Свойства электронно - дырочного перехода при наличии внешнего напряжения Включение электронно - дырочного перехода в прямом направлении

 Если двухслойный р – п - полупроводник включить в элек­трическую цепь в прямом направлении, т. е. так, что плюс приложен к р - слою, а минус к n – слою (рис. 8), то напря­жение внешнего электрического поля E_ВН практически все оказывается приложенным к запирающему слою, как к участку с наибольшим сопро­тивлением. Из-за встречного направления внутреннего E _ПЕР и внешнего E_ВН полей результирующая напряженность электрического поля в запирающем слое и потенциальный барьер снижаются: E _РЕЗ = E _ПЕР - E_ВН .

Снижение потенциального барьера приводит к уменьшению объемного заряда и сужению за­пирающего слоя, в результате чего возрастает количество основных носителей заряда, обладающих энергией, достаточной для преодоления р – п - перехода, а как следствие этого - увеличивается диффузионная со­ставляющая тока через переход. При этом дрейфовая составляющая тока практически остаётся постоянной, поскольку не зависит от приложенного напряже­ния, а определяется напряжением поля перехода E _ПЕР и количеством неосновных но­сителей заряда, концентрация которых в примесных полупроводниках по сравнению с основными носителями очень мала.

Поэтому при прямом включении р – п - перехода возникает результирующий ток - прямой ток, протекающий через переход в прямом направлении из р – зоны в п - зону: I _ПР = I _ДИФ - I _ДР > 0.

 

Рис. 8. Прямое включение электронно-дырочного перехода

 Поскольку величина потенциального барьера р – п - перехода обычно составляет несколько десятых долей вольта, то даже небольшое прямое напряжение U _ПР (порядка десятых долей вольта), приложенное к р – п – переходу, вызывает появление большого прямого тока I_ПР , обусловленного высокой концентрацией основных носителей заряда – дырок в р – зоне и электронов в п - зоне и в зависимости от мощности полупроводникового прибора достигающего величины порядка сотен и тысяч ампер. В случае, если прямой ток превышает некоторое значение, допустимое по условиям теплового нагрева полупроводника, то вследствие повышенного тепловыделения происходит быстрый перегрев полупроводника и тепловое разрушение р – п – перехода.

Другими словами при прямом включении р – п – перехода его электрическое сопротивление R _ПР = U _ПР / I_ПР очень мало (порядка десятых – сотых долей ома), поэтому им часто пренебрегают, принимая практически равным нулю (R _ПР ≈ 0) и в этом случае используют выражение « р – п – переход открыт ».

Включение электронно-дырочного перехода в обратном направлении

Если двухслойный р – п - полупроводник включить в элек­трическую цепь в обратном направлении, т. е. так, что плюс приложен к n - слою, а минус к p – слою (рис. 9), то в этом случае направления внутреннего E _ПЕР и внешнего E_ВН полей совпадают и результирующая напряженность электрического поля в запирающем слое и потенциальный барьер возрастают: E _РЕЗ = E _ПЕР + E_ВН .

При этом возрастает заряд двойного электрического слоя и ширина запирающего слоя, поэтому диффузия основных носителей заряда через переход становится практически невоз­можной и диффузионный ток через переход I _ДИФ = 0. В этом случае результирующий ток через переход будет определяться только дрейфовым током неосновных носителей заряда, протекающим в обратном направлении и называемым обратным током:

I _ОБР = I _ДР = I _ДИФ - I _ДР .

  Рис. 9. Обратное включение электронно-дырочного перехода

 Обратный ток I _ОБР , обусловленный движением неосновных носите­лей заряда (дырок из n – зоны в р – зону и электронов из р – зоны в n – зону) под действием возросшего поля перехода E _РЕЗ несколько увеличивается, однако даже при большом обратном напряжении U _ОБР (порядка сотен вольт) остаётся очень незначительным (порядка нескольких милли - микроампер), так как концентрации неосновных (собственных) носителей заряда в полу­проводнике - дырок в n – зоне и электронов в р – зоне очень малы.

