книги из ГПНТБ / Маринов, И. А. Устройство и эксплуатация преобразовательных подстанций городского электротранспорта учеб. пособие

для отрыва электрона от атома. Электрон, вырванный из ковалент­ ной связи, становится свободным и может являться носителем тока. В чистом кремнии, например, при комнатной температуре один электрон (одна нарушенная связь) приходится на 1012 атомов, поэтому проводимость полупроводников в миллиарды раз больше проводимости диэлектрика.

В результате отрыва валентного электрона (рис. 108) атом ста­ новится положительно заряженным, а в ковалентной связи остает­ ся «пустое место», которое может быть занято любым другим элек­ троном из другой ковалентной связи, где в этом случае останется «пустое место».

Пустое место в ковалентной связи принято называть «дыркой». Величина заряда дырки численно равна величине заряда электрона.

Передвижение электронов из одной ковалентной связи в другую вызывает соответствующее перемещение положительно заряженных дырок, но ;в направлении, противоположном движению электронов.

Передвижение свободных электронов создает электронный ток и электронную или «-проводимость (от слова negative— отрица­ тельный). Перемещение положительно заряженных дырок создает «дырочный» ток и дырочную, или р-проводимость (от слова positive — положительный). Полный ток в полупроводнике пред­ ставляет собой сумму электронного и дырочного тока.

Электронно-дырочная проводимость, возникшая в полупровод­ нике при комнатной температуре, называется собственной проводи­

мостью полупроводника.

При передвижении свободных электронов и дырок происходит также процесс деионизации, или иначе, рекомбинации, электронно­ дырочной пары. Однако при определенной температуре количество свободных электронов и дырок не меняется и взамен рекомбиниро­ ванных электронов и дырок возникают другие свободные электроны и дырки. При снижении температуры в результате рекомбинации количество возникающих свободных электронов и дырок уменьша­ ется и полупроводник получает свойства изолятора.

Введение в кристалл полупроводника даже незначительного ко­ личества примеси другого элемента резко изменяет его свойства. В зависимости от того, примесь какого элемента имеется в кристал­ ле полупроводника, получаются полупроводники, в которых преоб­ ладает электронная или дырочная проводимость.

Вполупроводниках, в которых преобладает электронная прово­ димость, электроны являются основными носителями и эти полу­ проводники называются электронными или «-типа полупроводника­ ми. В этих полупроводниках имеется также незначительное количе­ ство дырок, которые являются не основными носителями.

Вполупроводниках, в которых преобладает дырочная проводи­ мость, дырки являются основными носителями и они называются дырочными или р-типа полупроводниками. В этих полупроводниках

имеется небольшое количество электронов, которые являются неос-

210ВНЫМИ носителями.

Атомы примеси обычно занимают в кристаллической решетке

151

полупроводника место атома данного полупроводника (германия, кремния) и образуют связи с соседними атомами полупроводника

(рис. 109).

Если в кристалл полупроводника в качестве примеси ввести атом элемента из 3-й группы периодической системы, обладающего тремя валентными электронами на внешней орбите (например: алю­ миний, индий, галлий), то он создаст три ковалентные связи с со­ седними атомами полупроводника, а для четвертой связи у него не хватит электрона. Следовательно, одна связь остается свободной.

ве примеси ввести атом элемента из 5-й группы таблицы Менделеева, обладающего пятью валентными электронами на внешней орбите (например, фосфор, висмут, сурьма), то четыре его электрона создадут четыре ковалент­ ные связи с соседними атомами полупроводника, а пятый электрон остается свободным. В результате этого в полупроводнике возни­ кает электронная проводимость. Атомы примесей, создающие в по­ лупроводнике электронную или «-типа проводимость, называются

донорами.

Проводимость, созданная добавлением в кристалл полупровод­ ника примесей атомов элементов иной валентности, называется примесной проводимостью. Она превышает собственную проводи­ мость полупроводника в сотни и тысячи раз.

