ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ И ТИРИСТОРОВ

К полупроводниковым относятся материалы, которые при комнатной температуре имеют удельное сопротивление r=10^-3... 10¹⁰ Ом× см, зависящее от температуры, освещенности, ионизирующего излучения, электрического поля и др.

Для изготовления полупроводниковых приборов применяют простые полупроводниковые вещества - германий, кремний, селен - и некоторые химические соединения, например, арсенид галлия GaAs, антимонид индия InSb, фосфид индия InP, карбид кремния SiC.

Полупроводники имеют кристаллическую структуру, которая однородна при температуре абсолютного нуля. По мере нагрева часть валентных связей нарушается вследствие тепловых колебаний в кристаллической решетке, что приводит к одновременному образованию свободных электронов и незаполненных связей (дырок). Генерация пар носителей заряда может происходить также под действием света, электрического поля, излучения и др. Электропроводность собственного полупроводника, обусловленную парными носителями заряда (электронами и дырками), называют собственной. Вводя в собственный полупроводник примеси, получают примесную электропроводность. Донорные примеси, атомы которых отдают электроны, образуют полупроводники с преобладающей электронной электропроводностью (n-типа). Полупроводники с преобладающей дырочной электропроводностью называют полупроводниками p-типа, а соответствующие примеси - акцепторами.

Область на границе контакта двух полупроводников с противоположным типом электропроводности называется электронно-дырочнымили n-p-переходом. Переход обладает несимметричной проводимостью, т. е. имеет нелинейное сопротивление. Работа большинства полупроводниковых приборов (диодов, тиристоров и др.) основана на использовании свойств n-p-переходов.

Рассмотрим процессы в n-p-переходе при отсутствии внешнего источника напряжения (рис.1.1). Так как носители заряда совершают беспорядочное тепловое движение, то происходит их диффузия из одного полупроводника в другой. Концентрация электронов в n-слое больше, чем в p-слое, и часть электронов перейдет из n-слоя в p-слой. Одновременно наблюдается диффузионный переход дырок из p-слоя в n-слой. В результате в n-слое ос тается нескомпенсированный объемный заряд положительных ионов (в основном донорной примеси), а в p-слое - нескомпенсированный объемный заряд отрицательных ионов акцепторной примеси. Между образовавшимися объемными зарядами возникает контактная разность потенциалов U_к=j_n-j_p и электрическое поле напряженностью Е_к. На потенциальной диаграмме n-p-перехода (рис.1.1б) за нулевой потенциал принят потенциал граничного слоя. В n-p-переходе возникает потенциальный барьер, препятствующий диффузионному перемещению носителей заряда. Высота барьера равна контактной разности потенциалов и обычно составляет десятые доли вольта. На рис.1.1б изображен барьер для дырок, стремящихся за счет диффузии перемещаться из области p в область n.

Таким образом, в n-p-переходе вследствие ухода электронов и дырок вглубь p- и n-областей образуется обедненный зарядами слой, называемый запирающим и обладающий большим сопротивлением в сравнении с сопротивлением остальных объемов n- и p-областей.

Если источник внешнего напряжения положительным полюсом подключить к полупроводнику p-типа и отрицательным к n-типа (прямое включение), то электрическое поле, создаваемое в n-p-переходе прямым напряжением U_пр, действует навстречу контактной разности потенциалов U_к. Потенциальный барьер понижается до величины U_к-U_пр, уменьшаются толщина запирающего слоя и его сопротивление R_пр.

Если полярность внешнего источника изменить на обратную, то потенциальный барьер возрастает до величины U_к+U_обр. В этом случае через переход могут пройти только неосновные носители: электроны из p-области в n-область и дырки во встречном направлении. Так как концентрация основных носителей заряда на насколько порядков выше концентрации неосновных, то прямые токи на несколько порядков больше обратных. Электронно-дырочный переход обладает выпрямляющими свойствами, которые используются для создания диодов.

