الثنائيات الكهربائية
مركب ثقب الإلكترون
يعتمد مبدأ تشغيل معظم أجهزة أشباه الموصلات على الظواهر والعمليات التي تحدث عند الحدود بين منطقتين من أشباه الموصلات بأنواع مختلفة من التوصيل الكهربائي - الإلكترون (النوع n) والفتحة (النوع p). في المنطقة من النوع n ، تسود الإلكترونات ، وهي الناقلات الرئيسية للشحنات الكهربائية ، في المنطقة p ، وهي شحنات موجبة (ثقوب). تسمى الحدود بين منطقتين من أنواع مختلفة من الموصلية تقاطع pn.
من الناحية الوظيفية ، يمكن اعتبار الصمام الثنائي (الشكل 1) مفتاحًا إلكترونيًا غير متحكم فيه بتوصيل أحادي الجانب. يكون الصمام الثنائي في حالة التوصيل (مفتاح مغلق) إذا تم تطبيق جهد أمامي عليه.
أرز. 1. الرسم التوضيحي التقليدي للديود
يتم تحديد التيار من خلال الصمام الثنائي iF بواسطة معلمات الدائرة الخارجية ، كما أن انخفاض الجهد في هيكل أشباه الموصلات ليس له أهمية تذكر. إذا تم تطبيق جهد عكسي على الصمام الثنائي ، فهو في حالة غير موصلة (مفتاح مفتوح) ويتدفق تيار صغير عبره. يتم تحديد انخفاض الجهد عبر الصمام الثنائي في هذه الحالة من خلال معلمات الدائرة الخارجية.
حماية الثنائيات
الأسباب الأكثر شيوعًا للفشل الكهربائي للديود هي ارتفاع معدل ارتفاع التيار الأمامي diF / dt عند التشغيل ، والجهد الزائد عند إيقاف التشغيل ، وتجاوز القيمة القصوى للتيار الأمامي وكسر الهيكل بجهد عكسي مرتفع بشكل غير مقبول.
عند القيم العالية لـ diF / dt ، يظهر تركيز غير متساوٍ من ناقلات الشحنة في هيكل الصمام الثنائي ، ونتيجة لذلك ، ارتفاع درجة الحرارة المحلية مع حدوث تلف لاحق للهيكل. السبب الرئيسي للقيم العالية لـ diF / dt هو الصغر الحث في دائرة تحتوي على مصدر جهد أمامي وصمام ثنائي. لتقليل قيم diF / dt ، يتم توصيل المحاثة في سلسلة مع الصمام الثنائي ، مما يحد من معدل ارتفاع التيار.
لتقليل قيم سعة الفولتية المطبقة على الصمام الثنائي عند إيقاف تشغيل الدائرة ، يتم استخدام المقاوم المتصل بالسلسلة R و مكثف C هي ما يسمى بدائرة RC المتصلة بالتوازي مع الصمام الثنائي.
لحماية الثنائيات من الأحمال الزائدة الحالية في أوضاع الطوارئ ، يتم استخدام الصمامات الكهربائية عالية السرعة.
الأنواع الرئيسية لثنائيات الطاقة
وفقًا للمعايير والغرض الرئيسي ، يتم عادةً تقسيم الثنائيات إلى ثلاث مجموعات: الثنائيات للأغراض العامة ، وثنائيات الاسترداد السريع ، وثنائيات شوتكي.
الثنائيات للأغراض العامة
تتميز هذه المجموعة من الثنائيات بقيم عالية للجهد العكسي (من 50 فولت إلى 5 كيلو فولت) والتيار الأمامي (من 10 أ إلى 5 كيلو أمبير). هيكل أشباه الموصلات الهائل للثنائيات يحط من أدائها. لذلك ، عادةً ما يكون وقت الاسترداد العكسي للثنائيات في نطاق 25-100 ميكرو ثانية ، مما يحد من استخدامها في الدوائر ذات الترددات فوق 1 كيلو هرتز.كقاعدة عامة ، يعملون في شبكات صناعية بتردد 50 (60) هرتز. يبلغ انخفاض الجهد المستمر عبر الثنائيات في هذه المجموعة 2.5-3 فولت.
تأتي ثنائيات الطاقة في عبوات مختلفة. الأكثر انتشارًا نوعان من التنفيذ: دبوس ولوح (الشكل 2 أ ، ب).
أرز. 2. بناء أجسام الصمام الثنائي: أ - دبوس ؛ ب - الجهاز اللوحي
الثنائيات سريعة الانتعاش. في إنتاج هذه المجموعة من الثنائيات ، يتم استخدام طرق تكنولوجية مختلفة لتقليل وقت الاسترداد العكسي. على وجه الخصوص ، يتم استخدام المنشطات بالسيليكون باستخدام طريقة نشر الذهب أو البلاتين ، مما يجعل من الممكن تقليل وقت الاسترداد إلى 3-5 ميكرو ثانية. ومع ذلك ، فإن هذا يقلل من القيم المسموح بها للتيار الأمامي والجهد العكسي. القيم الحالية المسموح بها هي من 10 أ إلى 1 كيلو أمبير ، الجهد العكسي - من 50 فولت إلى 3 كيلو فولت. أسرع الثنائيات لها وقت استرداد عكسي يبلغ 0.1-0.5 ميكرو ثانية. تُستخدم هذه الثنائيات في الدوائر النبضية وعالية التردد بترددات 10 كيلو هرتز وأعلى. يشبه تصميم الثنائيات في هذه المجموعة تصميم الثنائيات للأغراض العامة.
ديود شوتكي
يعتمد مبدأ تشغيل ثنائيات شوتكي على خصائص المنطقة الانتقالية بين المعدن ومواد أشباه الموصلات. بالنسبة لثنائيات الطاقة ، يتم استخدام طبقة من السيليكون المستنفد من النوع n كأشباه موصلات. في هذه الحالة ، توجد شحنة سالبة في المنطقة الانتقالية على الجانب المعدني وشحنة موجبة على جانب أشباه الموصلات.
خصوصية ثنائيات شوتكي هي أن التيار الأمامي يرجع إلى حركة الناقلات الرئيسية فقط - الإلكترونات. يقلل نقص تراكم حاملة الأقلية بشكل كبير من خمول ثنائيات شوتكي.لا يزيد وقت الاسترداد عادةً عن 0.3 μs ، ويكون انخفاض الجهد الأمامي حوالي 0.3 فولت. القيم الحالية العكسية في هذه الثنائيات هي 2-3 أوامر من حيث الحجم أعلى من الثنائيات p-n-junction. لا يزيد الجهد العكسي المحدد عادة عن 100 فولت. يتم استخدامها في دوائر النبض عالية التردد والجهد المنخفض.