1.Предмет электроники, её роль в науке и технике.

Одной из характерных особенностей развития науки и техники нашего века является развитие электроники. Без электронных устройств ныне не может существовать ни одна отрасль промышленности, транспорта, связи. Электроника – отрасль науки и техники, занимающаяся изучением физических основ функционирования, исследованием, разработкой и применением приборов, работа которых основана на протекании электрического тока в твердом теле (полупроводниковые приборы), в вакууме (электронно-ваккуумные приборы) и газе (ионные приборы). Главное место среди них в настоящее время занимают полупроводниковые приборы. Электроника подразделяется на два крупных научных направления :

1) радиоэлектроника – применение электроники в радиотехнике и телевидении; 2) промышленная электроника (ПЭ) – применение электроники на транспорте, в промышленности и электроэнергетике.

В свою очередь промышленная электроника подразделяется на информационную и энергетическую.

К информационной электронике относятся электронные системы и устройства, связанные с измерением, контролем и управлением промышленными объектами и технологическими процессами. Кроме того, это и устройства для передачи, обработки и отображения информации (усилители сигналов, генераторы напряжения, логические схемы, счетчики, индикаторы, дисплеи ЭВМ и т.д.). Энергетическая электроника (преобразовательная техника) занимается преобразованием одного вида электрической энергии в другой (электрический привод, электрическая тяга, электроэнергетика, электротермия, электротехнологии).

Радиоэлектроника и информационная электроника – слаботочная электроника, энергетическая электроника – силовая электроника.

Основное направление в нашем процессе – энергетическая электроника.

В настоящее время почти вся электрическая энергия вырабатывается и передается к месту потребления на переменном токе. Это объясняется тем, что источник электрической энергии переменного тока – синхронный генератор прост как по своему устройству, так и с точки зрения эксплуатации. Кроме того, переменный ток позволяет осуществлять трансформацию электрической энергии, а, следовательно, и более экономично передавать ее на большие расстояния.

Однако ряд приемников электрической энергии нуждается в постоянном токе. Для одних приемников постоянный ток является единственно приемлемым видом тока (электрохимия, рентгенотехника), для других же видом тока, обеспечивающим ряд технических или экономических преимуществ электрической установки (электрический транспорт, грузоподъемные устройства, релейная защита, автоматика и т.д.). В настоящее время около 40  вырабатываемой электрической энергии преобразуется в постоянный ток.

В частности на подвижном составе электрифицированных железных дорог устанавливаются электродвигатели постоянного тока. В связи с этим в системе источник – приемник электрической энергии должен быть преобразователь переменного тока в постоянный.

Разнообразие в видах потребляемой и вырабатываемой электрической энергии вызывает необходимость ее преобразовывать. Устройства, служащие для преобразования электрической энергии называются преобразователями. Основными видами преобразования электрической энергии является: а) выпрямление – преобразование переменного тока в постоянный; б) инвертирование – преобразование постоянного тока в переменный; в) преобразование частоты.

Существует так же ряд других менее распространенных видов преобразования: формы кривой тока, числа фаз и др.

В отдельных случаях используются комбинации нескольких видов преобразования. Преобразование электрической энергии может производиться различными способами, но более широкое применение нашли следующие: 1) вращающиеся преобразователи (электрические машины), 2) статические преобразователи, использующие нелинейные элементы с вольт-амперной характеристикой ключевого (релейного) типа, обладающие малыми потерями энергии.

Принцип первого вида заключается в том, что электроэнергия одного вида подается на электрический двигатель, являющийся приводом генератора, который вырабатывает новый вид электроэнергии. Этому способу присущи недостатки:– инерционность;– наличие подвижных частей;– большие габариты, вес, шум, вибрация;– низкий КПД, высокая стоимость и т.д.

В настоящее время уделяется большое внимание созданию способов статического преобразования электроэнергии.

2. Электрические вентили, их классификация, достоинства и недостатки.

Основными элементами статических преобразователей являются управляемые и неуправляемые электронные приборы с односторонней проводимостью – электрические вентили.

