SILICIJEVE USMERNIŠKE DIODE B. Kren, I. Sorli, R. Ročak MIKROIKS d.o.o., Ljubljana, Slovenija S. Stradar, Z. Zupančič Iskra SEMICON d.d., Trbovlje, Slovenija Ključne besede: diode usmerniške, diode silicijeve usmerniške, diode hitre, diode ultra Initre, parametri električni, pn spoji, karakteristike l-U, napetost prebojna, čas vzpostavitveni zaporni, tipi diod, Zener diode. Schottl10® V/cm) na p-n spoju in nosilci naboja lahko tunelirajo skozi osiromašeno področje, kar ima za posledico povečanje toka, oz. preboj. V primeru stopničastega p-n spoja (ena stran spoja je močno dopirana, druga pa ne) je glavni mehanizem preboja plazovita ionizacija. Širina osiromašenega področja je dovolj velika, da je tunelski efekt zanemarljiv. Pri takšnem spoju tok v zaporni smeri narašča z rastočo pritisnjeno zaporno napetostjo. Večanje zaporne napetosti povzroča vedno vego električno poljsko jakost v osiromašenem področju. Ce je energija pospešenih nosilcev dovolj velika, da na svoji poti povzročajo ionizacijo novih parov elektron-vrzel, pride do plazovite ionizacije, kar povzroči ogromen tok skozi diodo. Z načrtovalskega stališča sta za nas zanimiva predvsem zadnja dva mehanizma preboja p-n spoja. Ker je preboj sam po sebi odstopanje od idealne l-V karakteristike, je razumljivo, da želimo izdelati diode s prebojno napetostjo, ki je čim bližja teoretični vrednosti. Enačba, ki določa prebojno napetost pri plazovitem preboju STOPNIČASTEGA RAVNEGA spoja, in ki jo lahko uporabljamo za praktično načrtovanje prebojne napetosti diode je: Čim nižja je koncentracija, tem višja je prebojna napetost, slika 2. Podobna enačba velja tudi za tki. gradientni spoj, le da v njej namesto absolutne koncentracije nastopa gradient koncentracije, vendar se bomo zaradi nazornosti v tem prispevku omejili le na stopničaste spoje. Redkokatera dioda, ki jo v resnici izdelamo, ima raven p-n spoj, saj ima diodna tabletka končne fizične dimenzije. Tako so v praksi prebojne napetosti nižje, kot jih določa zgornja enačba in poleg koncentracije dopantov njeno vrednost določa še način zaključitve p-n spoja. Različne praktične zaključitve p-n spoja obravnavamo v naslednjem poglavju. 2.2.2 Zaključitvene strukture z negativnim, oz. pozitivnim naklonom Na sliki 3 prikazujemo dve možni zaključitvi p-n spoja: s pozitivnim, oz. negativnim naklonom na nivoju tabletke. V obeh primerih je desna ploskev stranska ploskev diodne tabletke in jo ponavadi definiramo z žaganjem skozi rezino in naknadnim jedkanjem površine. a) b) Vo = 5.302' Slika 3 : Zaključitev p-n spoja a) pozitivni naklon b) negativni naklon (3) Nb - koncentracija šibko dopirane strani p-n spoja, /cm"' Iz zgornje enačbe vidimo, da prebojno napetost diode določamo s koncentracijo šibko dopiranega področja. 10000?............i .ij-.;;: g ž D (/> O H UJ Q_ < Z 0 oa UJ oc 01 1000 100 1E+13 1E + 14 1E-H5 1E-H6 1E + 17 1E + 18 KONCENTRACIJA (cm-3) Slika 2 : Odvisnost prebojne napetosti stopničastega p-n spoja od koncentracije Naklon določa kot med šibko in močno dopirano stranjo p-t -n spoja. Kot manjši od 90° da pozitiven, kot večji od 90° pa negativni naklon. Za oba primera je na sliki 3 prikazana tudi oblika osiromašenega področja in shematska porazdelitev električnega polja. V primeru pozitivnega naklona je zaradi ohranitve naboja na obeh straneh p-n spoja širina osiromašenega področja ob površini v manj dopiranem