Силовые диоды

Силовые диоды (варикапы) являются полупроводниковыми приборами, функционирующими за счет использования одного стандартного p-n-перехода. Данные элементы бывают различных видов, в зависимости от того, в какой сфере они используются. Также они различаются своими характеристиками. Такие диоды еще называются выпрямительными, а их функция – преобразовывать переменный ток в однополярный. С этой целью варикап включают последовательно в цепь источника переменного тока и нагрузки. Ниже рассмотрим, что собой представляет данный прибор, и каковы его особенности.

Что это такое

Как классифицируются

Учитывая максимальный уровень прямого тока, диоды выпрямительного типа бывают:

• маломощные – актуальны для выпрямления прямого тока до 300 mA;
• средней мощности – 300 mA-10 A;
• выпрямительные диоды большой мощности – больше 10 А.

При их изготовлении используется кремний или германий, однако, наиболее распространены кремниевые элементы, обладающие лучшими физическими свойствами. Их обратные токи в разы меньше, если сравнивать с германиевыми, при этом напряжение то же. Благодаря этой характеристике, в полупроводниках можно добиться высокой величины допустимого обратного напряжения – до 1500 В. Что касается германиевых диодов, здесь данный показатель варьируется от 100 до 400 В.

Также следует обратить внимание на сохранение функциональности при температурных нагрузках:

• Кремниевые – сохраняют свои свойства при температуре от -60 до +150 градусов Цельсия;
• Германиевые – от -60 до +85 градусов.

Обуславливается это тем, что когда уровень нагрева превышает +85 градусов, образуются электронно-дырочные пары, увеличивающие обратный ток, из-за чего работа диода становится менее эффективной.

Выпрямительными диодами называют полупроводниковые кристаллы, имеющие вид пластины. В их теле находятся две области с разной проводимостью. Именно по этой причине данные приборы носят название плоскостных. Процесс их производства выглядит следующим образом: сверху кристалла с n-проводимостью расплавляют алюминий, индий и бор, а на p-типе –фосфор. Под влиянием высокой температуры элементы плотно сплавляются друг с другом. Также следует заметить, что атомы данных материалов диффундируют в сам кристалл, из-за чего в нем появляется проводимость электронного или дырочного типа. Как результат, создается полупроводниковое устройство с двумя разными областями и отличающейся электропроводностью. Многие плоскостные мощные диоды, изготовленные из германия или кремния, функционируют именно по этому принципу.

Выделяют следующие виды силовых диодов:

• Импульсные;
• Обращенные;
• Диоды Шоттки.

Прибор Шоттки

Импульсными – оборудуются, как правило, схемы невысокой мощности, к которым напряжение подводится импульсно. К ним предъявляется одно требование – из одного состояния в другое они должны переходить за короткий промежуток времени. Импульсные диоды имеют следующие особенности:

• Время восстановления – время, за которое переключается напряжение на варикапе с прямого на обратное, и момент, когда ток уменьшается до определенного значения;
• Время установления – интервал, когда прямой ток начинает протекать через прибор до определенной величины до момента установления выбранного напряжения;
• Максимальный ток восстановления – обратный ток, прошедший через диод после переключения.

Отличительная черта обращенных диодов в том, что они в p-n-областях характеризуются большой концентрацией примесей. Обратное включение характеризуется малым сопротивлением, прямое – большим. Исходя из этого, они актуальны там, где требуется выпрямление малых сигналов, амплитуда которых не превышает нескольких десятков вольт.

Преимущество диодов Шоттки сводится к переходу металл-полупроводник. Производятся с использованием низкоомных n-кремниевых подложек и высокоомного эпитаксиального слоя (тонкий слой) аналогичного полупроводника. Сверху описанного слоя наносится металлический электрод, который отвечает за выпрямление, но он не способен инжектировать неосновные носители в базовую область. По этой причине в данных приборах не протекают медленные процессы – в них не накапливаются и не рассасываются неосновные носители в базе. Исходя из этого, диоды Шоттки имеют невысокую инерционность.

