Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Промышленная электроника. Учебное пособие
.pdf
меси займут соответствующие места в узлах кристаллической
решетки. Четыре валентных электрона каждого атома примеси
войдут в ковалентные связи с соседними атомами германия, а
пятые останутся незанятыми, и будут очень слабо связаны с
атомами. Именно эти электроны и будут участвовать в проводимости, которая называется электронной. Атомы примеси,
дающие избыточные электроны кристаллу основного вещества,
называются донорами.
Если ввести в кристалл германия или кремния в качестве
примеси трехвалентное вещество, например, бор, алюминий,
галлий или индий, то одна из ковалентных связей в каждом атоме примеси окажется незанятой, и на нее может перейти валентный электрон с соседнего атома основного вещества. В следствие этого, в атоме основного вещества образуется недостаток
электронов (дырки). Под действием электрического поля дырки
будут перемещаться в направлении электрических силовых линий и создадут дырочную проводимость. Атомы трехвалентной
примеси называют акцепторами, т.к. они присоединяют к себе
валентные электроны основного вещества, образуя отрицательные ионы.
1 Физика явления p-n –перехода. Диоды
Электронно-дырочный переход.
Электронно-дырочным переходом (ЭДП) называют тонкий слой между двумя частями полупроводникового кристалла,
в котором одна часть имеет электронную, а другая - дырочную
проводимость. Существуют различные технологии изготовления
электронно-дырочного перехода: диффузия, эпитаксия, сплавление. Так же ЭДП различаются по конструкции: симметричные
и несимметричные, резкие и плавные, плоскостные и точечные,
однако для всех типов переходов основным свойством является
-11-
несимметричная электропроводность, при которой в одном направлении кристалл пропускает ток, а в другом - нет.
Устройство электронно-дырочного перехода показано на
рисунке 1. Одна часть этого перехода имеет электронную проводимость, другая дырочную.
Рисунок 1 - Устройство электронно-дырочного перехода
Электроны N-области стремятся проникнуть в P-область,
где концентрация электронов значительно ниже. Аналогично,
дырки из P-области перемещаются в N-область. В результате
-12-
возникает диффузионный ток. Электроны и дырки, пройдя через границу раздела, создают электрическое поле
E , ко-
собств
торое препятствует дальнейшему прохождению диффузионного
тока. Электрическое поле
E для основных носителей
собств
электрических зарядов является тормозящим, а для неосновных - ускоряющим.
Высота потенциального барьера на p-n - переходе определяется контактной разностью потенциалов N и P областей,
обычно не превышающей один вольт.
Контактная разность потенциалов, в свою очередь зависит
от концентрации примесей в этих областях
PN
pn
2
n
i
где nN и
lnϕ=ψ ,
Тк
P - концентрация электронов и дырок в n и p облас-
p
тях, in - концентрация носителей зарядов в нелегированном проводнике.
Контактная разность потенциалов для германия составляет
0,6…0,7 В, для кремния 0,9…1,2 В.
Высоту потенциального барьера можно менять приложением внешнего напряжения. Если внешнее напряжение создает
в p-n - переходе поле, которое совпадает с внутренним, то высота потенциального барьера увеличивается. И наоборот, если
внешнее напряжение создает в p-n - переходе поле, которое противоположно внутреннему, то высота потенциального барьера
уменьшается.
Вольтамперная характеристика. Прямой и обратный
ток.
Обратный ток в p-n - переходе вызывается неосновными
носителями одной из областей, которые, дрейфуя в электриче-
-13-
ском поле области объемного заряда, попадают в область, где
они являются основными. Так как концентрация основных носителей существенно превышает концентрацию неосновных, то
появление незначительного количества основных носителей не
изменит равновесного состояния полупроводника. Таким образом обратный ток зависит только от количества неосновных носителей, появляющихся на границе области объемного заряда.
Внешнее приложенное напряжение определяет скорость
перемещения этих носителей из одной области в другую, но не
число носителей, проходящих через переход в единицу времени.