При отсутствии электрического поля электроны и дырки двига­ ются хаотически. Если к полупроводнику приложить разность потенциалов, т. е. создать электрическое поле, получается направ­ ленное движение электронов и дырок.

Если плотно приложить друг к другу полупроводник с электрон­ ной проводимостью (типа п) и полупроводник с дырочной прово­ димостью (типа р), получится следующая картина на созданном электронно-дырочном переходе: вследствие значительно большей плотности электронов в полупроводнике с электронной проводимо­ стью, чем в полупроводнике с дырочной проводимостью, потечет электронный ток из электронной области в дырочную. Этот ток на­

152

зывается диффузионным. Дырочная область (полупроводник с ды­ рочной проводимостью) будет заряжаться отрицательно по отно­ шению к электронной области (полупроводника с электронной про­ водимостью). По такой же причине появится диффузионный дырочный ток из дырочной области в электронную « электронная область будет заряжаться положительно по отношению к дырочной

ет примерно К©4 см.

Неосновным носителям электрическое поле р — «-перехода по­ могает переходить через контакт и, следовательно, любой электрон из дырочной области (кристалл р) будет подхвачен полем и переве­ ден в электронную область (кристалл п), а дырка из электронной области будет переведена в дырочную область (в кристалл р). Сле­ довательно, через переход будут проходить навстречу друг другу электроны и дырки неосновных носителей.

Движение неосновных носителей образует ток проводимости. Когда к соединенным полупроводникам не подведено напряжение, диффузионный ток и ток проводимости, направленные навстречу друг другу, равны и общий ток через р — «-переход равен нулю.

Подключив внешнее напряжение так, что электрическое поле, создаваемое этим напряжением, усилит действие внутреннего поля р — «-перехода (положительный полюс источника к слою «, а отри­ цательный к слою р), мы этим увеличим ширину запорного слоя и его сопротивление, а ток диффузии уменьшится (рис. 111, а).

При напряжении около 0,5—1 в ток диффузии равен нулю. В этом случае ток через р — «-переход будет определяться неоснов­ ными носителями, а так как их количество в сотни тысяч раз мень­ ше ocHOiBHbix носителей, то этот ток очень мал. Напряжение, уве­ личивающее ширину запорного слоя и снижающее величину тока

153

основных носителей (диффузионного тока) называется обратным напряжением, а ток неосновных носителей (ток проводимости) — обратным током. Величина обратного тока зависит от внешнего на­ пряжения, от температуры полупроводника и степени освещенности его. При повышении температуры полупроводника на каждые 10° С обратный ток увеличивается примерной два раза.

При изменении полярности приложенного напряжения (подклю­ чении положительного полюса внешнего источника к слою р, а от­ рицательного полюса — к слою п) электрическое поле, создаваемое

Рис. Ш . Электронно-дырочный переход при приложении обратного (о) и пря­ мого (б) напряжений

этим напряжением, будет ослаблять действие внутреннего электри­ ческого поля, сопротивление р — «-перехода станет малым и ток основных носителей (ток диффузии) резко возрастает, во много раз превосходя ток неосновных носителей (ток проводимости) (рис. 111, б).

Напряжение, ослабляющее внутреннее электрическое поле, на­ зывается прямым, а ток основных носителей (диффузионный ток) называется прямым рабочим током.

Кристалл полупроводника с электронно-дырочным р — «-перехо­ дом, хорошо пропускающий электрический ток в одном направле­ нии, представляет собой вентиль.

На рис. 112 приведена вольтамперная характеристика кремние­ вого вентиля. Как видно из характеристики, для преодоления внут­ реннего электрического поля требуется очень малое напряжение Vо около 0,5—1 в. При напряжении чуть больше U0 диффузионный ток (ток основных носителей) резко возрастает и во много раз превос­ ходит ток проводимости (ток неосновных носителей). При измене­ нии полярности подведенного напряжения, т. е. при приложении об­ ратного напряжения U0бр, обратный ток / 0бр до пробоя вентиля мал и практически не зависит от величины приложенного напряжения. Обратный ток в большой степени зависит от температуры кристал­ ла. Чем больше температура, тем больше обратный ток.

