ЕЛЕКТРОТЕХНІКА У БУДІВНИЦТВІ

Елементи напівпровідникової техніки

13.1.1. Принцип дії напівпровідникових приладів заснований на явищі однобічної провідності межі розділу двох напівпровідників з різними типами електропровідності: електронної (електропровідність n-типу) і діркової (елект­ропровідність р-типу). Область електропровідності n-типу характеризується тим, що проходження струму тут відбувається за рахунок переносу негативно заряджених електронів, надлишкова кількість яких створюється шляхом вве­дення до монокристалу напівпровідника донорних домішок, наприклад сурми, миш'яку, фосфору. В області електропровідності р-типу проходження струму обумовлене переносом позитивно заряджених “дірок” (дірка - це атом, у якого не вистачає одного електрона і який має позитивний заряд, що за абсолютною величиною дорівнює заряду електрона). Дірки отримують шляхом введення до монокристалу напівпровідника акцепторних домішок, наприклад індію, бору, алюмінію.

Крім цього в примісних напівпровідниках завжди поряд з основними но­сіями, концентрація яких велика, існують також неосновні носії: дірки в напів­
провідниках n-типу та електрони в напівпровідниках р-типу. У напівпровідни­ках без домішок число електронів завжди дорівнює числу дірок.

При безпосередньому контактуванні двох напівпровідників, один з яких має електронну, а інший діркову електропровідність, отримується так званий електронно-дірковий перехід (р-п перехід), основною властивістю якого є зале­жність величини його опору від полярності прикладеної напруги. Для приєд­нання до зовнішнього кола в р-п зонах напівпровідника створюють омічні кон­такти з виводами.

Розглянемо на прикладі двошарового кристала кремнію процеси, що відбу­ваються в р-п переході при впливі на нього зовнішньої напруги. Якщо до р-області прикласти позитивний потенціал, а до n - області - негативний, то основні носії струму будуть рухатися в приграничному шарі назустріч один одному (рис. 13.1 ,а). В результаті опір р-п переходу зменшується і через границю розділу про­ходить прямий струм /пр, обмежений практично тільки опором навантаження Rh. Зовнішня напруга ипр такої полярності називається прямою або провідною.

При зміні полярності прикладеної напруги (рис. 13.1,б) дірки в р-області й електрони в n-області напівпровідника будуть віддалятися від границі розділу, що приводить до збільшення опору р-п переходу, а потік основних носіїв зме­ншується до нуля. Через р-п перехід проходить незначний струм, створюва­ний неосновними носіями, для яких прикладена різниця потенціалів є приско - рювальною. Зовнішня напруга такої полярності називається зворотною извор або замикаючою, а обумовлений нею невеликий струм - зворотним струмом /звор.

б

Рис. 13.1 - Проходження струму через р-п перехід напівпровідникового діода: а - відкритий (провідний) стан; б - закритий (непровідний) стан; в - вольт-амперна характеристика

Таким чином, значення і напрям струму, що проходить через р-n перехід двошарової напівпровідникової структури, залежать від значення і знака зовні­шньої напруги, тобто р-п перехід має випрямляючі (вентильні) властивості.

Залежність струму /, що проходить через р-n перехід, від прикладеної до ньо­го напруги U називається вольт-амперною характеристикою (ВАХ) переходу. Ця характеристика має дві гілки (рис. 13.1 ,в): одна розташована в першому квадранті і відповідає провідному напрямку в р-n переході (прямому струму в ньому), друга - у третьому квадранті і характеризує замикаючі властивості переходу.

13.1.2. Некеровані діоди. У пристроях промислової електроніки викори­стовуються кремнієві, германієві і селенові некеровані діоди, або вентилі.

Кремнієві діоди. Розглянемо будову і ВАХ кремнієвого діода (рис. 13.2). Вихідним матеріалом цих діодів є тонкі пластинки, вирізані з монокристалу кремнію з електронним типом електропровідності, в яких сплавленням з алю­мінієм або дифузією у кремній атомів алюмінію або бору створено шар з елект­ропровідністю р - типу.

