Краткие сведения о полупроводниковых приборах

Полупроводниковые приборы, применяемые в электротехнике

Краткие сведения о полупроводниковых приборах

1.1. Полупроводниковые диодыприменяются в регуляторах напряжения, выпрямителях переменного тока и для защиты схем при неправильном включении источника питания.

Полупроводниковые диоды обладают односторонней проводимостью благодаря образованию переходного слоя, так называемого р - п перехода (потенциального барьера). Таким образом, диод, или неуправляемый вентиль, как элемент электрической цепи представляет собой нелинейное несимметричное активное сопротивление, величина которого, зависит от величины и полярности приложенного к нему напряжения.

Одной из важнейших характеристик полупроводникового диода является зависимость силы тока, протекающего через диод, от приложенного напряжения, т. е. вольт - амперная характеристика (рис.1).

Направление, в котором полупроводниковый диод имеет малое сопротивление называется прямым, или проводящим, противоположное направление с большой величиной сопротивления называется обратным, или запирающим. Соответственно токи, протекающие через полупроводниковый диод, в зависимости от полярности приложенного напряжения называются прямыми или обратными.

Рис. 1. Вольт – амперные характеристики полупроводникового диода

Величина сопротивления полупроводниковых диодов в прямом направлении может быть в пределах от десятых до сотых долей Ома, а в обратном направлении достигает десятков и сотен тысяч Ом.

На вольт - амперной характеристике можно выделить две ветви и ряд характерных участков:

Б — прямая ветвь вольт – амперной характеристики;

В, Г, Д — обратная ветвь;

На прямой ветви в ее начале диод имеет сравнительно высокое сопротивление. При достижении U_прям = AU_Н (несколько десятых долей вольта) сопротивление резко падает и начинается участок Б — малого сопротивления.

На обратной ветви характеристики — три участка.

В — небольшой участок, на котором диод имеет сравнительно высокую проводимость в обратном направлении.

Г — участок, на котором наступает явление насыщения, при котором рост тока замедляется.

Д — участок определяется наступлением пробоя диода. При этом обратный ток резко возрастает и в зависимости от типа полупроводникового диода и условий его работы наступает обратимый или необратимый пробой р - п перехода.

Величина напряжения, при котором наступает пробой, называется пробивным напряжением. С целью предотвращения отказа в работе р—п перехода при кратковременных обратных напряжениях созданы специальные типы полупроводниковых диодов с так называемой лавинной обратной характеристикой (штрих - пунктирная линия). В этом случае пробой происходит равномерно по всей его поверхности, и если мощность, выделяемая в переходе, не превышает определенной величины, пробой является обратимым.

Основные параметры, определяющие работу полупроводникового диода в схеме выпрямителя:

- допустимое среднее значение силы тока в прямом и обратном направлении, которое ограничивается нагревом диода (температурой р - п перехода);

- допустимое обратное напряжение на диоде, которое ограничивается электрической прочностью диода.

Величины I_{н.. прям} и U_{н. обр} не являются постоянными и зависят от условий работы диода.

I_{н.. прям} зависит от интенсивности охлаждения диода и может изменяться в связи с этим в довольно широких пределах.

U_{н. обр} также зависит от температуры р - п перехода, что определяется степенью нагрузки и видом охлаждения диода.

Заводом-изготовителем рекомендуются определенные режимы работы диода и указываются допустимые значения рабочих параметров.

В паспорте неуправляемого полупроводникового диода указываются:

- номинальная рабочая сила тока I_н.прям в прямом направлении (среднее значение);

- номинальное обратное напряжениеU_н._обр (амплитуда);

- падение напряжения на диоде в прямом направлении при номинальной силе тока (среднее значение);

- для диода с лавинной характеристикой — допустимая мощность, рассеиваемая диодом при пробое, с определенной длительностью импульса обратного тока;

- предельная величина и длительность перегрузок.

В генераторах переменного тока для выпрямления переменного тока применяются плоскостные германиевые и кремниевые диоды. Диапазон их рабочих токов и напряжений довольно широк.

Германиевые диоды по сравнению с кремниевыми обладают меньшим прямым падением напряжения, а также меньшими значениями допустимых обратных напряжений. Предельная температура р—п перехода германиевых диодов (75—100° С) существенно ниже, чем у кремневых (150 - 200° С).

При необходимости полупроводниковые диоды могут соединяться параллельно. При этом для равномерного распределения прямого тока между диодами необходимо включать в цепь диода с меньшим сопротивлением небольшие (доли Ома) добавочные резисторы.

Германиевые и кремниевые диоды обладают значительными допустимыми прямыми токами и обратными напряжениями, что обусловило их широкое применение в схемах. Кремниевые диоды по сравнению с германиевыми обладают меньшим обратным током I_обр, большей нагревостойкостью, однако у них несколько большие потери при пропускании прямого тока.

Кремниевые плоскостные диоды, работающие в области пробоя, получили название стабилитронов или опорных д и о д о в.

1.2. Стабилитрон обладает свойством сохранять высокое значение своего сопротивления до определенного значения напряжения, которое прикладывается к нему в обратном (непроводящем) направлении. При этом ток через стабилитрон практически не проходит. Начиная с некоторого значения напряжения, которое называется напряжением стабилизации U_Ct, проводимость стабилитрона резко повышается, и стабилитрон начинает проводить ток.