Пробой вентиля —■это потеря вентильной способности вентиля вследствие изменения структуры р — «-перехода.

154

Полупроводники подвержены рядовому и электрическому про­ бою.

Тепловой пробой характеризуется ростом концентрации носите­ лей под действием повышающейся температуры кристалла. Неодно­ родность структуры монокристалла кремния вызывает неравно­ мерное распределение как прямого, так и обратного тока по площа­ ди р — «-перехода, что вызывает неравномерность нагрева отдель­

ходе.

Перенапряжения бывают атмосферные и коммутационные. Ат­ мосферные перенапряжения возникают при грозовых разрядах, коммутационные — при включении или отключении электрической цепи, а также в момент запирания вентиля, от скачка . обратного тока.

Вентиль запирается, когда к нему прикладывается обратное на­ пряжение, но проходивший через вентиль, до изменения полярности приложенного напряжения, прямой ток сразу не прекращается, потому что нужно время, чтобы разошлись и рекомбинировались в области « — дырки, а в области р — электроны, т. е. существует инерция возврата вентиля в непроводящее состояние. Так как по­ лярность приложенного напряжения изменилась, то этот ток явля­ ется уже обратным током и между током и напряжением появляет­ ся емкостный сдвиг фаз. Скачок обратного тока во много раз пре­ вышает его установившуюся величину и вызывает значительные

155

коммутационные перенапряжения, особенно при наличии индуктив­ ности в цепи нагрузки. Длительность этого процесса обычно изме­ ряется микросекундами и не влияет на работу вентилей, но для большей надежности, для подавления этих перенапряжений, при­ меняется специальная защита, состоящая из последовательно сое­ диненных между собой конденсатора и резистора, включаемых па­ раллельно каждому вентилю.

Электрический пробой может иметь лавинный характер, возни­ кающий вследствие того, что неосновные носители при нарастании напряжения на р •— «-переходе, приобретают скорость, достаточную для того, чтобы при столкновении с атомами кристалла выбивать из них электроны и образовывать новые пары (электрон-дырку), т. е. ионизировать атомы кристалла. Полученная пара, в свою очередь, также способна ионизировать атомы. В итоге происходит быстрое, лавинного характера, образование зарядов и резкое возрастание тока в р — «-переходе.

Вентильные свойства полупроводниковых приборов после элек­ трического пробоя могут восстановиться, если электрический про­ бой не переходит в тепловой. Если импульсы обратного тока при перенапряжениях малы и длительность их протекания не превыша­ ет 10—20 мксек, то при снижении напряжения вентильные свойст­ ва полупроводниковых приборов, как правило, восстанавливаются.

У полупроводниковых приборов может быть еще поверхностный электрический пробой в местах выхода р — «-перехода на поверх­ ность полупроводника. Поверхностный пробой происходит вследст­ вие увеличения напряженности поля зарядами, имеющимися на по­ верхности полупроводника, или (вследствие неудовлетворительной диэлектрической среды у поверхности полупроводника — при попа­ дании на поверхность влаги или загрязнения. Поверхностный про­ бой предотвращается конструктивным исполнением вентилей —• герметизацией р — «-перехода, покрытием его защитными покро­ вами, а также соответствующей геометрической формой перехода.

Для уменьшения вероятности пробоя вентилей, увеличения на­ дежности и длительности их работы, промышленностью был освоен выпуск вентилей с лавинной обратной характеристикой (лавинные вентили).

Лавинные вентили изготовляют из монокристалла полупровод­ ника с высокой однородностью структуры и близкими по величине удельными сопротивлениями отдельных участков поверхности р — «-перехода.

Благодаря указанным качествам монокристалла, обратный ток распределяется равномерно по площади р — «-перехода (а не по ограниченному числу микроканалов, как у обычных вентилей), и, следовательно, нагревает переход равномерно по всему сечению, что позволяет пропустить через вентиль более значительную обрат­ ную мощность, не вызывая чрезмерного нагрева и теплового пробоя.