Кремнієвий диск з р-п переходом припаюють між молібденовими пласти­нками (рис. 13.2,а), які мають приблизно такий же коефіцієнт лінійного розши­рення, як і кремній, і гарну теплопровідність. Електрод, що приєднується до шару напівпровідника з електропровідністю n-типу, є катодом K, а електрод, що приєднується до шару з електропровідністю р-типу - анодом А. Отримана в такий спосіб двошарова монокристалічна р-n структура міститься в нерозбір- ному герметичному металоскляному або керамічному корпусі, який захищає її від зовнішніх впливів (вологи, бруду, механічних ушкоджень).

Нижня частина корпуса виконана у вигляді шестигранної гайки і закін­чується шпилькою з різьбленням для вгвинчування вентиля до охолоджува­ча. Така конструкція корпуса діода за­безпечує гарний відвід тепла від р-n переходу до навколишнього середо­вища і служить як зовнішній вивід ка­тода. Зовнішнім виводом анода є гнуч­кий мідний провід з наконечником, ізольований від корпуса ізолятором.

На рис. 13.3 зображені ВАХ кремнієвого діода на номінальний струм 200 А. Пряма гілка має дві характерні ділянки: на першій ділянці, що майже співпадає з віссю абсцис, вентиль має великий опір, із зростанням прямої напруги струм росте незначно; на другій ділянці при збільшенні ипр > ио опір вентиля різко зменшуєть­ся, а прямий струм /пр зростає до значень, обумовлених опором навантаження.

На зворотній гілці розрізняють три характерних ділянки: перша ділянка ОА порівняно невелика, вентиль має ще малу провідність і через перехід проходить невеликий струм /звор, вимірюваний міліамперами; на другій ділянці АБ при знач­ному збільшенні зворотної напруги струм /звор досягає насичення і зростає незнач­но; третя ділянка БВ характерна тим, що при певних значеннях зворотної напруги струм /звор різко зростає і наступає пробій р-п переходу. Величина напруги ип, при якій зворотна гілка різко вигибається, називається пробивною напругою.

Для нормальної роботи вентиля припустиму (номінальну) зворотну на­пругу извор. н беруть удвічі меншою порівняно з пробивною напругою ип.

Кремнієві силові вентилі випускають на струми від 10 до 1000 А і зворот­ні напруги від 100 до 1500 В.

Г ерманієві діоди в порівнянні з кремнієвими мають менше пряме падін­ня напруги, а також менші значення припустимих зворотних напруг (500 - 600 В в порівнянні з 700 - 1500 В у кремнієвих діодів). Зворотний струм цих ді­одів на порядок більший, ніж у кремнієвих.

Селенові діоди допускають значно менші щільності прямого струму 50­60 мА/см і менші значення зворотної напруги 40^50 В, ніж германієві і кремні­єві, що допускають щільності прямого струму 40^80 А/см і значення зворотної напруги 400^1200 В.

Для підвищення значення £/звор. доп широко використовують послідовне з'єднання селенових елементів в одному випрямному стовпчику, при цьому не потрібне застосування дільників напруги, як для германієвих і кремнієвих діо­дів. Характерною рисою селенових випрямлячів є більша перевантажувальна здатність (оскільки вони мають значну теплову інерцію) у порівнянні з германі­євими і кремнієвими, а також менша чутливість до короткочасних перенапруг.

Відзначені властивості селенових діодів є стимулом до застосування їх у випрямлячах на низькі напруги і великі струми: зарядні пристрої, гальванічні й електролітичні установки та ін.

ВАХ напівпровідникових діодів залежать від температури р-п переходу. Із зростанням температури у всіх типів діодів мають місце зниження прямого падіння напруги при тих же прямих струмах, значне збільшення зворотного струму, супроводжуване невеликим збільшенням пробивної напруги в кремніє­вих і селенових діодів.