substratu večja kot v notranjosti. Vsied tega je jakost električnega polja na površini manjša kot v notranjosti, kar je idealno za zaključitev p-n spoja, saj zagotavlja preboj strukture v notranjosti tabletke. Prebojna napetost take diode bi morala biti blizu napovedane, enačba 2. Temu ni tako v praksi, saj je ionizacijski koeficient na površini, zaradi prisotnih površinskih defektov, večji kot v notranjosti. Do preboja tako le pride na površini. Zaradi slednjega je v praksi potrebno zagotoviti površinsko jakost električnega polja vsaj za 50% nižjo kot v notranjosti, če želimo doseči preboj v notranjosti tabletke, tj. blizu teoretične vrednosti za raven spoj. Po podrobni analizi velikega števila spojev s pozitivnim naklonom, z različnimi dopiranji ter normalizaciji vrednosti električnega polja na površini glede na polje v notranjosti, pridemo do splošno uporabne krivulje, ki nam podaja odvisnost normalizirane jakosti površinskega električnega polja v odvisnosti od kota zaključitve p-n spoja, slika 4. S slike je razvidno, da koti pod 60° zagotavljajo ustrezno majhno jakost električnega polja na površini, oz. preboj v notranjosti. Koti pod 30° niso priporočljivi, saj ponnenijo izgubo efektivne površine tabletke. Na sliki 6 prikazujemo več možnih variant zaključitve p-n spoja s pozitivnim, oz. negativnim naklonom na nivoju rezine. Stransko ploskev definiramo z jedkanjem kanalov med tabletkami že takoj po difuziji p+ področja. o 10 20 30 40 50 60 70 80 90 KOT ZAKLJUČITVE p+-n SPOJA, POZITIVNI NAKLON (V STOPINJAH) Slika 4: Normalizirana jakost površinskega električnega polja v odvisnosti od kota zaključitve p -I- -n spoja, pozitivni naklon. V primeru negativnega naklona, slika 5, pa je situacija ravno obratna. Če bi želeli zmanjšati električno polje na površini, bi morali bodisi zmanjšati kot, bodisi znižati koncentracijo p+ področja, kar bi omogočilo širjenje osiromašenega področja tudi na p+ stran in s tem posredno zmanjšanje električnega polja na površini. p+ /\ / \ y \ 1 i / / N b) d) Slika 6: Zaključitvena struktura s kanalom: a) negativni naklon, ravni spoj b) negativni naklon, planarni spoj c) pozitivni naklon, ravni spoj d) pozitivni naklon, planarni spoj Kot primer zgoraj naštetih zaključitvenih struktur je na sliki 7 prikazana diodna tabletka že pritrjena na priključne žičke. Lepo je viden natančno definiran pozitivni kot 60° med p-i- in n področjem. Do točno definiranega kota smo prišli najprej z žaganjem rezine z žaginim listom s točno določenim naklonom in nato z jedkanjem v bazičnem jedkalu. Izmerjena maksimalna prebojna napetost za prikazano strukturo je 1600 V. To je 80% od izračunanega preboja za stopničast raven p-n spoj, ki je 1990 V pri specifični upornosti n substrata 50 Ocm. KOT ZAKLJUČITVE SPOJA, NEGATIVNI NAKLON (V STOPINJAH) Slika 5: Jakost površinskega električnega polja v odvisnosti od kota zaključitve p+-n spoja, negativni naklon Slika 7: Diodna tabletka s pozitivnim naklonom p-n spoja, a = 60° Podobno je na sliki 8 prikazana diodna tabletka z jed-kanim kanalom in negativnim naklonom 70° med p+ in n področjem. Kanale smo jedkali po difuziji p+ področja. Kot maska za kislo jedkalo je služil silicijev dioksid. Izmerjena prebojna napetost za tako strukturo je 160 V. To je 80% od izračunanega preboja za stopničast raven p-n spoj, ki je 200 V pri specifični upornosti n substrata 2.8 Dem. Slika 8: Diodna