Кроме того, р —■«-переход у лавинных вентилей имеет ступенча­ тую форму (рис. 113) с центральной круговой (а) и перифериче­ ской кольцевой (б) частью. Кольцевая часть выполняется с мень­

156

шей концентрацией акцепторных примесей (примесей элементов 3-ей труппы), чем в круговой части, и косым срезом по его наруж­ ной поверхности. Небольшая концентрация акцепторных примесей создает меньшую напряженность электрического поля в кольцевой части и в случае электрического пробоя он происходит в объеме круговой части р — я-перехода, который по своим размерам может рассеивать значительную мощность. При обратимом лавинном про­ бое через вентиль кратковременно протекает большой обратный ток, ограничивающий воспринимаемое вентилем напряжение.

сколькими р — я-переходами.

Трехслойный полупроводниковый вентиль, имеющий кристалл с двумя р — я-переходами, называется транзистором (это полупро-

Рис. 114. Структурные схемы транзисторов и их условные обозначения (нижний ряд):

а — типа р — п — р, б —типа п — р — п, Э — эмиттер, Б —база, К —коллектор

водниковый триод). Один р ■—■я-переход у транзистора является вентильным, а другой — управляющим (рис. 114). Обычно у тран­ зисторов крайние области обладают проводимостью одного типа, а средняя область — противоположного типа (структура р — я — р или я — р — я). Каждая область выполняет те же функции, что и электроды в ламповом триоде. Средняя область называется базой и выполняет функции управляющего' электрода. Одна из наружных областей называется эмиттером (эмиттирует заряды) и выполняет

157

функции катода, другая наружная область — коллектором и вы­ полняет функции анода. Эмиттер связан с базой цепью управления.

Силовой полупроводниковый вентиль имеющий четырехслойную структуру с тремя р — n-переходами (структура р — п — р — п) называется тиристором.

Управляемый тиристор (рис. 115) имеет два силовых вывода: анодный вывод от слоя р\ и катодный вывод от слоя « 2 и вывод уп­ равления от внутреннего слоя рг (электрод управления).

Рис. 115. Структурная схема (а) и условное обозначение (б) тиристора:

А — анод, К —катод, i y —ток в цепи управления, ЭУ — электрод управления

Рис. 116. Вольтамперная характеристика управ­ ляемого тиристора

Тиристор закрыт при положительном потенциале на катоде, при положительном потенциале на аноде и отсутствии тока в цепи уп­ равления (iy).

При подаче положительного потенциала на анод и электрод управления тиристор открывается, и от анода к катоду протекает прямой ток.

На рис. 116 приведена вольтамперная характеристика управля­ емого тиристора. При отсутствии тока в цепи управления тиристор заперт, несмотря на наличие прямого напряжения между анодом и катодом (участок 1 прямой ветви характеристики). Если увеличить

158

прямое напряжение между анодом и катодом, то при определенном его значении, называемом напряжением переключения Un, происхо­ дит переход е участка 1 на участок 2 (участок с лавинообразным процессом переключения), а затем на участок 3 (рабочий участок, соответствующий открытому состоянию тиристора).

Напряжение переключения — напряжение, приложенное к тири­ стору в прямом направлении, при котором управляемый тиристор переходит из закрытого состояния в открытое при разомкнутой цепи управляющего электрода (ток в цепи электрода управления ■— iy равен нулю).

Следовательно, тиристор может открыться, и без тока в цепи управления, если к нему будет приложено в прямом направлении большое напряжение, равное или больше напряжения переключе­ ния Uа. Открытие тиристора может произойти и при быстром нара­ стании прямого напряжения. Это является большим недостатком управляемых тиристоров, для защиты от которого применяется спе­ циальное устройство, состоящее из емкостей, подключаемых па­ раллельно тиристорам.