Диодом называют полупроводниковый прибор с одним n-p-переходом и двумя внешними выводами. По назначению диоды делят на выпрямительные, высокочастотные, импульсные, стабилитроны и т.д. Их изготавливают на основе германия или кремния. Выпрямительные диоды пред назначены для преобразования переменного тока низкой частоты в постоянный ток. Вольтамперная характеристика (ВАХ) выпрямительного диода, его условное графическое изображение и буквенное обозначение даны на рис.1.2. Основные параметры выпрямительного диода: предельно допустимый постоянный ток диода I_пр.max и максимально допустимое обратное напряжение U_обр.max.

Стабилитрон представляет собой кремниевый полупроводниковый диод, который нормально работает при электрическом пробое n-p-перехода. При этом напряжение на диоде незначительно зависит от протекающего тока. Электрический пробой не вызывает разрушения перехода, если ограничить ток до допустимой величины. Стабилитроны применяют для стабилизации постоянного напряжения. ВАХ стабилитрона и его условное графическое обозначение приведены на рис.1.3. Основные параметры стабилитрона: напряжение стабилизации U_ст.ном, минимальный I_cт.min и максимальный I_ст.max токи стабилизации, максимальная мощность P_ст.max.

Тиристором называют полупроводниковый прибор с тремя или более n-p-переходами и двумя (динистор) или тремя (тринистор) выводами. Он может находиться в одном из двух устойчивых состояний: низкой проводимости (закрыт) или высокой проводимости (открыт). Структура, условное графическое и буквенное обозначения тиристора, его вольтамперная характеристика даны на рис.1.4а, б, в.

Основу прибора составляет кристалл кремния, в котором созданы четыре слоя с разными типами электропроводности. Внешний p-слой называют анодом (А), внешний n-слой - катодом (К), а два внутренних слоя - базами. Одна из баз имеет вывод - управляющий электрод (У).

При прямом включении (анод положителен по отношению к катоду) переходы П1 и П3 смещены в прямом направлении, а переход П2 - в обратном направлении. До тех пор, пока П2 закрыт, прямой ток практически равен нулю (участок оа характеристики рис. 1.4в). При некотором значении прямого напряжения, равном U_вкл.max, за счет перераспределения зарядов в области баз переход П2 открывается (точка а). Сопротивление его быстро уменьшается (участок аб), и тиристор работает на участке бв характеристики, которая подобна ВАХ диода.

Напряжение включения U_вкл.max можно уменьшить введением добавочных носителей заряда в любой из слоев, прилегающих к переходу П2. Добавочные носители заряда на рис.1.4а вводятся в слой p от вспомогательной управляющей цепи с независимым источником Е_y. При увеличении тока управления I_y характеристика (рис.1.4в) смещается влево (к естественной прямой ветви ВАХ диода). Тиристор остается во включенном состоянии, пока протекающий через него ток больше критического, называемого током удержания I_уд. Как только I_пр станет меньше I_уд, тиристор закрывается.

Следует отметить, что после включения тиристора объемные заряды в области перехода П2 будут компенсированы основным током, если он больше тока I_уд, и тогда ток управления I_у не нужен. Поэтому для снижения потерь в тиристоре он управляется короткими импульсами I_у.

При обратном включении тиристора (анод отрицателен по отношению к катоду) закрыты два перехода П1 и П3, и тиристор тока не проводит. Во избежание пробоя необходимо, чтобы обратное напряжение было меньше U_обр.max.

Основные параметры, используемые при выборе тиристоров: предельно допустимый анодный ток в открытом состоянии тиристора I_пр.max, предельно допустимое обратное напряжение U_обр.max, предельно допустимое прямое напряжение в закрытом состоянии тиристора U_пр.max, ток удержания I_уд.

Маломощные тиристоры применяют в релейных схемах и маломощных коммутирующих устройствах. Мощные тиристоры используют в управляемых выпрямителях, инверторах и различных преобразователях.