Electronic-circuits-diode-as-switch
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、順方向にバイアスがかかっ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、順方向と逆方向のバイアス状態の変化により、ダイオードはスイッチとして機能し、 forward は ON で、 reverse は OFF 状態になります。
メカニカルスイッチ上の電気スイッチ
次の理由により、電気スイッチは機械式スイッチよりも好ましい選択肢です-
- 機械的なスイッチは金属の酸化を受けやすいのに対し、電気的なスイッチは酸化しません。
- 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ストレスとひずみを受けやすい傾向があります。
- 機械的スイッチの摩耗や破れは、しばしばそ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働き
指定された電圧を超えると、ダイオードの抵抗が増加し、ダイオードに逆バイアスがかかり、オープンスイッチとして機能します。 印加された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を説明しています。
スイッチングダイオードは、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接合を備えています。 上記の回路は、正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表しています。
リンギング
それまで順方向電流が流れると、突然の逆電圧で、すぐにスイッチがオフになるのではなく、インスタンスに逆電流が流れます。 漏れ電流が大きいほど、損失が大きくなります。 ダイオードに突然逆バイアスがかかった場合の逆電流の流れにより、 RINGING と呼ばれる振動がわずかに発生することがあります。
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。
ダイオードのスイッチング時間
バイアス条件を変更している間、ダイオードは*過渡応答*を受けます。 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、回路に影響します。 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重要な基準です。
- ダイオードがその定常状態を回復するまでにかかる時間は、*回復時間*と呼ばれます。
- 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えるためにかかる時間間隔は、* Forward Recovery Time。（$ t _ \ {fr} $）*と呼ばれます。
- ダイオードが順方向バイアス状態から逆方向バイアス状態に切り替えるのにかかる時間間隔は、逆回復時間と呼ばれます。 （$ t _ \ {fr} $）
これをより明確に理解するために、スイッチングPNダイオードに電圧が印加され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、ジャンクションから離れて見たときに指数関数的に減少します。 順バイアス状態のため、電圧が印加されると、片側の多数キャリアが反対側に移動します。 彼らは反対側の少数キャリアになります。 この濃度は、ジャンクションでより多くなります。
たとえば、N型を考慮すると、順方向バイアスを適用した後にN型に入る過剰な正孔が、すでに存在するN型材料の少数キャリアに追加されます。
いくつかの表記法について考えてみましょう。
- Pタイプ（ホール）の多数キャリア= $ P _ \ {po} $
- N型（電子）の多数キャリア= $ N _ \ {no} $
- P型の少数キャリア（電子）= $ N _ \ {po} $
- N型の多数キャリア（穴）= $ P _ \ {no} $
順方向バイアス状態-少数キャリアはジャンクションに近く、ジャンクションからそれほど遠くありません。 以下のグラフはこれを説明しています。
Pタイプでの少数キャリアの超過料金= $ P_n-P _ \ {no} $と$ p _ \ {no} $（定常状態値）
Nタイプの過剰少数キャリア料金= $ N _ \ {po} $（定常状態値）を含む$ N_p-N _ \ {po} $
逆バイアス状態-大部分のキャリアはジャンクションに電流を流さないため、現在の状態に参加しません。 スイッチングダイオードは、逆方向のインスタンスに対して短絡として動作します。
少数キャリアはジャンクションを通過し、電流を伝導します。これは*逆飽和電流*と呼ばれます。 次のグラフは、逆バイアス時の状態を表しています。
上図では、点線は平衡値を表し、実線は実際の値を表します。 少数キャリアによる電流は導通するのに十分な大きさなので、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、*逆回復時間（$ t _ \ {rr} $）*と呼ばれます。 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。
上の図から、ダイオード電流のグラフを考えてみましょう。
$ t _ \ {1} $で、ダイオードは突然オン状態からオフ状態になります。ストレージ時間と呼ばれます。 *保存時間*は、過剰な少数キャリア料金を削除するために必要な時間です。 NタイプからPタイプの材料に流れる負の電流は、ストレージ時間中にかなりの量になります。 この負の電流は、
-I_R = \ frac \ {-V _ \ {R}} \ {R}
次の期間は transition time ”（$ t_2 $から$ t_3 $）です
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 $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
Reverse \：\：recovery \：\：time \ left（t _ \ {rr} \ right）= Storage \：\：time \ left（T _ \ {s} \ right）+ Transition \：\：time \左（T _ \ {t} \ right）
一方、OFFからON状態になるには、 Forward recovery time と呼ばれる時間がかかりません。 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
議論した期間の定義を見ていきましょう。
- 保存時間-逆バイアス状態でもダイオードが導通状態を維持する期間は、*保存時間*と呼ばれます。
- 移行時間-非導通の状態に戻るまでに経過した時間、つまり 定常状態の逆バイアスは、*遷移時間*と呼ばれます。
- 逆回復時間-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を*逆回復時間*と呼びます。
- 順方向回復時間-ダイオードが逆バイアスから順方向バイアスに変化するのに必要な時間を*順方向回復時間*と呼びます。
ダイオードのスイッチング時間に影響する要因
以下のような、ダイオードのスイッチング時間に影響する要因はほとんどありません
- ダイオード容量-PN接合容量はバイアス条件に応じて変化します。
- ダイオード抵抗-状態を変更するためにダイオードが提供する抵抗。
- ドーピング濃度-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。
- 空乏幅-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、前者の方が優れたスイッチになります。
アプリケーション
以下のような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
- 民生用アプリケーション
- 自動車用途
- 通信アプリケーションなど