tabietl i i Slika 11: Testno vezje z različnimi geometrijami diod ter zaključitvenimi strukturami s plavajočimi obroči, m ODVISNOST Ur OD RAZDALJE Wdr TRIJE p+ OBROČI 350 15/15 20/20 18/+3/40 23/+3/40 25/25 26/+3/40 RAZDALJA MED DIODO IN PRVIM OBROČEM (um) b) Slika 12: Odvisnost prebojne napetosti od tipa plavajočega obroča a) en obroč b) trije obroči Zaključitvena struktura s poljsko elektrodo Že Grove, /4/, je za povečanje prebojne napetosti pri planarnih diodah predlagal ločeno napajanje prevodne elektrode na oksidu, katera je speljana preko p-n spoja, slika 13, S spremembo potenciala na njej spreminjamo obliko, oz, ukrivljenost osiromašenega področja. Za substrat tipa n velja, da s priključitvijo pozitivne napetosti na elektrodo pritegnemo elektrone na površino, ki oblikujejo osiromašeno področje, kot ga prikazuje krivulja A, S priključitvijo negativne napetosti pa elektrone odbijemo od površine, s čimer povečamo osiromašeno področje pod elektrodo, oz, povečamo krivinski polmer področja, krivulja C, in s tem povečamo prebojno napetost. ODVISNOST Ubr OD RAZDALJE p-f obroč NO RING 21 25 29 33 37 Wdr(um) - RAZDALJA MED DIODO IN OBROÖEM a) + U, -U -u ZZZZZZZZZl. P4- V Slika 13: Oblika osiromašenega področja za različne napetosti na poljski elektrodi V praksi je nepraktično ali včasih celo nemogoče izvesti ločeno napajanje za kontrolo potenciala poljske elektrode. Le-ta je zato ponavadi izvedena kot podaljšek kontaktne metalizacije p+, slika 14. V primeru zaporne napetosti na diodi (negativna napetost na p-f- področju glede na n področje), se osiromašeno področje razširi po površini do roba poljske elektrode in dobimo podoben efekt kot pri krivulji C, slika 13. Električno polje v točki B, slika 14, je manjše samo v primeru, če pravilno izberemo debelino oksida pod poljsko elektrodo ter dolžino poljske elektrode nad spojem, saj mora priti do popolnega osiro-mašenja polprevodnika pod oksidom. Oksid mora biti dovolj tanek, da pride do izrazitega poljskega efekta in hkrati dovolj debel, da ne pride do prezgodnjega preboja oksida na robu poljske elektrode. Slika 14: Struktura diode s poljsko elektrodo, kije vezana na p + kontakt nega polja na koncu poljske elektrode in polja na ukrivljenosti osiromašenega področja od debeline oksida. Podobno je na sliki 16 prikazana minimalna debelina poljskega oksida, ki je potrebna, da izenačimo električni polji na robu poljske elektrode in na ukrivljenosti osiromašenega področja. Iz slednje slike je razvidno, da je zaključitev s poljsko elektrodo efektna le pri srednje in močno dopiranih substratih, saj bi bila pri šibko dopiranih substratih zahtevana debelina oksida prevelika (npr. za koncentracijo substrata 1E13/cm^ je zahtevana debelina poljskega oksida okoli 100 |j,m, kar v praksi ni realno dosegljivo !) < o o C 10 10 10 KONCENTRACIJA (cm'^) 17 Načrtovanje pravilne geometrije poljske elektrode za dosego optimalnega preboja je relativno komplicirano. Iz literature poznamo nekaj osnovnih napotkov, /4/, /5/. Na sliki 15 prikazujemo odvisnost maksimalnega električ- Slika 16: Mininnalna potrebna debelina poljskega oksida, kije potrebna za izenačitev električnih polj na robu poljske elektrode in na ukrivljenosti osiromašenega področja B u > o z: >o a: H- 400- 300-1 200-' 100- -O- SPOJ POLJSKA EL, .01 rrmt]—t i »tnn » t «tiwn i .1 1 10 100 DEBELINA OKSIDA t/ um Slika 15: Odvisnost električnega