Следовательно, обратный ток через переход является током
проводимости и не зависит от высоты потенциального барьера,
т.е. он остается постоянным при изменении обратного напряжения.
При прямом смещении p-n - перехода появляется также
диффузионный ток, вызванный диффузией основных носителей, преодолевающих потенциальный барьер (инжекция носителей). Т.е при протекании прямого тока через переход из электронной области в дырочную будет происходить инжекция
электронов, а из дырочной - инжекция дырок.
Диффузионный ток зависит от высоты потенциального
барьера экспоненциально:
диф
eII
s
,
U
ϕ=/
T
где U - напряжение на p-n – переходе.
Кроме диффузионного тока прямой ток содержит ток про-
водимости, протекающий в обратном направлении, поэтому
полный ток при прямом смещении p-n - перехода будет равен
разности диффузионного тока и тока проводимости.
дифпр
=−=
U
eIIII . (1)
ss
)1/(−ϕ
T
Этому уравнению соответствует вольт-амперная характеристика (ВАХ), представленная на рисунке 2б.
-14-
Из (1) можно определить дифференциальное сопротивле-
ϕ
ние p-n - перехода:
Т
= .
диф
)(
IIr+
s
а б
Рисунок 2 - Условное обозначение (а) и ВАХ (б)
полупроводникового диода
Устройство полупроводникового диода.
Полупроводниковым диодом называется прибор, который
имеет два вывода и содержит один или несколько p-n - переходов. Условное графическое обозначение диода и его структура
представлены на рисунке 2а. Электрод диода, подключенный к
области P, называют анодом, а электрод, подключенный к области N - катодом.
-15-
Все полупроводниковые диоды можно разделить на 2
группы: выпрямительные и специальные. Выпрямительные
предназначены для выпрямления переменного тока. В зависимости от частоты и формы переменного напряжения они делятся
на высокочастотные, низкочастотные и импульсные. Специальные типы полупроводниковых диодов используют различные
свойства p-n - переходов: явление пробоя, барьерную емкость,
наличие участков с отрицательным сопротивлением.
При большом токе через p-n - переход значительное напряжение падает в объеме полупроводника, и пренебрегать им
нельзя. ВАХ выпрямительного диода имеет вид:
/)IRU(
eIIϕ−= ,
s
T
где R - сопротивление объема полупроводникового кристалла,
которое называется последовательным сопротивлением.
Следует отметить, что на показанной статической ВАХ
(рисунок 2б) масштаб первого и четвертого квадрантов отличается от масштаба второго и третьего, т.к. обратный ток диода
несоизмеримо мал по сравнению с прямым. Поэтому, если начертить всю ВАХ в одном масштабе, то кривая обратного тока
сольется с осью
U .
пр
2 Конденсаторы
В преобразователях электрической энергии конденсаторы
переменного тока являются основными элекментам силовых
схем. В то же время в этих схемах явно выражены такие факторы, как несинусоидальность токов и апряжений, а также широкое изменение рабочего частотного диапазона при частотноимпульсном регулировании.
Важнейшей характеристикой режима работы конденсатора
является значение активных потерь энергии в нем. Именно эта
-16-
характеристика в основном определяет допустимые значения
напряжения на конденсаторе, точнее, его действующие значения, формы и т.д. Известно, что при синусоидальном напряжении потери в конденсаторе пропорциональны тангенсу угла потерь в диэлектрике. При этом в расчетах часто принимают это
значение неизменным, в то время как оно зависит от условий
работы: температуры, напряжения, частоты и другие параметры,
что необходимо учитывать при расчете потерь и определении
рациональных параметров конденсаторов в конкретных условиях эксплуатации. Приведенные в технических условиях частотные зависимости tgδ для конденсаторов неполярного типа показывают практическую его независимость от частоты в диапазоне
от 50 до 1000 Гц и возрастание примерно в 10 раз при увеличении частоты с 1000 до 10000 Гц. Изменение температуры в
меньшей степени влияет на tgδ для этих типов конденсаторов (в
среднем tgδ увеличивается в два раза при изменении температуры от +20 до 100ºС). В целом же точная оценка потерь в конденсаторах даже при идеальном синусоидальном напряжении является достаточно сложной многофакторной задачей.