В зависимости от проводящей ток среды, по способу осуществления вентильной (односторонней) проводимости и по свойствам приборов, электрические вентили можно классифицировать следующим образом.

Электровакуумные приборы называют электронными лампами, а газоразрядные – вследствие участия в рабочем процессе или приборов ртути – ионными. Отличительная особенность электрических вентилей – разряжение в баллоне вентиля до величины 10^-6-10^-7 мм рт.ст. Электроны перемещаются без столкновений.

Их достоинства: позволяют выпрямлять переменный ток в постоянный и преобразовывать постоянный в переменный низкой или высокой частоты.

Их недостатки: небольшая мощность, токи меньше или равны 1А, вследствие ограниченной эмиссии с катодов, большой внутреннее сопротивление, поддержание высокого вакуума.. Достоинства газораспределительных приборов:

– токи до нескольких сотен (тысяч) ампер;

– напряжение до 15 кВ.

Недостатки газораспределительных приборов:

– поддержание высокого вакуума в корпусе (0,1-0,5) мм рт.ст.;

– поддержание постоянной температуры корпуса t_к =(37-40)^С посредством жидкостного охлаждения для сохранения оптимальной плотности ртутного пара;

– большие потери мощности и снижение КПД преобразователя (падение напряжения в ртутном вентиле составляет около 20В). Достоинства полупроводниковых приборов:

– малые габариты и масса, т.е. компактные при равных токах;

– падение напряжения мало зависит от тока (0,5-1,8 В), что обуславливает высокий КПД;

– возможность воздушного охлаждения;

– быстродействие и повышенная надежность в работе при широком температурном диапазоне (140^С).

Недостатки полупроводниковых приборов:

– малая перегрузочная способность;

– высокая чувствительность к перенапряжению.

3. Электрические свойства полупроводниковых материалов.

В соответствии с зонной теорией твердого тела энергетические уровни объединяются в зоны . Электроны внешней оболочки атома заполняют ряд энергетических уровней, составляющих валентную зону. Валентные электроны участвуют в электрических и химических процессах. В металлах и полупроводниках большое число электронов находится на более высоких энергетических уровнях, которые составляют зону проводимости (ЗП). Электроны проводимости совершают беспорядочное движение внутри тела, переходя от одних атомов к другим. Электроны проводимости обеспечивают высокую электропроводность металлов. У металлов валентная зона (ВЗ) примыкает к зоне проводимости. У полупроводников валентная зона отделяется от зоны проводимости запрещенной зоной, т.е. уровнями энергии, на которых электроны находиться не могут. Ширина запрещенной зоны (ЗЗ) W определяется энергией, необходимой для перевода одного электрона с низшего разрешенного уровня на высший. Размерность – эВ (1эВ - это энергия, необходимая для перемещения электрона в электрическое поле между точками с разностью потенциалов в 1 В).

Электрическая проводимость того или иного твердого вещества определяется шириной запрещенной зоны.

В зоне проводимости электроны теряют связь с ядром атома и становятся свободными, способными под влиянием внешнего электрического поля перемещаться между атомами вещества.

В проводнике зона проводимости и валентная зона примыкают друг к другу, а иногда могут перекрывать друг друга. При обычных температурах электроны легко переходят из одной зоны в другую. Число электронов в запрещенной зоне велико. Эти электроны, двигающиеся беспорядочно, под воздействием разности потенциалов, могут начать двигаться упорядоченно, создавая электрический ток. В полупроводнике электрическая проводимость меньше, чем у металлов, но больше, чем у диэлектриков. Наличие в полупроводнике при обычных условиях некоторого числа свободных электронов делает их похожими на металлы. В диэлектрике широкая запрещенная зона может достигать 8эВ. Чтобы электрон смог преодолеть запрещенную зону, нужно сообщить ему значительную энергию. Однако при попытке сообщить ее, произойдет пробой диэлектрика, т.е. разрушение (непоправимое) кристаллической структуры. У диэлектриков мало электронов в зоне проводимости.

При достаточном охлаждении полупроводник становится диэлектриком, а при нагреве или освещении его - проводником. Электрическая проводимость полупроводника сильно зависит от наличия примесей.