polja na robu poljske elektrode od debeline oksida; druga krivulja prikazuje električno polje na ukrivljenosti osiromašenega področja Pri debelih poljskih oksidih je maksimalno električno polje locirano na robu pn spoja, saj je poljski efekt neizrazit. Do preboja bo torej prišlo na p-n spoju. S padajočo debelino oksida jakost polja na p-n spoju pada, povečuje pa se poljski efekt. Maksimalno električno polje se preseli na rob poljske plošče. Porazdelitev potenciala v diodi s poljsko elektrodo je prikazana na sliki 17. Na tej sliki je poleg poljske elektrode viden tudi ekvipotencialni obroč Slika 17: Porazdelitev potenciala v strukturi diode s poljsko elektrodo na robu strukture, ki definira ničelni potencial, saj je vezan na substrat. Na sliki 18 je prikazano testno vezje z diodami z zaklju-čitvijo p-n spoja s poljsko elektrodo. Posamezne strukture se razlikujejo predvsem v lateralnih dimenzijah poljske elektrode, slika 19. Slika 18: Testno vezje z diodami z zaključitvijo p-n spoja s poljsko elektrodo PASIVACIJA METALIZACIJA 1 zzSzzzzjžzz OKSID POLJA: P+ PODROČJE N + elektrodi, katere rob je podaljšan za 45 |im stran od glavnega spoja (dosegli smo 575 V, kar je 66% vrednosti prebojne napetosti ravnega stopničastega spoja in 211% vrednosti prebojne napetosti planarnega spoja). Odv. Ubr od dimenzij poljske elektrode 600 substrat 18 ohmcm 14 45 aoižina poljsKe eieKtroae (um) Slika 20: Odvisnost prebojne napetosti diode od lateralnih dimenzij poljske elektrode 2.2.4 Zenerjev preboj Zenerjev preboj nastopi pri p-n spojih, kjer sta obe strani močno dopirani, širina osiromašenega področja pa je zelo majhna. Že relativno majhna pritisnjena zaporna napetost povzroči visoko električno polje (E > 10® V/cm) na p-n spoju in nosilci naboja lahko tunelirajo skozi osiromašeno področje, kar ima za posledico povečanje toka, oz. preboj. Čeprav v praksi izdelujemo "Zenerjeve diode" v širokem spektru prebojnih napetosti (1.8 - 200 V), moramo vedeti, da so mehanizmi preboja pri različnih napetostih različni in sicer: ■ Vr » 0.5 - 3 V ^ območje Zenerjevega preboja Vr = 3 - 8 V območje Zenerjevega in plazovitega Vr^ preboja (prehodno območje) 8 V naprej ^ območje plazovitega preboja Slika 19: Presek diode s poljsko elektrodo, struktura s testnega vezja na sliki 18 Na sliki 20 so prikazani rezultati meritev prebojnih napetosti teh struktur izdelanih na substratu z upornostjo 18 Ocm in globino p-i-n spoja 8 |j.m. Preboj ravnega spoja na tem substratu bi bil 876 V, planarnega pa 272 V. Maksimalno prebojno napetost smo dosegli pri poljski l-V karakteristiko tipične "Zenerjeve diode" prikazujemo na sliki 21. Področje preboja opišemo z dvema parametroma: • Zenerjeve napetostjo, Vz in • dinamično impedanco, ro Zenerjeva napetost je ponavadi definirana pri točno določenem zapornem toku Iz (nekaj mA, odvisno od tipa diode); dinamično impedanco merimo pri delovnem zapornem toku Iz, s sinusnim signalom z amplitudo 0.1 *lz in frekvenco 1kHz. Tipična odvisnost dinamične impedance od delovnega zapornega toka in Zenerjeve napetosti je prikazana na sliki 22. Minimum dinamične impedance se pojavi ravno v prehodnem območju, ko preboj definirata dva mehanizma, kot smo že opisali. NORMALNO PODROČJE PREVAJANJA Uz NAPETOST (V) Slika 21: l-V karakteristika Zenerjeve diode T iz z: mA T' T' TA . 