電子回路-スイッチとしてのダイオード
ダイオードは、さまざまなアプリケーションで使用できる2端子PN接合です。そのようなアプリケーションの1つは電気スイッチです。PN接合は、順方向にバイアスされている場合は閉回路として機能し、逆方向にバイアスされている場合は開回路として機能します。したがって、順方向および逆方向にバイアスされた状態の変化により、ダイオードはスイッチとして機能します。forward であること ON そしてその reverse であること OFF 状態。
機械式スイッチ上の電気スイッチ
以下の理由により、電気スイッチは機械式スイッチよりも好ましい選択です。
- 機械式スイッチは金属が酸化されやすいのに対し、電気的スイッチは酸化されません。
- メカニカルスイッチには可動接点があります。
- それらは、電気スイッチよりも応力やひずみが発生しやすい傾向があります。
- 機械式スイッチの摩耗や破れは、しばしばそれらの動作に影響を与えます。
したがって、電気スイッチは機械スイッチよりも便利です。
スイッチとしてのダイオードの動作
指定された電圧を超えると、ダイオードの抵抗が増加し、ダイオードが逆バイアスされ、オープンスイッチとして機能します。印加される電圧が基準電圧を下回ると、ダイオードの抵抗が減少し、ダイオードが順方向にバイアスされ、閉じたスイッチとして機能します。
次の回路は、スイッチとして機能するダイオードについて説明しています。
スイッチングダイオードには、P領域が低濃度にドープされ、N領域が高濃度にドープされたPN接合があります。上記の回路は、正の電圧がダイオードを順方向にバイアスするとダイオードがオンになり、負の電圧がダイオードを逆方向にバイアスするとダイオードがオフになることを示しています。
リンギング
それまで順方向電流が流れると、突然の逆方向電圧で、すぐにオフになるのではなく、インスタンスに対して逆方向電流が流れます。漏れ電流が大きいほど、損失は大きくなります。ダイオードが突然逆バイアスされたときの逆電流の流れは、次のように呼ばれるいくつかの発振を生成することがありますRINGING。
このリンギング状態は損失であるため、最小限に抑える必要があります。これを行うには、ダイオードのスイッチング時間を理解する必要があります。
ダイオードスイッチング時間
バイアス条件を変更している間、ダイオードは transient response。平衡位置からの突然の変化に対するシステムの応答は、過渡応答と呼ばれます。
順方向から逆方向へ、および逆方向から順方向バイアスへの突然の変化は、回路に影響を与えます。このような突然の変化に対応するのにかかる時間は、電気スイッチの有効性を定義するための重要な基準です。
ダイオードが定常状態に戻るまでにかかる時間は、次のように呼ばれます。 Recovery Time。
ダイオードが逆バイアス状態から順バイアス状態に切り替わるまでにかかる時間間隔は、次のように呼ばれます。 Forward Recovery Time.($t_{fr}$)
ダイオードが順方向バイアス状態から逆方向バイアス状態に切り替わるまでにかかる時間間隔は、次のように呼ばれます。 Reverse Recovery Time. ($t_{fr}$)
これをより明確に理解するために、スイッチングPNダイオードに電圧を印加するとどうなるかを分析してみましょう。
キャリア濃度
少数電荷キャリア濃度は、接合部から離れて見られるように指数関数的に減少します。電圧が印加されると、順方向にバイアスされた状態のため、一方の大部分のキャリアがもう一方の側に移動します。彼らは反対側の少数キャリアになります。この濃度は接合部でより高くなります。
たとえば、Nタイプを考慮すると、順方向バイアスを適用した後にNタイプに入る過剰な正孔は、Nタイプ材料の既存の少数キャリアに追加されます。
いくつかの表記法を考えてみましょう。
- Pタイプ（穴）の多数キャリア= $ P_ {po} $
- N型（電子）の多数キャリア= $ N_ {no} $
- P型（電子）の少数キャリア= $ N_ {po} $
- N型（穴）の多数キャリア= $ P_ {no} $
During Forward biased Condition−少数キャリアは、接合部に近く、接合部から離れていません。下のグラフはこれを説明しています。