4. Собственная электропроводность полупроводниковых материалов.

В настоящее время для изготовления полупроводниковых приборов наиболее широко используются кремний (Si) и германий (Ge), имеющие валентность равную четырем. При температуре абсолютного нуля -273,16^С в кристалле чистого кремния свободных электронов нет, т.е. полупроводник, обладает свойствами диэлектрика. При температуре выше абсолютного нуля (или при нагревании, освещении, облучении и т.д.) прочность кристаллической решетки нарушается, и появляются электроны проводимости. Эти электроны порывают парно- электронные связи и становятся свободными. Т.о. полупроводники, как и металлы, обладают электронной проводимостью. Но полупроводники, в отличие от проводников, обладают и дырочной проводимостью. В тех местах кристаллической решетки, которые электроны покинули, образуются дырки, представляющие собой атомы с положительными зарядами, численно равными зарядам электронов. Такой атом можно условно назвать положительным ионом.. Дырки ведут себя как элементарные положительно заряженные частицы. При выходе электронов из кристаллической решетки полупроводника образуются два вида носителей электрических зарядов – электроны (носители отрицательного электричества) и дырки (носители положительного электричества), т.е. происходит процесс генерации пар носителей зарядов. При наличии электрического поля хаотичное перемещение носителей зарядов упорядочивается: электроны начинают перемещаться в направлении положительного полюса, создавая электрический ток; дырки перемещаются в направлении противоположном движению электронов, т.е. дырки, “дрейфуют”. В идеально чистом кристалле кремния или германия при разрыве электронных связей возникают одновременно электрон и дырка. Одновременно с их образованием происходит их рекомбинация.

Проводимость, при которой нет избыточных положительных или отрицательных зарядов, называют собственной проводимостью. Собственная проводимость полупроводника невелика и не может обеспечить большого тока. Полупроводник без примесей называют собственным полупроводником или полупроводником i- типа..

5. Примесная электропроводность полупроводниковых материалов.

Проводимость полупроводника резко увеличивается при добавлении определенного количества специальных примесей, т.е. при легировании. Примеси, атомы которых отдают электроны, называют донорами. Атомы доноров, теряя электроны, сами заряжаются положительно. Полупроводник с преобладанием электронной полупроводимости, называют электронным полупроводником или полупроводником n-типа.. Вещества, отбирающие электроны и, создаваемые примесную дырочную электрическую проводимость называют акцепторами. Атомы акцепторов, захватывая электроны, сами заряжаются отрицательно. Полупроводники с преобладанием дырочной электрической проводимости, называют дырочными полупроводниками или полупроводниками p- типа. Концентрация примесей обычно ничтожно мала. Один атом примеси приходится приблизительно на 10 млн. атомов полупроводника (германия). Примесная проводимость выше собственной в тысячи раз. Носители заряда, концентрация которых в данном полупроводнике преобладает, называют основными. В полупроводнике n-типа – электроны, в p- типа – дырки. Не основными, являются носители заряда, концентрация которых меньше, чем концентрация основных носителей.

6. Электронно-дырочный переход , технологии получения ЭДП.

Контакт между полупроводниками p- типа и n- типа проводимости называется электронно - дырочным переходом (ЭДП) или p-n- переходом.

ЭДП нельзя осуществить путем простого соприкосновения двух разнородных полупроводниковых пластин, т.к. при этом неизбежен промежуточный слой воздуха или поверхностных пленок.

ЭДП получают путем введения разнородных примесей в соседние области одного монокристалла различными технологическими способами, из которых, для кремниевых вентилей, наиболее широко применяют сплавной, диффузионный, диффузионно- сплавной, эпитаксиальный и т.д. Исходным материалом для кремниевого ЭДП является сверхчистый монокристалл кремния, обладающий электрической проводимостью с удельным сопротивлением 1,01,2 Омм.

7. ЭДП при отсутствии внешнего напряжения.