25°C IZlac) ' IZIdci - 5 7 10 20 30 50 ZENERJEVA NAPETOST (V) 70 100 200 Slika 22: Potek dinamične impedance v odvisnosti od prebojne napetosti Zener diode Zanimiv je tudi potek temperaturnega koeficienta prebojne napetosti. Tunelski preboj ima negativni, plazoviti preboj pa pozitivni temperaturni koeficient, saj pri tunelskem preiDoju višja temperatura pospešuje emisijo nosilcev naboja, medtem ko se pri plazovitem preboju, prosti nosilci naboja z večanjem temperature bolj sipajo na kristalni mreži, kar znižuje celotni tok, slika 23. Na sliki sta lepo vidni obe področji preboja (tunelski in plazoviti), oz. tudi prehod med njima. ODVISNOST TEMPERATURNEGA KOEFICIENTA OD PREBOJNE NAPETOSTI D f— < 5.1 7.45 11 16.2 84.2 PREBOJNA NAPETOST Ubr(V) Slika 23: Napetostni potek temperaturnega koeficinta prebojne napetosti Zener diode 2.3 REALNI ELEKTRIČNI PARAMETRI DIODE Električni parametri diode so odvisni od velikega števila dejavnikov; med njimi naj naštejemo le najbolj pomembne: • tehnologija izdelave in posamezni tehnološki postopki (slojna/planarna tehnologija, globina difuzij, plastne upornosti p-h in n področja, čistost procesa, ipd..) o lastnosti silicijevega substrata (specifična upornost, debelina, orientacija) ' velikost tabletke (površina, debelina) I- T J (A V) - JFRM — *F(WM)--- ^F(RMS)--; F ■'P(AV)--/; O 'RWM_____ ' R(AV) Slika 24: K definiciji posameznih električnih parametrov diode • način zaključitve in pasivacije p-n spoja (žagan/jedkan kanal, planarnispoj, pasivacija s silikonom, poliimidom ali steklom ipd..) • vrsta montaže (spajkan čip, plastično ohišje, stekleno ohišje.....) V tem poglavju se bomo omejili samo na nekatere tipične in najbolj pogosto podajane parametre, ki so direktno povezani z l-V karakteristiko diode. Na sliki 24 so nazorno prikazani opisani parametri. Prepustna napetost (Vfm) Parameter določa največji dovoljeni padec napetosti v prevodni smeri, ki ga podajamo pri točno določenem toku za posamezen tip diode. Določamo ga s površino in debelino tabletke, znotraj parametrov tehnologije pa z izbiro specifične upornosti substrata in pogoji difuzije močno dopirane strani. Na sliki 25 prikazujemo odvisnost parametra VFM od površine diode pri prevodnem toku 1 A. 0.80 0.7 0 1 2 3 4 5 POVRŠINA TABLETKE (mm2) Slika 25: Prepustna napetost v odvisnosti od površine tabletke pri toku 1A, planarna tehnologija Udarni prepustni tok (Ifsm) Parameter določa največjo dovoljeno vrednost toka v prevodni smeri, ki se pojavi pri vklopu usmernika, ko je gladilni kondenzator prazen. Parameter je ponavadi definiran le za polvalno usmerjen sinusni signal (trajanje 10 ms pri 50 Hz), Če skozi diodo steče tak tok, bo temperatura spoja narasla nad dovoljeno mejo in do naslednjega vklopa mora miniti nekaj sekund. Zaporni tok (Ir) To je tok, ki teče skozi diodo pri maksimalni dovoljeni ponavljajoči se zaporni napetosti podani za določen tip diode. Ponavadi podajamo vrednost zapornega toka pri dveh temperaturah: 25°C in 150°C. Zaporna napetost (Vr) Parameter določa največjo zaporno napetost, ki je lahko konstantno pritisnjena na diodi brez posledic. Ponovitvena temenska zaporna napetost (Vrrm) Parameter določa največjo dovoljeno vrednost zaporne napetosti za ponavljajoči se signal kakršnekoli oblike. Neponovitvena temenska zaporna napetost (Vrsm) Parameter določa temensko zaporno napetost na diodi, za katero lahko predpostavimo, da se le redko pojavi. Ta vrednost, čeprav zelo kratkotrajna, nikakor