Конструкция силового диода

Кристалл с p-n-переходом вмонтирован в корпус, защищающий его от влияний извне и позволяющий обеспечить надежное отведение тепла. Маломощные приборы помещаются в пластиковые корпуса с гибкими внешними выводами. Варикапы средней мощности выполняются из металлостеклянного корпуса (жесткие выводы). Для изготовления приборов высокой мощности используется металлостеклянный или металлокерамический корпус.

Как выглядит

Кристалл p-n-перехода из кремния или германия припаивается к кристаллодержателю, выступающему в роли основания корпуса. К нему приваривают изделие с изолятором из стекла, через него выводится один из электродов.

Как было замечено выше, маломощные диоды имеют гибкие выводы, благодаря которым их монтируют в схемы. Такие изделия компактны и мало весят. А средне,- и высокомощные устройства оснащены более мощными выводами, так как токи, с которыми они работают, имеют значительную величину. Их нижняя часть содержит массивное основание, задача которого – отводить тепло. Наружная часть выполнена плоской, что требуется для надежного теплового контакта с наружным радиатором.

Технология производства может различаться, поэтому диоды бывают точечными и плоскостными. Для сборки первых применяется кремний или германий – это пластина n-типа, имеющая площадь от 0.5 до 1.5 квадратных миллиметра, а также стальная игла, необходимая для образования p-n-перехода в области контакта. Из-за малой мощности переход получается малоемкостным, поэтому используется в высокочастотных цепях. Ток через переход обычно небольшой – не больше 100 мА. Плоскостные варикапы предполагают две соединенные пластины, где у каждой своя электропроводность. Благодаря большой площади контакта получаются емкостный переход и сравнительно низкая рабочая частота. Показатель проходящего тока достигает 6000 А.

Где находят применение диоды

Такие приборы используются не только в качестве выпрямительных или детекторных устройств. Они применяются во многих других областях. Благодаря хорошим вольтамперным характеристикам, варикапы актуальны в тех областях, где нужно нелинейно обрабатывать аналоговые сигналы. Это различные преобразователи частоты, логарифмические усилители, детекторы и прочие устройства. Роль диода здесь – функционировать в качестве преобразователя или формировать характеристику прибора (их включают в цепь обратной связи).

Схема с приборами

Силовые диоды также есть в стабилизированных источниках питания, коммутирующих элементах и так далее.

Используя варикапы, с легкостью создается ограничитель сигнала: если два диода включить встречно-параллельно, то они отлично защищают вход усилителя, к примеру, микрофонного, чтобы тот не подавал сигнал высокого уровня. Нередко ими оборудуются коммутаторы сигналов и логические приборы.

Светодиоды – один из видов классических варикапов. Некоторое время назад такие приборы использовались в качестве индикатора. В наше же время светодиоды широко используются, начиная обычными фонариками и заканчивая телевизорами с LED-подсветкой.

Многие задаются вопросом что лучше: сборка или отдельные диоды. Однозначного ответа здесь нет, так как функциональность в обоих случаях одинакова. Преимущество сборки заключается в компактности, но, с другой стороны, если она выйдет из строя, ее можно только заменить на новую. Если использовать отдельные элементы, то если какой-то прибор вышел из строя, его заменяют новым выпрямительным диодом.

Отталкиваясь от справочника, силовой диод – это прибор, при помощи которого переменный ток преобразуется в постоянный. Некоторое время назад использовались электровакуумные варикапы и игнитроны, которые сейчас успешно заменены приборами из полупроводниковых материалов и диодными мостами (четыре диода, заключенные в один корпус). Такие элементы бывают разных видов, где каждый имеет свои технические характеристики, особенности и области применения.

Видео

https://www.youtube.com/watch?v=l_2Jpd9X-N8