전자 회로-스위치로서의 다이오드

다이오드는 다양한 애플리케이션에서 사용할 수있는 2 단자 PN 접합입니다. 이러한 응용 프로그램 중 하나는 전기 스위치입니다. 순방향 바이어스 일 때 PN 접합은 폐쇄 회로로 작동하고 역방향 바이어스 일 때 개방 회로로 작동합니다. 따라서 순방향 및 역방향 바이어스 상태의 변화로 인해 다이오드가 스위치로 작동합니다.forward 존재 ON 그리고 reverse 존재 OFF 상태.

기계식 스위치에 대한 전기 스위치

전기 스위치는 다음과 같은 이유로 기계식 스위치보다 선호되는 선택입니다.

기계식 스위치는 금속이 산화되기 쉬운 반면 전기 스위치는 그렇지 않습니다.
기계식 스위치에는 이동식 접점이 있습니다.
그들은 전기 스위치보다 스트레스와 변형에 더 취약합니다.
기계식 스위치의 마모 및 찢김은 종종 작동에 영향을 미칩니다.

따라서 전기 스위치가 기계식 스위치보다 더 유용합니다.

다이오드를 스위치로 사용

지정된 전압을 초과 할 때마다 다이오드 저항이 증가하여 다이오드가 역 바이어스되고 개방 스위치로 작동합니다. 적용된 전압이 기준 전압보다 낮을 때마다 다이오드 저항이 감소하여 다이오드가 순방향 바이어스되고 폐쇄 스위치로 작동합니다.

다음 회로는 스위치 역할을하는 다이오드를 설명합니다.

스위칭 다이오드는 P 영역이 약간 도핑되고 N 영역이 고농도로 도핑되는 PN 접합이 있습니다. 위의 회로는 양의 전압이 다이오드를 순방향으로 바이어스하면 다이오드가 ON되고 음의 전압이 다이오드를 역방향으로 바이어스하면 OFF가됨을 상징합니다.

울리는

그때까지 순방향 전류가 흐르면 갑작스런 역 전압이 발생하면 즉시 전원이 꺼지는 대신 역전 류가 한 번 흐릅니다. 누설 전류가 높을수록 손실이 커집니다. 다이오드가 갑자기 역 바이어스되었을 때 역전 류의 흐름은 때때로 다음과 같이 적은 진동을 생성 할 수 있습니다.RINGING.

이 링잉 상태는 손실이므로 최소화해야합니다. 이를 위해서는 다이오드의 스위칭 시간을 이해해야합니다.

다이오드 스위칭 시간

바이어스 조건을 변경하는 동안 다이오드는 transient response. 평형 위치에서 갑작스러운 변화에 대한 시스템의 응답을 과도 응답이라고합니다.

순방향에서 역방향으로, 역방향에서 순방향 바이어스로의 갑작스러운 변화는 회로에 영향을줍니다. 이러한 갑작스러운 변화에 대응하는 데 걸리는 시간은 전기 스위치의 효과를 정의하는 중요한 기준입니다.

다이오드가 정상 상태로 회복되기까지 걸리는 시간을 Recovery Time.
다이오드가 역방향 바이어스 상태에서 순방향 바이어스 상태로 전환하는 데 걸리는 시간 간격은 다음과 같습니다. Forward Recovery Time.($t_{fr}$)
다이오드가 순방향 바이어스 상태에서 역방향 바이어스 상태로 전환하는 데 걸리는 시간 간격은 다음과 같습니다. Reverse Recovery Time. ($t_{fr}$)

이를 더 명확하게 이해하기 위해 전압이 스위칭 PN 다이오드에 적용되면 어떤 일이 발생하는지 분석해 보겠습니다.

캐리어 농도

소수 전하 캐리어 농도는 접합부에서 멀어 질 때 기하 급수적으로 감소합니다. 전압이 가해지면 순방향 바이어스 상태로 인해 한쪽의 대다수 캐리어가 다른쪽으로 이동합니다. 그들은 다른 쪽의 소수 운반자가됩니다. 이 농도는 교차점에 더 많이있을 것입니다.

예를 들어, N- 타입을 고려한다면, 순방향 바이어스를 적용한 후 N- 타입에 들어가는 홀의 초과는 이미 존재하는 N- 타입 재료의 소수 캐리어에 추가됩니다.

몇 가지 표기법을 고려해 보겠습니다.

P 형 (구멍)의 대다수 캐리어 = $ P_ {po} $
N 형 (전자)의 대다수 캐리어 = $ N_ {no} $
P 형 (전자)의 소수 캐리어 = $ N_ {po} $
N 형 (구멍)의 대다수 캐리어 = $ P_ {no} $

During Forward biased Condition− 소수 캐리어는 교차로에 더 가깝고 교차로에서 더 멀리 떨어져 있습니다. 아래 그래프가이를 설명합니다.

