムヒ素 GaAs もマイクロ波回路で使用されます。

製造技術に応じて、半導体ダイオードは点型と平面型の 2 つのクラスに分類されます。

ポイントダイオードは、面積0.5〜1.5mm2のn型SiまたはGeプレートと、接点でp-n接合を形成する鋼針を形成します。面積が小さいため、接合部の静電容量が小さいため、このようなダイオードは高周波回路で動作しますが、接合部を流れる電流は大きくできません (通常は 100 mA 以下)。

プレーナ ダイオードは、異なる導電率を持つ 2 つの接続された Si または Ge プレートで構成されます。接触面積が大きいため、接合容量が大きくなり、動作周波数が比較的低くなりますが、流れる電流は大きくなる可能性があります (最大 6000 A)。

整流ダイオードの主なパラメータは次のとおりです。

• 最大許容順電流 Ipr.max、

• 最大許容逆電圧 Urev.max、

• 最大許容周波数 fmax。

最初のパラメータに従って、整流ダイオードは次のダイオードに分割されます。

• 低電力、最大 300 mA の定電流、

• 平均電力、直流 300 mA ～ 10 A、

• ハイパワー - パワー、最大順電流はクラスによって決定され、10、16、25、40 - 1600 A です。

パルスダイオードは、印加電圧がパルス特性を持つ低電力回路で使用されます。それらの特徴的な要件は、閉状態から開状態へ、およびその逆の遷移時間が短いことです (通常の時間は 0.1 ～ 100 μs)。 UGO パルス ダイオードは整流ダイオードと同じです。

イチジク。 2. パルスダイオードの過渡プロセス: a — 電圧を正電圧から逆電圧に切り替えるときの電流の依存性、b — 電流パルスがダイオードを通過するときの電圧の依存性

パルスダイオードの特定のパラメータには次のものがあります。

• 回復時間

• これは、ダイオード電圧が順方向から逆方向に切り替わる瞬間と、逆電流が所定の値まで減少する瞬間の間の時間間隔です（図2、a）。

• セトリング時間 Tust は、ダイオードを流れる特定の値の直流電流の開始と、ダイオードの電圧が定常状態の値の 1.2 に達する瞬間との間の時間間隔です (図 2、b)。

• 最大回復電流 Iobr.imp.max. は、電圧を順方向から逆方向に切り替えた後のダイオードを流れる逆方向電流の最大値に等しい (図 2、a)。

p領域およびn領域の不純物濃度が従来の整流器よりも高い場合に得られる逆ダイオード。このようなダイオードは、逆接続時の順電流に対する抵抗が低く（図3）、直接接続時の抵抗は比較的高くなります。したがって、電圧振幅が数十ボルトの小さな信号の補正に使用されます。

米。 3. 逆ダイオードの UGO と VAC

金属半導体転移により得られるショットキーダイオード。この場合、同じ半導体の高抵抗の薄いエピタキシャル層を備えた低抵抗のnシリコン（または炭化ケイ素）基板が使用されます（図4）。

米。 4. UGO とショットキー ダイオードの構造: 1 — 低抵抗の初期シリコン結晶、2 — 高抵抗のシリコンのエピタキシャル層、3 — 空間電荷領域、4 — 金属コンタクト

金属電極がエピタキシャル層の表面に適用され、これにより整流が行われますが、少数キャリアがコア領域 (ほとんどの場合は金) に注入されません。したがって、これらのダイオードでは、ベースでの少数キャリアの蓄積や再吸収などの遅いプロセスは発生しません。したがって、ショットキー ダイオードの慣性は大きくありません。整流器接点のバリア容量の値 (1 ～ 20 pF) によって決まります。

さらに、ショットキー ダイオードの直列抵抗は、整流ダイオードの直列抵抗よりも大幅に低くなります。これは、金属層の抵抗が、たとえ高濃度にドープされた半導体と比較しても低いためです。これにより、ショットキー ダイオードを使用して大量の電流 (数十アンペア) を整流できるようになります。これらは一般に、高周波電圧 (最大数 MHz) を整流するために二次側のスイッチングに使用されます。

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