Электролитические конденсаторы являются основными
элементами фильтров постоянного тока. В рабочем режиме конденсаторы находятся под постоянным воздействием как постоянной, так и переменной составляющих напряжения. Обычно в
технических условиях на электролитические конденсаторы в качестве основных параметров кроме значений емкости указываются номинальные значения постоянной составляющей и допустимое значение переменной в виде синусоидального напряжения частотой f=50 Гц. Однако при более высоких частотах следует учитывать и другие факторы, вызывающие уменьшение
проводимости конденсатора как элемента в целом и, как следствие, снижение его фильтрующей способности. Так, при синусоидальном токе фильтрующая способность определяется пол-
-17-
ным сопротивлением конденсатора cZ , которое соответствует
э
схеме замещения, представленной на рисунке 3а.
С
- емкость, обусловленная диэлектриком;
э
противления, соответствующие потерям в диэлектрике и электро-
лите, а
L
- эквивалентная индуктивность секции и выводов
R ,
д
R
- активные со-
э
Рисунок 3
-18-
Согласно схеме замещения при частоте f
=+=
fC
2
)
sэ
С
s
f
(
1
−
;
2
)
f
0
2
1
(rZ
+=
sc
r
1
f
=
0
2
2
π
C;rr
s
ээдs
СL
π
s
э
Значение sС зависит от типа конденсатора, его параметров
и частоты. Индуктивность эL является сравнительно стабиль-
ной величиной. Другие параметры, например tgδ, имеют частотную, временную и температурную зависимости. Кроме того,
существуют технологические разбросы параметров, носящих
обычно случайный характер. Учитывая влияние указанных факторов на проводимость конденсаторов, оценку и сопоставление
их удельных показателей при повышенных частотах следует
производить по так называемому эффективному значению емкости
эф
1
.
fZСπ=2
c
На рисунке 3б в качестве примера приведена зависимость
относительного значения cZ от частоты для конденсаторов типа
К50-20 при температуре окружающей среды 25ºС. Штриховой
линией показана частотная характеристика идеального конден-
сатора ( 0э==srL ).
Их приведенных зависимостей следует, что фильтрующая
способность конденсаторов К50-20 начинает снижаться при частотах выше 10 кГц, а при частотах более 20кГц применение их
становится нецелесообразным. При частотах выше указанных
-19-
следует использовать конденсаторы с органическим или керамическим диэлектриком.
Если форма переменной составляющей протекающего через конденсатор тока отлична от синусоиды, то эффективность
фильтрации конденсатора также изменяется. Например, при
больших значениях dtdi составляющие переменного напряже-
ния на выводах конденсатора, обусловленные индуктивностью
L , возрастают и могут значительно превышать переменную
э
составляющую напряжения собственно на емкости sС .
При воздействии на конденсаторы пульсаций напряжения
несинусоидальной формы их фильтрующие и нагрузочные способности изменяются от спектрального состава этих пульсаций.
Поэтому на некоторые типы оксидно-электролитических конденсаторов кроме указанных выше частотных зависимостей в
технических условиях иногда приводятся номограммы, позволяющие определить допустимую амплитуду напряжения конкретной несинусоидальной формы, например трапециидальной,
в функции частоты.
Для предварительных оценок на этапах проектирования
электронной аппаратуры достаточно учитывать основные, преобладающие гармоники в пульсации напряжения на конденсаторе, используя для расчетов принцип наложения. Полученные
данные следует уточнять экспериментально, в частности, измеряя действующие значения токов а так же температуру корпуса
конденсатора и окружающей среды.
3 Полупроводниковые выпрямители
Выпрямителем называется статический преобразователь
электрической энергии переменного тока в постоянный. Такой
преобразователь представляет собой электрический агрегат, си-
-20-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]