ne sme biti presežena. Pri načrtovanju diodne strukture in njenih električnih karakteristik ponavadi pazimo, da element vzdrži višje temenske napetosti v zaporni smeri, oz. temenske tokove v prevodni smeri, kot so največje dovoljene. Se en parameter, na katerega morajo biti posebej pozorni uporabniki diod, je maksimalna moč, ki jo dioda prenese. Pri pulznem načinu delovanja so napetostni in tokovni impulzi lahko višji (ampak še vedno znotraj predpisanih maksimalnih vrednosti) kot pri konstantni obremenitvi, saj se v slednjem primeru dioda segreje na višjo delovno temperaturo. V vsakem primeru, če obstaja nevarnost, da se dioda segreje nad predpisano maksimalno temperaturo, je potrebno poskrbeti za dodatno odvajanje toplote (hladilniki, prisilno hlajenje ...). Povprečni prepustni tok (iF(AV)) Parameter določa povprečno vrednost toka v prevodni smeri, ki ga priporoča proizvajalec za normalno delovanje diode pri določeni temperaturi spoja. Podatek ponavadi velja za polvalno usmerjanje. Ponovitveni temenski prepustni tok (Ifrm) Parameter določa največjo dovoljeno vrednost toka v prevodni smeri za ponavljajoči se signal kakršnekoli oblike (tudi nesinusni signali). 2.4 ZAPORNI VZPOSTAVITVENI ČAS DIODE V stanju prevajanja se v šibko dopiranem področju diode nabirajo manjšinski nosilci naboja, katerih koncentracija je sorazmerna velikosti toka. Ko diodo obremenimo z zaporno napetostjo, le-ta ne more v trenutku preiti iz stanja prevajanja v stanje zapore. Kratek čas pred popolno zaporo, je dioda v kratkem stiku, saj prevaja tok v zaporni smeri toliko časa, dokler ne odvede vsega naboja, ki se je nabral v diodi med prevajanjem. Odvajanje naboja poteka skozi električni tokokrog in z rekom- binacijami manjšinskih nosilcev naboja. Tipičen čas potreben za preklop iz stanja prevajanja v stanje zapore je pri "počasnih" diodah reda velikosti 5 do 50 |j,s. Odstranitev tega naboja ima za posledico generacijo tokovne špice, ki povzroči tudi napetostno špico, slika 26. Omenimo naj, da sta oblika signala in zaporni vzposta-vitveni čas odvisna od naslednjih dejavnikov: toka v prevodni smeri pred preklopom, frekvence preklopa, oblike signala (sinusni, pravokotni, ,..), impedance tokokroga, temperature in tipa uporabljene diode. Za počasne diode ponavadi ne podajamo zapornega vzpostavit-venega časa, saj vrednosti tega parametra ne kontroliramo. Nasprotno velja za "hitre" diode, katerih preklopni časi se gibljejo v intervalu nekaj ns do 1 jis. Primerjava izhodnih signalov za obe vrsti diod je prikazana na sliki 27. • hitrost spreminjanja toka pri prehodu iz prevajanja v zaporo, dlp/dt • temenski zaporni tok, Irrm • čas, ki je potreben, da tok doseže maksimalno vrednost v zaporni smeri, ta • čas, ki je potreben, da tok pade na 10% maksimalne vrednosti v zaporni smeri, tb • zaporni vzpostavitveni čas diode, trr = ta -i- tb, ki je dejansko merilo za hitrost preklopa diode iz prevodnega stanja v stanje zapore • shranjeni naboj. Os, ki ga je potrebno odvesti • hitrost spreminjanja toka pri zmanjševanju tokovne špice, dlfi/dt /T PREKLOPNA SPICA POČASEN PREKLOP HITER PREKLOP PREKLOPNA äPICA POLVALNO USMERJANJE PRAVOKOTNEGA S.IGNALA .............\ -1 \ \ \ \ +1 \ t schottky^^ ^ ^^ lOO-SOOnj.-^ 0 zelo hitre 26-50ns Y počasne diode \/ -1 Siika 21: PREKLOPNA SPICA POČASEN PREKLOP b) HITER PREKLOP PREKLOPNA SPICA POLVALNO USMERJANJE SINUSNEGA SIGNALA Primerjava izhodnih signalov med počasi in hitrimi diodami SMa 26: Tol O ^ 101 zlato S = 1.178mm2 PLATINA .......