Если в цепи управления тиристора пропустить ток, то напряже­ ние переключения снижается и переход на участок 2 происходит быстрее. При большем токе в цепи управления прямая характери­ стика спрямляется (на рис. 116 показано пунктиром /Уз) тиристор открывается как диод, участки 1 и 2 прямой ветви вольтамлерной характеристики отсутствуют, тиристор переходит на рабочий 3 уча­ сток характеристики. Такой ток в цепи управления называется

током спрямления.

Обратная ветвь вольтамлерной характеристики тиристора ана­ логична обратной ветви вольтамлерной характеристики диода.

Регулир01вание выпрямленного напряжения и тока производится сдвигом фазы импульса тока в цепи управления по отношению к фазе приложенного к тиристору рабочего напряжения, т. е. измене­ нием времени начала открытия тиристора (изменение угла отпира­ ния а).

Прекращение протекания тока через тиристор, т. е. запирание его происходит только при переходе внешнего напряжения через ноль или отключении напряжения.

При открытии тиристора прямой ток проходит вначале не по всей площади р —- «-перехода, а вблизи электрода управления и создает высокую плотность тока и местный перегрев перехода, что может вызвать выход из строя тиристора. Для устранения этого яв­ ления в цепь тиристора включается быстронасыщающийся дрос­ сель.

Имеются также пятислойные силовые вентили с четырьмя р — п- переходами, которые называются симисторами (двухнаправленные тиристоры). Этот полупроводниковый вентиль имеет также один электрод управления и, в зависимости от потенциала, подаваемого на этот электрод, открывается в том или другом направлении. Симистор можно рассматривать как два четырехслойных тиристора, включенных параллельно и ориентированных в противоположных

159

направлениях. Симистор открывается током цепи управления и за­ крывается снятием напряжения между силовыми электродами вен­ тиля или изменением полярности этого напряжения

§ 22. КРЕМНИЕВЫ Е ВЕНТИЛИ. КОНСТРУКЦИЯ И ТЕХНИЧЕСКИЕ Д А Н Н Ы Е

В силовых полупроводниковых выпрямителях преимущественно применяются кремниевые вентили, что объясняется более высокой допустимой температурой нагрева р — «-перехода по сравнению с германиевыми вентилями и, следовательно, большей допустимой плотностью тока в переходе, меньшей чувствительностью к пере­ грузкам и способностью выдерживать более высокое обратное на­ пряжение.

Получение р — «-переходов, в кремниевых вентилях, из которых компонуются выпрямители, осуществляется двумя методами: сплав­ ления и диффузионным.

Кремниевые вентили, у которых р — «-переход получен методом сплавления, имеют маркировку ВК-10, ВК-50, ВК-ЮО, ВК-200, что обозначает: вентиль кремниевый на 10, 50, 100, 200 а. Кремниевые вентили, у которых р — «-переход получен диффузионным методом, имеют маркировку ВКД-100, ВКД-200 на 100 и 200 а и ПВК-50, ПВК-100 и ПВК-200 на 50, 100 и 200 а. Лавинные вентили на ток 200 а имеют маркировку ВКЛ-200, ПВКЛ-200, ВКДЛ-200. Буква Л в маркировке обозначает, что вентиль лавинный.

По проекту нового ГОСТа неуправляемые вентили будут обозна­ чаться В и ВЛ (В — вентиль, Л — лавинный).

Тиристоры по ГОСТ—14069—68 обозначаются Т и ТЛ (Т — ти­ ристор, Л — лавинный). Прежнее обозначение: ВКДУ, ВКДУЛ.

Симисторы обозначаются ВКДУС, где С означает симметрич­ ный. Цифры, стоящие непосредственно после буквенных обозначе­ ний ВК, В, ВЛ, Т, ТЛ, обозначают номер конструктивното исполне­ ния, например: ВК-2 — диффузионного исполнения (цифра 2 заме­ няет букву Д), ВЛЗ — вентиль изготовлен в металлокерамическом корпусе, ВЛ4 — в вентиле применен жидкометаллический контакт,

Электронно-дырочный переход состоит из сверхчистого монокристаллическото кремния электронной проводимости 4. С одной сто­ роны в монокристалл кремния вплавлен алюминиевый сплав 5, а с

160