6. Основы промышленной электроники
6.1. Общие сведения о полупроводниковых приборах
Зарождение электроники было подготовлено всем ходом развития промышленного производства конца I – начала века.
Электрическая энергия стала проникать во все сферы человеческой деятельности, что требовало создания новых средств измерения, контроля и управления, более чувствительных, точных и быстродействующих по сравнению с механическими и электромеханическими устройствами. Кроме того, возникла потребность в средствах быстрой передачи на большие расстояния различной информации.
Изобретение радио оказало большое влияние на становление и развитие электроники. В 30–40-е годы начали применяться электронные лампы, но они были ненадежны, имели небольшой срок службы, большие габариты, потребляли большую энергию. И вскоре их заменили полупроводниковые приборы.
Действие полупроводников основано на свойствах р–n перехода, поэтому проводимость полупроводников может меняться в широких пределах в зависимости от температуры нагрева, освещенности, воздействия электрических полей, примеси посторонних атомов и т. д. Эти особенности широко используются в технике.
В последние десятилетия одним из главных направлений стало развитие интегральной микроэлектроники.
6.2. Полупроводниковые диоды
Полупроводниковый диод – прибор с одним р–n переходом и двумя выводами, в котором используется свойство перехода. Ток, проходящий через диод в его открытом состоянии, называется прямым током, в другом направлении ток есть, но очень мал (диод заперт). Этот ток называется обратным. Соответственно напряжение, приложенное к диоду, называется – прямое и обратное (рис. 51, а).
На рис. 51, б показана вольт-амперная характеристика диода.
Прямой ток диода направлен от анодного (А) к катодному (К) выводу. Нагрузочную способность выпрямительного диода характеризуют следующие параметры: допустимый прямой ток Iпр и соответствующее ему прямое напряжение Uпр, допустимое обратное напряжение Uобр и соответствующий ему обратный ток Iобр, допустимая мощность рассеяния Pрас и допустимая температура окружающей среды tо.с (до 50 С для германиевых и до 140 С для кремниевых диодов).
По функциональному назначению полупроводниковые диоды делятся на выпрямительные, импульсные, стабилитроны, фотодиоды, светоизлучающие диоды и т. д.
По способу изготовления различают сплавные диоды, диоды с диффузионной базой и точечные диоды. В диодах двух первых типов p-n переход создается на значительной площади (до 1000 мм2), они применяются в основном в автоматике и приборостроении. В точечных диодах площадь перехода меньше 0,1 мм2. Они применяются главным образом в аппаратуре сверхвысоких частот при значении прямого тока 10–20 мА.
Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный и выполняются по сплавной или диффузионной технологии.
Импульсные диоды предназначены для работы в цепях формирования импульсов напряжения и тока. Это – точечные диоды.
Стабилитроны, называемые также опорными диодами, предназначены для стабилизации напряжения. В этих диодах используется явление неразрушающего электрического пробоя (лавинного пробоя) p-n перехода при определенных значениях обратного напряжения Uобр = Uпроб (рис. 52, а).
На рис. 52, б приведена простейшая схема стабилизатора напряжения на приемнике с сопротивлением нагрузки Rн. При изменении напряжения между входными выводами стабилизатора Uвх > Uпроб (Rн + r) / Rн, напряжение между выходными выводами Uвых Uпроб изменяется незначительно.
Светоизлучающие диоды и фотодиоды. Электрические свойства фотодиода изменяются под действием падающего на него светового излучения – повышается его обратный ток. Светодиоды сами излучают квант света в режиме прямого тока, поэтому они находят применение для индикации режима работы узлов и блоков различных систем.
Светодиод Фотодиод