-.—j 40 80 ' ' 160 ' 200 60 100 140 180 NAPETOST V ZAPORNI SMERI Vbr(V) S/Äa 29: Primerjava toiiov puščanja med diodama dopiranih z zlatom, oz. platino Prevodni padec napetosti, kakor tudi tok puščanja se večata s količino zlata v diodi. Kontrola preklopnih časov s platino je primernejša kot z zlatom, saj so tokovi puščanja s platino dopiranih diod skoraj za red velikosti manjši pri enakih vrednostih preklopnih časov, slika 29. 3.0 OSNOVNI TIPI DIOD Osnovna funkcija diod je usmerjanje izmeničnih signalov. Od diode zahtevamo, da se čim bolj približa idealnemu stikalu, oz. da ima čim manjšo prepustno napetost, čim Tabela 1: VRSTA DIODE ELEKTRIČNI PARAMETER TOK USMERJANJA PREPUSTNA NAPETOST ^FM ZAPORNA NAPETOST VR ZAPORNI VZP. ČAS trr NAMEN UPORABE USMERNIŠKE DIODE Standardne * močnostne " 0.5Ado 10A 6A do 300A IVdo 1.1V < ali = 1.5V 50V do 1600V 50Vdo 1600V 5000ns do 20000ns + 50000ns za nizke frekvence do 1 kHz m visoke napetosti in tokove HITRE USMERNIŠKE DIODE fast ultrafast ultrafast O.SAdo 10A O.SAdo 10A O.SAdo 10A 1Vdo1.3V 1V 1.7V 50Vdo 1000V do 400V do1000V < ali = 500ns 50ns 75ns za frekvence do 100kHz za frekvence do 1MHz SCHOTTKY DIODA 0.5A do 100A 0.6V 50V 5ns nizke izgube; nizka zap.nap. in za visoke frekv.do neka) MHz SIGNALNA DIODA do 200mA IV do 200V 2ns do 50ns za male VF signale EL.PARAMETER MOČ ZAP. NAPETOST POSEBNOSTI VRSTA DIODE P VR NAČIN DELOVANJA IZENER DIODA hWdo 12.SW (SOW) 1 2.7V do 33V (200V) 1 Uz je delovna napetost / stalni j OMEJILNE NIZKONAPETOSTNE DIODE Wdo 1.5W 0.8 do 6.4V Uz je delovna napetost stalni ali Impulzni način delovanja SUPPRESSOR 400Wdo 1500W 6.8V do 400V Uz je delovna napetost DIODA oz (5-15kW)v Ims impulzni način delovanja manjši zaporni tok, čim višjo prebojno napetost ter ustrezno hitro in mehko preklopno karakteristiko. Na sliki 30 je podana nazorna primerjava med električnimi karakteristikami posameznih tipov diod. izmenični signali, katere želimo usmeriti, so po svojem izvoru in parametrih različni in sicer: ® povprečni prepustni tok: od nekaj mA do nekaj 100 A ® zaporna napetost: od nekaj V do nekaj lOkV ® frekvenca delovanja: od nekaj Hz do nekaj GHz Temu primerno so tudi v tabeli 1 razdeljene diode z različnimi električnimi parametri, ki naj bi pokrivale cel spekter uporab in signalov, ki jih je potrebno usmeriti. FAV schottky počasna hitre zelo hi|re / / 0.4 a) 0.9 1.1 1.5 UbrM 1600V 1000V 600V 100 V počasne hitre zelo hitre schottky b) sGhottky-^;^^^ -filtre 100-500n8.^i zelo hitre 25-50ns \/ r počasne diode 5-20>J8 Slika 30: C) Kvalitativna primerjava električnih karakteristik posameznih tipov diod a) prevodna smer b) zaporna smer c) preklop iz prevajanja v zaporo 3.1 HITRE IN ULTRAHITRE USMERNISKE DIODE Navadne usmerniške diode uporabljamo za usmerjanje nizkofrekvenčnih, nizkonapetostnih/tokovnih in visokonapetostnih/tokovnih signalov. Hitre in ultrahitre diode uporabljamo za usmerjanje signalov v frekvenčnem območju od nekaj kHz do 1 MHz. Ena od najbolj razširjenih in popularnih uporab ultrahitrih diod je v stikalnih napajalnikih (Switch Mode Power Supply - SMPS). Mejne frekvence delovanja teh napajalnikov se vse bolj približujejo 1 MHz, zato je razumljiva vse večja potreba po hitrih in ultrahitrih diodah. Tipična električna shema SMPS napajalnika