При образовании ЭДП через плоскость контакта возникают диффузионные потоки основных носителей заряда, вызванные их неравномерной концентрацией: электронов из n-слоя в слой p и дырок из p-слоя в n-слой. Диффундирующие электроны и дырки, попадая в область, где они являются не основными носителями, интенсивно рекомбенируют. Вследствие этого концентрация свободных носителей в области, прилегающей к плоскости контакта, резко снижается до собственной, что приводит к образованию на границе ЭДП тонкого, так называемого, запорного (запирающего) слоя, обладающего высоким сопротивлением. В области n положительный электрический заряд образован главным образом положительно заряженными атомами донорной примеси и в небольшой степени пришедшими в эту область дырками.

В области p отрицательный объемный заряд образован отрицательно заряженными атомами акцепторной примеси и от части, пришедшими электронами.

Между образующимися объемными зарядами возникает контактная разность потенциалов и электрическое поле. Таким образом, возникает потенциальный барьер, препятствующий диффузионному переходу носителей. Одновременно с диффузионным перемещением основных носителей через границу происходит и обратное перемещение носителей под действием электрического поля контактной разности потенциалов (дрейф). Движение носителей под действием электрического поля называется дрейфом носителей. При постоянной температуре p-n-переход находится в состоянии динамического равновесия, при котором i_др = i_диф.

8. ЭДП при подключении напряжения прямой полярности.

Пусть источник внешнего напряжения подключен положительным полюсом к полупроводнику p-типа, а отрицательным полюсом – к полупроводнику n-типа

Напряжение, полярность которого совпадает с полярностью основных носителей, называется прямым.

Электрическое поле, создаваемое прямым напряжением, действуют навстречу полю, создаваемому контактной разностью потенциалов _к. Вектор напряженности электрического поля Е_пр направлен встречно. Результирующее поле становится слабее, разность потенциалов уменьшается, уменьшается высота потенциального барьера, возрастает диффузионный ток, так как пониженный барьер может преодолеть большое число основных носителей. Ток дрейфа при этом почти не изменяется, так как зависит от числа не основных носителей, которые попали за счет своих тепловых скоростей на p-n- переход из p- и n-областей. При прямом напряжении i_др  i_диф, i_пр= i_диф - i_др 0.

Если барьер значительно понижен, то i_диф  i_др, i_пр  i_диф.

Введение носителей заряда через пониженный потенциальный барьер в области, где эти носители являются не основными, называется инжекцией носителей заряда.

Область, из которой инжектируются заряды у полупроводникового прибора, называется эммитерной, в которой заряды инжектируются – базой.

При прямом напряжении не только уменьшается высота потенциального барьера, но и уменьшается толщина запирающего слоя L.

Если внешнее напряжение U_пр  _к, то потенциальный барьер можно уничтожить. Тогда прямое сопротивление R_пр p-n-перехода будет стремиться к нулю. Большой прямой ток можно получить при очень большом прямом напряжении. Прямой ток в этом случае возрастет и будет зависеть только от сопротивления p- и n-областей.

9. ЭДП при подключении напряжения обратной полярности

Пусть источник внешнего напряжения подключен положительным полюсом к n-области, отрицательным – к p-области

Под действием U_обр протекает небольшой ток I_обр.

Поле, создаваемое _к, складывается с полем, образованным U_обр. Результирующее поле усиливается, увеличивается высота потенциального барьера (_к + U_обр). i_обр = i_др - i_диф

При небольшом повышении барьера диффузия прекратится, т.к. собственные скорости носителей малы для преодоления барьера:

i_диф = 0, i_обр = i_др.

Ток проводимости остается неизменным и определяется числом не основных носителей, попадающих на p-n-переход из p- и n-областей. Выведение не основных носителей заряда через p-n-переход ускоряющим электрическим полем, созданным обратным напряжением, называется экстракцией носителей зарядов. Обратный ток представляет собой ток проводимости, вызванный перемещением не основных носителей.

10.Полупроводниковый диод. ВАХ полупроводникового диода.

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним ЭДП и двумя выводами, в котором используются свойства p-n-перехода.

ВАХ любого прибора представляет собой зависимость между током, протекающим через прибор и приложенным напряжением.