P- 유형의 초과 소수 캐리어 요금 = $ p_ {no} $ (정상 상태 값)의 $ P_n-P_ {no} $

N- 유형의 초과 소수 운송 업체 요금 = $ N_p-N_ {po} $ ($ N_ {po} $ 포함) (정상 상태 값)

During reverse bias condition− 대다수 캐리어는 접합부를 통해 전류를 전도하지 않으므로 현재 상태에 참여하지 않습니다. 스위칭 다이오드는 역방향으로 단락 된 것처럼 동작합니다.

소수 캐리어는 교차점을 건너서 전류를 전도합니다. Reverse Saturation Current. 다음 그래프는 역방향 바이어스 동안의 상태를 나타냅니다.

위 그림에서 점선은 평형 값을 나타내고 실선은 실제 값을 나타냅니다. 소수 전하 캐리어로 인한 전류가 전도 할만큼 충분히 크기 때문에이 초과 전하가 제거 될 때까지 회로가 켜집니다.

다이오드가 순방향 바이어스에서 역방향 바이어스로 변경하는 데 필요한 시간을 Reverse recovery time ($t_{rr}$). 다음 그래프는 다이오드 스위칭 시간을 자세히 설명합니다.

위 그림에서 다이오드 전류 그래프를 고려해 보겠습니다.

$ t_ {1} $에서 다이오드는 갑자기 ON 상태에서 OFF 상태가됩니다. 저장 시간이라고합니다.Storage time초과 소수 캐리어 요금을 제거하는 데 필요한 시간입니다. N에서 P 유형 재료로 흐르는 음의 전류는 보관 시간 동안 상당한 양입니다. 이 음의 전류는

$$-I_R = \ frac {-V_ {R}} {R} $$

다음 기간은 transition time”($ t_2 $에서 $ t_3 $로)

전환 시간은 다이오드가 완전히 개방 회로 상태에 도달하는 데 걸리는 시간입니다. $ t_3 $ 이후 다이오드는 정상 상태 역 바이어스 상태가됩니다. $ t_1 $ 전에 다이오드가 정상 상태 순방향 바이어스 상태에 있습니다.

따라서 완전히 개방 회로 상태에 도달하는 데 걸리는 시간은

$$ Reverse \ : \ : recovery \ : \ : time \ left (t_ {rr} \ right) = Storage \ : \ : time \ left (T_ {s} \ right) + Transition \ : \ : time \ left ( T_ {t} \ 오른쪽) $$

OFF 상태에서 ON 상태가되는 반면, Forward recovery time. 역방향 복구 시간은 순방향 복구 시간보다 큽니다. 이 역 회복 시간이 짧아지면 다이오드가 더 나은 스위치로 작동합니다.

정의

논의 된 기간의 정의를 살펴 보겠습니다.

Storage time − 역 바이어스 상태에서도 다이오드가 전도 상태를 유지하는 시간을 다음과 같이 부릅니다. Storage time.
Transition time − 비전도 상태, 즉 정상 상태 역 바이어스로 되돌아가는 데 걸린 시간을 Transition time.
Reverse recovery time − 다이오드가 순방향 바이어스에서 역방향 바이어스로 변경되는 데 필요한 시간을 Reverse recovery time.
Forward recovery time − 다이오드가 역방향 바이어스에서 순방향 바이어스로 변경되는 데 필요한 시간을 Forward recovery time.

다이오드 스위칭 시간에 영향을 미치는 요인

다음과 같이 다이오드 스위칭 시간에 영향을 미치는 요인은 거의 없습니다.

Diode Capacitance − PN 접합 커패시턴스는 바이어스 조건에 따라 변경됩니다.
Diode Resistance − 상태를 변경하기 위해 다이오드가 제공하는 저항.
Doping Concentration − 다이오드의 도핑 수준은 다이오드 스위칭 시간에 영향을 미칩니다.
Depletion Width− 공 핍층의 폭이 좁을수록 스위칭 속도가 빨라집니다. 제너 다이오드는 애벌랜치 다이오드보다 공핍 영역이 좁기 때문에 전자가 더 나은 스위치가됩니다.

응용

다음과 같이 다이오드 스위칭 회로가 사용되는 많은 응용 분야가 있습니다.

고속 정류 회로
고속 스위칭 회로
RF 수신기
범용 애플리케이션
소비자 애플리케이션
자동차 애플리케이션
통신 애플리케이션 등