13.1.3. Керовані діоди - тиристори. Основним елементом керованих діодів або, як їх частіше називають, тиристорів є кремнієвий диск з електронним типом електропровідності, в якому спеціальними технологічними методами створюється чотиришарова напівпровідникова структура, де чергуються шари з різними типами електропровідності (р-п-р-п). У результаті виходить монокристалічна структура з трьома р-п переходами П1 - П2 - П3, включеними послідовно (рис. 13.4,а).

Напівпровідникова структура тиристора монтується в металоскляний або в керамічний корпус, основа якого має шпильку з різьбленням і є зовнішнім ви­водом анода, а катодом - гнучкий мідний вивід з наконечником. Керуючий еле­ктрод виводиться убік катода (рис. 13.4,в) або міститься в металокерамічному таблетковому корпусі круглої форми, що герметизують холодним зварюванням.

Таблетковий корпус діода за допомогою притискного пристрою з'єднується з охолоджувачами з алюмінієвих сплавів, забезпечуючи електричні і термічні контакт­ні з'єднання структури корпуса й охолоджувачів, які мають розвинену поверхню. Струмовідвід від анода і катода тиристора здійснюється безпосередньо з охолоджу­вачів за допомогою мідних шин, вивід від керуючого електрода розташований збоку.

При включенні тиристора до електричного кола з регульованим джерелом по­стійного струму (рис. 13.5), полярність якого можна змінювати, зв'язок між струмом, що проходить через тиристор у прямому і зворотному напрямках, і напругою між анодом і катодом відбиває статична ВАХ (рис. 13.6). Якщо коло керуючого електро­да тиристора не підключене до джерела Ц а напруга між анодом і катодом не пере­вищує припустимого значення напруги перемикання ипер, то незалежно від полярно­сті прикладеної напруги Цж між анодом і катодом струм практично не протікає.

Дійсно, якщо на анод тиристора подається негативний потенціал, а на ка­тод - позитивний, то до середнього переходу П2 (рис. 13.5) буде прикладена пряма напруга ипр, а до переходів П1 і П3, що з'єднані послідовно, зворотна на­
пруга ипер. Тиристор буде замкненим. Через нього і у зовнішньому колі про­ходить невеликий зворотний струм /звор, що відповідає зворотній гілці ВАХ тиристора. Якщо ж до анода і ка­тода тиристора прикласти потенціали з протилежною полярністю, то до пере­ходу П2 буде прикладена зворотна на­пруга, що знову визначає закритий стан тиристора.

Перехід тиристора із закритого Рис.13.5 - Схема для зняття характери - стану у відкритий може бути здійсне - стик тиристора ний двома способами:

1) подачею на анод тиристора прямої напруги, що перевищує напругу пере­микання ипер (рис. 13.6), при цьому різко зменшується його опір (тиристор відкри­вається) і збільшується струм, значення якого обмежується опором зовнішнього ко­ла. Однак таке відкривання по аноду (напругою) для тиристорів не допускається;

/пр, А

2) подачею на керуючий електрод позитивного імпульсу напруги ик при прямій напрузі на аноді тиристора. Під дією ик через перехід П3 буде проходи­ти невеликий струм /к, що нейтралізує дію закритого переходу П2, і тиристор відкривається при меншому значенні ипер. У напрямку від анода до катода ти­ристора буде проходити прямий струм /пр, значення якого практично обмежу­ється тільки опором зовнішнього кола Rh, оскільки падіння напруги у відкрито­му тиристорі до-сить мале і не перевищує 0,5 - 1,2 В.

