Полупроводниковые диоды. В пограничном слое двух полупроводников с различным характером электропроводности при одном направлении тока дырки и электроны движутся навстречу друг другу

В пограничном слое двух полупроводников с различным характером электропроводности при одном направлении тока дырки и электроны движутся навстречу друг другу, и при их встрече происходит рекомбинация. В цепи, таким образом, протекает ток (рис. 12.4 а).

Если изменить направление тока на обратное (рис.12.4 б), то изменится и направление движения дырок и электронов. Носители зарядов при этом не приближаются к граничной поверхности полупроводников, а удаляются от нее.

а) б)

Рис. 12.4

В результате в пограничной области образуется слой, лишенный свободных носителей зарядов. Постоянный ток через этот слой проходить не может. В реальных условиях очень малый ток проходит через этот слой вследствие наличия в полупроводнике, наряду с примесной, некоторой собственной электропроводности. Однако сопротивление цепи в этом случае (рис. 12.4 б) во много раз больше, чем в предыдущем случае (рис. 12.4 а).

Электронно-дырочный, или p-n, переход представляет собой электрический переход между p и n зонами полупроводника. Электронный прибор с таким переходом называется полупроводниковым диодом. Он обладает односторонней проводимостью. Все полупроводниковые диоды по конструктивному исполнению делят на точечные и плоскостные. Точечный диод состоит из пластины германия или кремния с электропроводностью n-типа и вплавленной в нее стальной проволочкой (рис. 12.5 а). У точечного диоды линейные размеры p-n - перехода много меньше его толщины. Из-за малой площади контакта пря-

а) б)

Рис. 12.5

мой ток таких диодов, а также их межэлектродная емкость сравнительно малы, поэтому их используют в основном для выпрямления тока в слаботочных устройствах сверхвысокой частоты. Вольт–амперные характеристики точечных диодов приведены на рис. 12.5 б.

В плоскостных диодах p-n - переход образован двумя полупроводниками с различными токами электропроводности, причем линейные размеры перехода много больше его толщины. Площадь перехода колеблется в широких пределах: от долей мкм² до нескольких см², поэтому прямой ток плоскостных диодов составляет от единиц до тысяч ампер. Конструкция и вольт-амперные характеристики плоскостных диодов показаны на рис. 12.6 а, б.

а) б)

Рис.12.6

Основными параметрами диодов являются: прямой максимальный ток диода , прямое напряжение , максимально допустимое обратное напряжение , обратный ток диода .

Стабилитроны

Стабилитрон представляет собой специальный полупроводниковый диод, напряжение электрического пробоя которого очень слабо зависит от протекающего через него тока. Стабилитрон служит для стабилизации напряжения в различных электронных устройствах (например, блоках питания). Вольт-амперная характеристика стабилитрона приведена на рис. 12.7.

Из характеристики видно, что напряжение стабилизации слабо изменяется при достаточно больших изменениях тока стабилизации . Это свойство стабилитрона используют для получения стабильного напряжения в стабилизаторах напряжения.

Одним из основных параметров, учитываемых при выборе стабилитронов, является напряжение стабилизации (пробоя). В справочных данных указывается номинальное напряжение стабилизации для определенного тока. В настоящее время отечественной промышленностью серийно выпускаются стабилитроны с напряжением стабилизации в диапазоне 5…300 В и с допусками на разброс номинального напряжения 5, 10, 15 %. Наличие разброса ограничивает применение некоторых схем включения стабилитронов и приводит иногда к усложнению схем.

Напряжение стабилизации зависит также от температуры стабилитрона. Количественно эта зависимость выражается температурным коэффициентом напряжения , представляющим собой отношение изменения напряжения стабилизации к изменению температуры стабилитрона, приведенное к одному вольту, %/°C

, (12.1)

где и – напряжения стабилизации при температурах и .

Дополнительными характеристиками стабилитрона являются динамическое сопротивление на участке стабилизации , минимальный и максимальный ток стабилизации.

Параметры схем со стабилитронами выбираются так, чтобы длительный средний ток через них был меньше максимально допустимого Значение тока ограничено допустимой по тепловому режиму мощностью рассеяния и представляет собой отношение этой мощности к напряжению стабилизации. Кратковременно же стабилитрон способен выдерживать токи, значительно большие Значение температурного коэффициента возрастает с увеличением напряжения стабилизации. Поэтому в ряде случаев целесообразно заменить один высоковольтный стабилитрон цепочкой низковольтных, соединенных последовательно.

Конструктивно стабилитроны выполняются аналогично выпрямительным диодам.

Тиристоры

Тиристоры представляют собой кристаллическую структуру из четырех слоев чередующихся электронной и дырочной проводимостей (рис. 12.8) с тремя электродами: анодом А, катодом К и управляющим электродом УЭ, отходящими от слоев p₁, n₂ и n₁ соответственно (тиристор с N-управля-ющим электродом). Полупроводниковым материалом для изготовления тиристоров является кремний.

Напряжение питания тиристора является обратным напряжением для электронно-дырочного перехода П₂. Соответственно ток (при = 0) тиристора, представляющий собой обратный ток перехода П₂, является прямым током для переходов П₁ и П₃. Тиристор имеет релейную проходную характеристику (рис. 12.9).

Напряжение питания подается на тиристор таким образом, что переходы П₁ и П₃ открыты, а П₂ закрыт. Вследствие этого ток через тиристор не протекает. Если повышать напряжение , то ток тиристора будет незначительно увеличиваться, пока не достигнет определенного значения.

Рис. 12.8	Рис. 12.9

Происходит лавинообразный пробой внутреннего перехода, ток через тиристор резко возрастает, и тиристор открывается.

Напряжение включения может быть снижено, если в слой ввести дополнительные носители заряда от независимого источника энергии. В зависимости от тока управления можно получить семейство характеристик тиристора (рис. 12.9). Важными параметрами при выборе тиристора являются ток управления и максимальное обратное напряжение

Рис. 12.10

Тиристоры маркируют буквами и цифрами, например, КУ202Н, 2У202Н, где К- или 2 – кремниевые; У-тиристоры; 202Н – обозначение параметров прибора (мощность, частота, напряжение, ток).

Иногда изготовляют тиристоры с симметричной ВАХ. Это достигается встречным соединением двух одинаковых четырехслойных структур или специальных пятислойных структур с четырьмя p-n-переходами. На рис. 12.10 показана структура симметричного тиристора (симистора), предназначенного для работы в цепях переменного тока. Симистор состоит из пяти слоев чередующихся электронной и дырочной проводимостей. Металлические слои М ( ) обеспечивают выключение одного из р-n переходов (П₃ или П₄) в зависимости от направления ЭДС ( ) источника питания. Поэтому при каждом из направлений основного (прямого) тока ( ) функционируют три перехода, как у обычного тиристора.

Возможность работы симистора в цепи переменного тока и управления переменным током является важной для практики его применения. Симистор может управляться и постоянным током.