В автомобильном электрооборудовании стабилитроны применяют в бесконтактных регуляторах напряжения, системах зажигания на полупроводниках, электронных тахометрах и спидометрах и для защиты полупроводниковых приборов от перенапряжений. Особенностью р—п перехода кремниевого стабилитрона является то, что при напряженности электрического поля примерно 250000 В/см в нем происходит лавинообразное разрушение валентных связей, в результате чего проводимость диода в обратном направлении резко возрастает, поэтому увеличение силы обратного тока на несколько порядков происходит почти при постоянном обратном напряжении. Выбор кремния в качестве материала для диода определяется тем, что проводимость у кремния при номинальной температуре много ниже, чем у германия, и, следовательно, сила тока насыщения I_нас меньше. Благодаря малой силе тока насыщения при пробое не происходит саморазогрева диода и лавинный пробой не переходит в тепловой. Характеристика диода в области пробоя не имеет падающего участка, наоборот, с ростом силы тока, протекающего через диод, напряжение на нем несколько возрастает. Так, например, для стабилитрона Д813 при изменении силы тока от 5 до 20 мА напряжение стабилизации изменяется от 13 до 13,6 В.

Напряжение стабилизации кремниевого стабилитрона определяется напряжением пробоя. Рабочий участок на вольт-амперной характеристике (рис. 2) ограничен минимальными и максимальными допустимыми токами.

I_{ст mах} определяется допустимой для прибора мощностью рассеяния, I_{ст min} — началом устойчивого пробоя.

Параметрами стабилитрона являются:

- напряжение стабилизации U_ст;

- максимальные и минимальные силы тока стабилизации для кремния, (I _{Ст ном} = 5 мА при t° = 20°C);

- дифференциальное (динамическое) сопротивление в области стабилизации напряжения

- динамическое сопротивление — отношение приращения напряжения к приращению силы тока в области пробоя (в области стабилизации напряжения):

Динамическое сопротивление кремниевых стабилитронов невелико (5—50 Ом). Чем выше сила тока стабилизации, тем меньше динамическое сопротивление.

Вольт - амперные характеристики кремниевых стабилитронов в области стабилизации линейны при изменении обратного тока в диапазоне нескольких порядков.

Температурный коэффициент напряжения стабилизации С, %/°С

где U _CT1 — напряжение стабилизации при температуре t₁; напряжение стабилизации при температуре t₂; U_Ct напряжение стабилизации при температуре 20° С; t₁ и t₂— температура окружающей среды.

Температурный коэффициент является величиной практически постоянной, при изменении силы тока стабилизации в допустимых пределах величина его колеблется от —0,1 до +0,12%. Чем выше напряжение стабилизации, тем выше температурный коэффициент.

В настоящее время выпускаются стабилитроны, имеющие напряжение стабилизации в пределах 5—100 В при t= —60-f- +125° С. У маломощных стабилитронов мощность рассеяния порядка сотен милливатт, у мощных — до 8 Вт.

Маркировка полупроводниковых диодов, разработанных после 1964г., предусматривает шесть символов. Первый символ – буква (для приборов общего применения) или цифра (для приборов специального назначения), указывающая исходный полупроводниковый материал, из которого изготовлен диод: Г (1) – германий, К (2) – кремний, А (3) –GaAS. Второй символ – буква, обозначающая подкласс диода: Д – выпрямительные, высокочастотные(универсальные) и импульсные диоды: В – варикапы; С – стабилитроны и стабисторы; Л – светодиоды. Третий символ – цифра, указывающая назначение диода (у стабилитронов – мощность рассеяния): например, 3-переключательный, 4-универсальный и т.д. Четвертый и пятый символы - двузначное число, указывающее порядковый номер разработки (у стабилитронов – номинальное напряжение стабилизации). Шестой символ – буква, обозначающая параметрическую группу прибора (у стабилитронов – последовательность разработки).

Примеры маркировки диодов:

- ГД412А – германиевый (Г), диод(Д), универсальный(4), номер разработки 12, группа А.

- КС196В – кремниевый (К), стабилитрон (С), мощность рассеяния не более 0,3Вт (1), номинальное напряжение стабилизации 9,6 В (96), третья разработка (В).

Для полупроводниковых диодов с малыми размерами корпуса используется цветная маркировка в виде меток, наносимых на корпус прибора.

Рис.2 а: Условное графическое изображение диодов

(6-светодиод, 7-фотодиод).

Светодиод – полупроводниковый диод, излучающий из области p-n-перехода кванты энергии. Излучение испускается через прозрачную стеклянную пластину, размещенную в корпусе диода.

Фотодиод – полупроводниковый прибор, принцип действия которого основан на использовании внутреннего фотоэффекта – генерации в полупроводнике под действием квантов света (фотонов) свободных носителей заряда. Фотодиод используют для преобразования светового излучения в электрический ток.

1.3.Транзистор — плоскостной полупроводниковый триод. При изменении полярности и величины напряжения, прикладываемого к зажимам эмиттер-база, изменяет свое сопротивление (между зажимами эмиттер-коллектор) в очень широких пределах. Это свойство транзисторов позволяет применять их в схемах регуляторов напряжения для работы в ключевом режиме. Кроме того, транзисторы могут работать, помимо ключевого, в усилительном режиме. Это свойство транзисторов используется в контактно-транзисторных системах зажигания.

На рис.3 приведены структурные схемы транзисторов двух типов p-n-p и n-p-n.

Рис. 3. Графическое обозначение транзисторов: а — типа р — п — р; б — типа п — р — п

Рис.4: Структура сплавного диффузионного транзистора.

Необходимо подчеркнуть, что триод представляет собой, обратимый прибор, т. е. эмиттер Э и коллектор К можно менять местами, сохранив в той или иной мере работоспособность прибора. Такой вывод вытекает из однотипности крайних слоев. Однако в связи с несимметричностью структуры (рис. 4), а также различием материалов эмиттера и коллектора в некоторых типах триодов нормальное и инверсное включения триода не равноценны.

Так как каждый из двух транзисторных переходов может находиться в открытом или закрытом состоянии, возможны четыре режима работа транзистора (табл. 1).

Таблица 1