Другими словами при обратном включении р – п – перехода его электрическое сопротивление R _ОБР = U _ОБР / I_ОБР очень велико (порядка миллионов ом), поэтому часто его принимают практически равным бесконечности (R _ОБР ≈ ∞) и в этом случае используют выражение « р – п – переход закрыт ».

В случае, если обратное напряжение превышает некоторое допустимое значение, то происходит лавинный электрический (обратимый) пробой р – п – перехода, что приводит к заметному увеличению обратного тока, быстрому перегреву полупроводника и тепловому разрушению р – п – перехода. Электрический и тепловой пробои р – n - перехода во многих случаях происходят одновременно. При чрезмерном разогреве перехода, когда происходит изменение структуры кристалла, переход необра­тимо выходит из строя. Если же при возникновении пробоя ток через р – п - переход ограничен сопротивлением внешней цепи и мощность, выделяющаяся на переходе, невелика, то пробой обратим. В этом слу­чае можно управлять обратным током путем изменения внешнего напряжения, подводимого к переходу.

 ВОЛЬТ – АМПЕРНАЯ  ХАРАКТЕРИСТИКА  (ВАХ) ЭЛЕКТРОННО - ДЫРОЧНОГО ПЕРЕХОДА

 Зависимость силы тока через р – п - переход от приложенно­го напряжения I (U) называется вольт - амперной ха­рактеристикой (ВАХ) электронно - дырочного перехода (рис. 10).

 

 

Рис. 10. Вольт - амперная характеристика электронно-дырочного перехода

а) – идеальная; б) - реальная

 Вольт - амперная характеристика для прямого включения р – п - перехода (прямая ветвь ВАХ «1») и обратного включения (обратная ветвь ВАХ «2») в зависимости от требуемой точности может быть изображена при одинаковом масштабе токов и напряжений (а) и при различном масштабе (б).

При одинаковом масштабе по осям для прямых (положительных) и обратных (отрицательных) значений на­пряжения и тока вольт - амперная характеристика соответствует характеристике идеаль­ного электрического вентиля (а ). Прямая ветвь ВАХ совпадает с осью тока, что означает нулевое падение на­пряжения при протекании прямого тока, т. е. прямое сопротивление р – п - перехода равно нулю (R _ПР = 0) и следовательно р – п – переход открыт. Обратная ветвь ВАХ совпадает с осью напряжения, что означает нулевой ток при включении обратного напряжения, т. е. обратное сопротивление р – п - перехода равно бесконечности (R _ОБР = ∞) и следовательно р – п – переход закрыт. Следовательно, р – п - переход в зависимости от полярности приложенного напряжения обладает вентильными свойствами - односторонней проводимостью, т. е. пропускает электрический ток в прямом направлении и не пропускает в обратном.

В действительности реальная вольт - амперная ха­рактеристика р – п - перехода (б ) несколько отличается от идеальной вентильной характеристики, поэтому, если для точных расчётов необходимо учесть эти отличия, то её строят в раз­ных масштабах для прямых и обратных зна­чений токов и напряжений.

Отношение прямого тока к обратному току при одном и том же напряжении называется коэффициентом выпрямления: К_В = I _ПР / I _ОБР , (U = const ).

Анализ вольт - амперной характеристики р – п - перехода позволяет рассматривать его как нелинейный элемент, сопротивление которого изменяется в зависимости от величины и полярности приложенного напряжения. Нелинейные свойства р – n - переходов лежат в основе работы полупроводниковых преобразователей электрической энергии, используемых для выпрямления переменного тока, изменения частоты и т. д.

Односторонняя (вентильная) проводимость р – п – перехода является его основным отличительным свойством, на использовании которого и основана работа различных полупроводниковых приборов.