Такий процес відкриття тиристора відбувається дуже швидко (не більше 15 - 20 мкс). Із зростанням Ік знижується напруга перемикання ипер тиристора і відкри­тому стану приладу відповідає ВАХ звичайного некерованого діода. Якщо змінити полярність напруги, прикладеної між анодом і катодом тиристора, то раніше від­критий перехід П2 протягом 25 - 250 мкс (залежно від потужності тиристора) відно­влює свої замикаючі властивості і тиристор знову готовий до роботи.

При живленні тиристора від джерела постійного струму його замикаючі властивості можна відновити тільки шляхом розриву анодного кола або за до­помогою спеціальних пристроїв короткочасно створити на аноді негативну на­пругу. При живленні від джерела змінної напруги тиристор закривається під час негативної напівхвилі напруги.

13.1.4. Напівпровідникові тріоди - транзистори є електронними прила­дами, заснованими на властивостях двох розташованих досить близько один від одного електронно-діркових р-и-переходів. Наявність трьох шарів з різною провідністю спричиняє на межах їхнього розділу два р-и-переходи, що характе­ризуються динамічною рівновагою.

Транзистори діляться на дві групи - біполярні й уніполярні. До біполярних належать транзистори, струм у яких обумовлений носіями двох типів (електрона­ми й дірками). В уніполярних (їх ще називають польовими) транзисторах струм обумовлений носіями тільки одного знака (або електронами або дірками). Будову і принцип роботи транзистора розглянемо на прикладі біполярних транзисторів.

Біполярний транзистор являє собою тришарову структуру типу п-р-п (рис. 13.7) або типу р-п-р. На рис. 13.8,а і б показані умовні зображення цих транзисторів. Транзистор називається біполярним тому, що фізичні процеси в ньому пов'язані з рухом носіїв зарядів обох знаків (вільних дірок і електронів).

Середній шар транзистора називається базою Б, один крайній шар - коле­ктором К, а інший крайній шар - емітером Е. Кожний шар має вивід, за допо­могою якого транзистор включається до кола.

Рис.13.8 - Позначення транзисторів: а - типу п-р-п; б - типур-п-р

Можливі три варіанти схеми включення транзистора (табл. 13.1): зі спі­льним емітером (СЕ), спільною базою (СБ) і спільним колектором (СК).

Незалежно від схеми включення транзистори можуть працювати в одно­му з чотирьох режимів, що відрізняються полярністю напруги на переходах емітер-база і колектор-база.

1. Нормальний активний режим, в якому перехід емітер-база включений в прямому напрямку, а перехід колектор-база - у зворотному;

2. Інверсний активний режим, в якому перехід емітер-база включений у зворотному напрямку, а перехід колектор-база - у прямому;

колектора від значення напруги иКБ > 0 залежить мало. Незначна частина віль­них електронів, інжектованих з емітера до бази, утворює струм ІБ у колі бази.

Зв'язок між струмами колекторного й емітерного кіл транзистора харак­теризується коефіцієнтом передачі струму

а = іК/іЕ. (13.1)

Число рекомбінуючих у базі основних носіїв заряду емітера визначає струм бази: іБ = іЕ - іК. При розгляді підсилювальних властивостей транзисторів для змінних сигналів схеми їхнього включення розглядають без джерел жив­лення, оскільки в порівнянні з іншими опорами внутрішні опори джерел жив­лення досить малі. Найбільш часто використовують схему зі СЕ, за допомогою якої здійснюють посилення за струмом, напругою, потужністю. Для цієї схеми коефіцієнти підсилення визначаються з виразів:

де Яеб - опір переходу емітер-база; ( = -^—.

1 - а

При цьому вихідна напруга мвих перебуває у протифазі з вхідною напру­гою ивх.

Для схеми транзистора зі СБ коефіцієнти підсилення за струмом, напру­гою і потужністю знаходять з виразів

і і

вих к

k = — = - = а < 1 ; (13.5)

Івх Іб

u і • R R

ku =— = = а> 1; (13.6)

ивх іб ' Rex Re6

kp = krku = kі = P + 1 =

1 - a