je razvidna iz slike 31. Sestoji se iz naslednjih podsestavov: vhodni usmernik s filtrom, kontrolna enota z razsmernikom, visokofrekvenčni transformator in izhodni usmernik s filtrom. Izmenično napetost vhodne linije tak usmernik razseka s frekvenco 20 do 200 kHz, katero potem usmeri izhodni usmernik. Vhodna dioda D1 je standardna usmerniška dioda, medtem ko izhodni diodi D4 in D5 delata na visoki frekvenci. D4 je ponavadi ultrahitra dioda, D5 pa Schottky dioda, ki ima izredno nizek padec napetosti v prevodni smeri. Visokonapetostni diodi D2 in D3 sta bodisi hitri, oz. ultrahitri diodi. Razmerje med uporabljenimi diodami je tako sledeče: o 25% standardna usmerniška dioda • 75% hitra ali ultrahitra dioda H i J C ):OHrfioiKA —IC ENOTA '> 12V IZHOD =8 DC I2HOO Slika 31: Primer uporabe usmerniških diod v SMPS napajalniku Pomembna parametra ultrahitrih diod pri načrtovanju uporabe v SMPS sta: • prepustna napetost, Vfm, ki mora biti čim nižja, saj so izgube v prevodni smeri temu direktno sorazmerne • zaporni vzpostavitveni čas, ki naj bo čim krajši, sama oblika preklopne karakteristike pa čim metikejša, s čimer se ognemo indukciji EM motenj v napajalniku in izgubam v zapori Vsi osebni računalniki, monitorji, TV sprejemniki, naprave za izkoriščanje sončne energije, napetostni regulatorji in brezprekinitvene napajalne naprave vsebujejo SMPS. Tabela 2: Električne karakteristike ultrahitrih diod UF 400x iz programa Iskre S EM ICON d.d. Parameter Simbol En. UF4001 UF4003 UF4005 UF4007 Neponovitvena temenska zaporna napetost Vrsm V 60 240 720 1200 Ponovitvena temenska zaporna napetost Vrrm V 50 200 600 1000 ' Povprečni prepustni tok ' Ta = 25°C Ifav A 1 Udarni prepustni tok, 1 cikel, 10 ms, (sinusni signal, Tj=25°C Ifsm A 30 Zaporni vzpostavitveni čas If=0.5A, Ir=1A, I,,=0.25A Irr ns 50 75 Zaporni tok pri Vrrm, Tj=25°C Ir ^lA 10 Zaporni tok pri Vrrm, Tj=125°C Ir ^lA 50 Prepustna napetost pn 1 A, Ti=25°C Vfm V 1 1.7 ' Tipični termični upor, spoj - izvod Rthjl KAV 25 i Delovna in temperatura skladiščenja Top -65 do + 150 V tabeli 2 smo zbrali tipične električne karakteristike ultrahitrih diod iz proizvodnega programa Iskre SEMICON d.d. iz Trbovelj. 3.2ZENER DIODE Osnovna raba Zenerjevih diod je v vezjih za regulacijo napetosti. Osnovna inačica regulatorja napetosti je prikazana na sliki 32. Izhodna napetost Vo naj bo čim manj občutljiva na spremembe vhodne napetosti, Vi, toka skozi breme, II, in spremembe temperature T. Velja najprej: Slika 32: Osnovno vezje za regulacijo napetosti z Zener diodo -V^+V, R, Ry (4) + 1 in še Tabela 3: Električne karakteristike 1.3 W Zener diod iz programa Iskre SEMICON d.d. Vn = v, Rs^z^ Rv ■'^i^+TCAT-Vz (5) Rv Ri Pogoji za dobro napetostno regulacijo so: • nizka serijska upornost Zenerjeve diode • absolutno majhen temperaturni koeficient spremembe Zenerjeve napetosti Tudi upor Rs moramo tako izbrati, da Zenerjev tok ne pade pod neki minimalni tok Iz(min), ko Zenerjeva dioda ne bi več delovala v področju preboja, s čimer bi bila onemogočena napetostna regulacija. V tabeli 3 smo zbrali tipične električne karakteristike Zener diod iz proizvodnega programa Iskre SEMICON d.d. iz Trbovelj. Tip BZX85C5V1 BZX85C5V6 BZX85C6V2 BZX85C6V8 BZX85C7V5 BZX85C8V2 BZX8SC9V1 BZX85C10 BZX85C11 BZX85C12 BZX85C13 BZX85C15 BZX85C16 BZX85C18 BZX85C20 BZX85C22 BZX85C24 BZX85C27 BZX 85 C30 BZX 85 C33 U, pri 1, 1, i; mal