 

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

 

Преобразователем электрической энергии явля­ется устройство, которое связывает две (или более) различные электрические системы и позволяет изменять параметры электрической энергии.

Преобразователи электрической энергии можно классифицировать в зависимости от того, какие электри­ческие системы они соединяют. На практике наиболее часто встречаются преобразователи электрической энергии, связывающие две электри­ческие системы (рис. 11).

 

Рис. 11. Преобразователь в электрических системах

 

Электрические системы принято делить на системы постоянного и пере­менного тока, причем системы постоянного тока обычно являются двухпроводными, а сис­темы переменного тока, в свою очередь, однофазными (двухпроводными) или многофазными (многопроводными). Для таких систем можно выделить четыре класса полупроводниковых преобразовательных устройств:

а) – выпрямители - преобразователи переменного тока в постоянный

б) – инверторы - преобразователи постоянного тока в переменный;

в) – преобразователи переменного тока в переменный ток с другими параметрами (преобразователи частоты, преобразо­ватели числа фаз, регуляторы переменного напряжения и т. п.);

г) – конверторы - преобразователи постоянного тока в постоянный ток с другими параметрами.

При этом необходимо учитывать на­правление передачи электрической энергии. Например, когда преобразо­ватель, связывающий системы переменного и постоянного тока, обеспечивает направление потока энергии в сторону системы постоянного тока, он работает как выпрями­тель, если наоборот – он работает как инвертор.

На рис. 12 представлены основные классы преобразователей в слу­чае двухпроводных систем постоянного тока и трехфазных систем перемен­ного тока (стрелками показаны на­правления потока электрической энергии (ЭЭ)).

 

 

Рис. 12. Основные классы преобразовательных устройств

а) – выпрямители; б) – инверторы; в) – преобразователи переменного тока;

г) – преобразователи постоянного тока

 

Иногда применяются преобразова­тельные устройства, представляющие собой сочетание двух или более упо­мянутых классов преобразователей. В ряде случаев целесообразно одни параметры электрической энергии из­менять при помощи полупроводнико­вого преобразователя, а другие - при помощи преобразователя иного типа. Такие комбинированные преобразовательные устройства часто применяются в сис­темах переменного тока, где, напри­мер, изменение частоты производится при помощи полупроводникового пре­образователя, а изменение величины напряжения - при помощи электро­магнитного преобразователя - транс­форматора.

Все преобразователи могут быть выполнены как нерегулиру­емыми, так и регулируемыми, причем регулированию может подлежать один или несколько параметров передаваемой энер­гии: величина и форма напряжения или тока, частота, число фаз и др.

 

СИЛОВЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

 

Базисным элементом современных полупровод­никовых преобразователей электрической энергии является по­лупроводниковый прибор дискретного (ключевого) действия.

В качестве такого простейшего электрического ключа может быть использован полупроводниковый прибор, содержащий p – n – переход и обладающий односторонней проводимостью, т. е. имеющий два устойчивых рабо­чих состояния: «открыт» - при прямом включении и «закрыт» - при обратном включении. Такой прибор при помощи двух силовых выводов (электродов), соединённых с анодом и катодом, включается в электрическую цепь и в открытом состоянии обеспечивает прохождение тока только в одном определенном направлении, а в закрытом состоянии размыкает эту цепь. Полу­проводниковый прибор может быть неуправляемым или управ­ляемым и в этом случае, кроме двух основных электродов, он имеет еще один или несколько вспомогательных выводов для подачи управляющего сиг­нала.

В настоящее время в силовой электронике наиболее широкое распространение получили неуправляемые полупроводниковые приборы дискретного дей­ствия - диоды и управляемые полупроводниковые приборы - тиристоры.

 

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

 

Полупроводниковый диод представляет собой полупро­водниковый прибор с двумя силовыми электродами, состоящий из двух полупроводников р и п – типа с одним электронно – дырочным переходом и обладающий свойством односторонней проводимости в зависимости от полярности включения.