Pタイプの過剰な少数キャリア電荷= $ P_n-P_ {no} $、$ p_ {no} $（定常状態値）
Nタイプの過剰な少数キャリア電荷= $ N_p-N_ {po} $と$ N_ {po} $（定常状態値）
During reverse bias condition−多数キャリアは接合部に電流を流さないため、現在の状態には関与しません。スイッチングダイオードは、インスタンスに対して逆方向の短絡として動作します。
少数キャリアは接合部を通過し、電流を伝導します。 Reverse Saturation Current。次のグラフは、逆バイアス中の状態を表しています。
上図において、点線は平衡値を表し、実線は実際の値を表します。少数の電荷キャリアによる電流は伝導するのに十分な大きさであるため、この過剰な電荷が除去されるまで回路はオンになります。
ダイオードが順バイアスから逆バイアスに変化するのに必要な時間は、 Reverse recovery time ($t_{rr}$)。次のグラフは、ダイオードのスイッチング時間を詳細に説明しています。
上図から、ダイオード電流グラフを考えてみましょう。
$ t_ {1} $で、ダイオードは突然オン状態からオフ状態になります。それは保存時間として知られています。Storage timeは、過剰な少数キャリア電荷を取り除くために必要な時間です。N型からP型の材料に流れる負の電流は、保管期間中にかなりの量になります。この負の電流は、
$$-I_R = \ frac {-V_ {R}} {R} $$
次の期間は transition time」（$ t_2 $から$ t_3 $まで）
遷移時間は、ダイオードが完全に開回路状態になるまでにかかる時間です。$ t_3 $の後、ダイオードは定常状態の逆バイアス状態になります。$ t_1 $ダイオードが定常状態の順方向バイアス状態になる前。
したがって、完全に開回路状態になるまでにかかる時間は次のとおりです。
$$ Reverse \：\：recovery \：\：time \ left（t_ {rr} \ right）= Storage \：\：time \ left（T_ {s} \ right）+ Transition \：\：time \ left（ T_ {t} \ right）$$
OFFからON状態になるのに対し、 Forward recovery time。逆回復時間は順回復時間よりも長くなります。この逆回復時間が短くなると、ダイオードはより良いスイッチとして機能します。
定義
議論された期間の定義を見てみましょう。
Storage time −逆バイアス状態でもダイオードが導通状態にある時間は、次のように呼ばれます。 Storage time。
Transition time −非導通状態、つまり定常状態の逆バイアスに戻るまでに経過した時間は、 Transition time。
Reverse recovery time −ダイオードが順バイアスから逆バイアスに変化するのに必要な時間は次のように呼ばれます。 Reverse recovery time。
Forward recovery time −ダイオードが逆バイアスから順バイアスに変化するのに必要な時間は次のように呼ばれます。 Forward recovery time。
ダイオードのスイッチング時間に影響を与える要因
ダイオードのスイッチング時間に影響を与える要因はいくつかあります。
Diode Capacitance − PN接合容量は、バイアス条件によって変化します。
Diode Resistance −状態を変化させるためにダイオードによって提供される抵抗。
Doping Concentration −ダイオードのドーピングレベルは、ダイオードのスイッチング時間に影響します。
Depletion Width−空乏層の幅が狭いほど、スイッチングが速くなります。ツェナーダイオードはアバランシェダイオードよりも空乏領域が狭いため、アバランシェダイオードの方が優れたスイッチになります。
アプリケーション
−などのダイオードスイッチング回路が使用される多くのアプリケーションがあります。
- 高速整流回路
- 高速スイッチング回路
- RF受信機
- 汎用アプリケーション
- コンシューマーアプリケーション
- 自動車用途
- テレコムアプリケーションなど。