На электрических схемах полупроводниковый диод изображается следующим графическим обозначением (рис. 13):

 

Рис. 13. Условное графическое обозначение (УГО) диода

 

Работа полупроводникового диода основана на использовании электрических свойств р – п – перехода, который формируется при изготовлении диода и асимметричная проводимость которого зависит от полярности включения диода.

Различают два возможных способа включения диода в электрическую цепь:

1. Прямое включение (рис. 14) – положительный полюс источника напряжения (+) соединяется с анодом диода (р – зона полупроводника), а отрицательный полюс источника (-) соединяется с катодом диода (n – зона полупроводника).

 

 

Рис. 14. Схема прямого включения диода

 

В этом случае р – п – переход диода включён в прямом направлении и электрические свойства диода в этом режиме определяются прямой ветвью вольт - амперной характеристики р – п – перехода (рис. 15).

 

 

Рис. 15. Вольт - амперная характеристика диода

1 – прямая ветвь ВАХ; 2 – обратная ветвь ВАХ

 

При этом сопротивление р – п – перехода, а следовательно и сопротивление самого диода практически равно нулю R _ПР ≈ 0, поэтому сила тока через диод ограничена только сопротивлением нагрузки, включённой последовательно с диодом:

I _ПР = U / (R _ПР + R _Н ) = U / R _Н .

При прямом включении диод свободно пропускает электрический ток R _ПР ≈ 0, т. е. практически не оказывает влияния на силу тока в электрической цепи, поэтому в этом случае обычно используют выражение «диод открыт».

2. Обратное включение (рис. 16 ) – положительный полюс источника напряжения (+) соединяется с катодом диода (n – зона полупроводника), а отрицательный полюс источника (-) соединяется с анодом диода (р – зона полупроводника).

 

 

Рис. 16. Схема обратного включения диода

 

В этом случае р – п – переход диода включён в обратном направлении и электрические свойства диода в этом режиме определяются обратной ветвью вольт - амперной характеристики р – п – перехода (рис. 15). При этом сопротивление р – п – перехода, а следовательно и сопротивление самого диода практически равно бесконечности R _ОБР ≈ ∞ , поэтому сила тока через диод определяется величиной обратного тока р – п – перехода и практически равна нулю:

I _ОБР = U / (R _ОБР + R _Н ) = U / R _ОБР ≈ 0 .

При обратном включении диод практически не пропускает электрического тока R _ОБР ≈ ∞ , I _ОБР ≈ 0, поэтому в этом случае обычно используют выражение «диод закрыт».

Таким образом, диод обладает односторонней (вентильной) проводимостью в зависимости от полярности его включения, т. е. является полупроводниковым прибором дискретного (ключевого) действия и на использовании этого свойства диода основана работа неуправляемых выпрямительных устройств переменного тока.

 

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

  СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ВЫПРЯМИТЕЛЯ

 Выпрямителем называется электротехническое устройство для преобразо­вания электрической энергии переменного тока в электрическую энергию постоянного тока.

Необходимость такого преобразования обусловлена тем, что промышленные электростанции вырабатывают электрическую энергию в виде энергии трёхфазного тока, а многие производственные и бытовые электроуста­новки работают на постоянном токе.

В зависимости от мощности выпрямители подразделяются на однофазные и трехфазные. Однофазные выпрямители изготовляются обычно на небольшую мощность ( до 1 – 2 кВА), а выпрями­тели средней и большой мощности выполняют, как правило, трехфазными.

Структурная схема выпрямителя в общем случае, содержит следующие основные блоки (рис. 17):

1. 1.     Трансформатор Тр;

2. 2.     Выпрямительный блок БВ;

3. 3.     Сглажи­вающий фильтр - фильтр нижних частот СФ;

4. 4.     Стабилизатор выпрямленного напряжения Ст.

Вход выпрямителя подключается к однофазной или трёхфазной питающей сети на напряжение U _ВХ , а к выходу выпрямителя на выходное напряжение U _ВЫХ подключается нагрузка R _Н .

 

 

Рис. 17. Структурная схема выпрямителя

 Трансформатор (часто называемый силовым) пред­назначен для изменения питающего напряжения сети и получения заданной величины выходного напряжения на нагрузке, а также для электрической развязки блоков вы­прямителя и его нагрузки от электрической линии с целью повышения электробезопас­ности работы с выпрямителем. Трансформатор позволяет также преобразовать одну систему фаз входных напряжений в другую, например трехфазную в шестифазную.

Выпрямительный блок служит для преобразования переменного напряжения в выпрямленное (пульсирующее) и выполняется на базе полупроводниковых приборов дискретного (ключевого) действия (вентильных элементов), обладающих односторонней электропроводно­стью (диоды, тиристоры и др.).

Качество работы вентильных элементов, входящих в выпрямительный блок, оцени­вается коэффициентом выпрямления как отношение прямого тока к обратному току при одном и том же напряжении называется:

К _В = I _ПР / I _ОБР , (U = const ).

Идеальные вентильные элементы пропускают ток только в одном направлении (прямой ток) и совсем не пропускают тока в обратном направле­нии I _ОБР = 0 , т. е. обладают высокими выпрямительными свойствами. Реальные вентильные элементы, в отличие от идеальных, пропускают сравнитель­но небольшой обратный ток I _ОБР ≈ 0 и отличаются более низкими выпрямительными свойствами. Поэтому для обеспечения качественной работы выпрямителя вентильные элементы долж­ны обладать малым прямым и большим обратным сопро­тивлениями, а также высоким допустимым обратным напряжени­ем, высоким КПД и стабильностью характеристик.

Сглаживающий фильтр служит для снижения пульсаций (сглаживания) выпрямленного напряжения, получаемого на выходе выпрямительного блока. Фильтр яв­ляется устройством, содержащим R – , L – и С - элементы, благодаря которым фильтр способен запасать энергию при увеличении напряжения и отдавать ее при уменьше­нии напряжения. Качество работы фильтра оценивается коэффи­циентом фильтрации (сглаживания) - отношением коэффициентов пульсации на входе и выходе фильтра q = К _{П ВХ} / К _{П ВЫХ} .

Стабилизатор служит для снижения влияния изменяющихся внешних условий (колебания напряжения в питающей сети, изме­нение нагрузки, температуры и т. д.) на режим работы выпрямителя с целью поддержания выходного напряжения на заданном уровне. Стабилизатор может быть установлен как на выходе выпрямителя, так и на входе - со стороны пере­менного тока.

В состав выпрямителя могут также входить выключатели, элементы ав­томатики и защиты от перегрузок. В зависимости от конкретных требований отдельные блоки в выпрямителе могут отсутствовать (кроме выпрямительного блока). Если, например, не требуется изменять входное на­пряжение U_ВХ и в целях безопасности электрически разделять нагрузку от питающей сети, то из схемы исключается трансформатор, а в некоторых случаях можно исключить сглаживающий фильтр или стабилизатор.

Кроме того, сам выпрямительный блок может быть очень простым или достаточно сложным. В простых схемах содержится мини­мальное количество вентильных элементов, в результате чего получают низкое качество выпрямления со сравнительно высоким коэффици­ентом пульсаций. Сложные схемы строятся на основе смешанного соединения вентильных элементов, благода­ря чему удается понизить коэффициент пульсации и улучшить характеристики выпрямителя.

Основными техническими параметрами выпрямителя являются значение входного (пере­менного) напряжения U _ВХ и тока I , среднее значение выпрямленного напряжения (средневыпрямленное напряжение) U _{С В} и ток I _{С В} , коэффициент пульсаций К _П , коэффициент сглаживания пульсаций q , КПД и др.

По способам преобразования переменного тока раз­личают одно- и двухполупериодные выпрямители.