Если сопротивление прибора постоянно, то связь между током и напряжением выражается по закону Ома:

График зависимости i=f(u) называется вольт-амперной характеристикой. Для прибора, подчиняющегося закону Ома, ВАХ линейна. Приборы, имеющие такую зависимость – линейны.

Но существуют нелинейные приборы. ЭДП представляет собой диод. Его нелинейные свойства видны из его ВАХ

Прямая и обратная ветви строятся в различных масштабах. Вследствие различного масштаба, в начале координат получился излом. Характеристика для прямого тока вначале имеет значительную нелинейность, так как при увеличении U_пр сопротивление запирающего слоя уменьшается, поэтому кривая идет с все большей крутизной. Но при U_пр в несколько десятых долей вольта (при достижении U₀) запираемый слой практически исчезает и остается только сопротивление p-n-области, которое приблизительно можно считать постоянным. Поэтому далее характеристика становится почти линейной. Небольшая нелинейность объясняется тем, что при увеличении тока p- и n-области нагревается и от этого их сопротивление уменьшается. Обратный ток при увеличении обратного напряжения резко возрастает. Это вызвано резким уменьшением тока диффузии i_диф вследствие повышения потенциального барьера. i_обр = i_др - i_диф, следовательно обратный ток увеличивается.

Далее рост тока происходит незначительно за счет нагрева перехода током, за счет утечки по поверхности, а также за счет лавинного размножения зарядов, то есть увеличения числа носителей зарядов вследствие ударной ионизации. ВАХ диода может быть использована для определения его основных параметров. По прямой ветви можно определить ∆U_пр при номинальном токе, по обратной ветви – U_{макс доп} и обратный ток I_обр при этом напряжении.

11.Параметры полупроводниковых диодов.

Параметры силовых полупроводниковых приборов (СПП) подразделяются на две группы: 1.предельно допустимые значения; 2.характеризующие параметры.

Предельно допустимое значение – это значение, которое определяет либо предельную способность, либо предельное условие, при превышении которого прибор может быть поврежден.

Характеризующие параметры – это значения электрической, механической, тепловой, величины, которая характеризует свойства прибора. Основными параметрами диода являются:

1) 12 Предельный ток I_{пр макс}(I_FAVM).

Предельный ток I_{пр макс}(I_FAVM) – это ток, который может быть длительно пропущен через полупроводниковый диод, определенный при максимально допустимой температурой его структуры (для кремниевых вентилей Т_jm140С) и условиями охлаждения. При нагрузке диода I_{пр макс} перегрузки недопустимы. Промышленность выпускает диоды на токи от нескольких миллиампер до нескольких тысяч ампер.

2) 13 Перегрузочная способность. Перегрузочная способность определяется по амперсекундной характеристике (АСХ), то есть зависимости степени перегрузки от времени протекания максимального тока I_макс, в течение которого температура структуры Т_j достигает допустимого максимального значения.

Перегрузочная способность диодов в аварийном режиме характеризуется одиночным допустимым значением импульса ударного тока синусоидальной формы I_уд (I_FSM) продолжительностью 10 мс при заданной начальной температуре структуры, соответствующей предельному току.

3) 14 Номинальное напряжение.

Напряжение, подводимое на диод, не должно превышать некоторого максимального значения U_{обр макс} (U_BR ), при котором происходит пробой p-n- перехода. Значение U_BR соответствует началу изгиба обратной ветви ВАХ. Напряжение U_BR прикладывают к диодам только при испытаниях. В реальных сетях питающее напряжение не синусоидально. Не синусоидальное напряжение характеризуется повторяющимися и не повторяющимися напряжениями.

U_RWM(U_р) – импульсное рабочее обратное напряжение. Это наибольшее значение мгновенного обратного напряжения, исключая все повторяющиеся напряжения.

U_RWM(U_р) = 0,8  U_RRM;

U_RRM(U_n) – повторяющееся импульсное обратное напряжение. Это наибольшее мгновенное значение обратного напряжения, включая все повторяющиеся, но исключая все неповторяющиеся напряжения.

U_RRM(U_п) = (0,750,85)  U_BR.

Число сотен вольт повторяющегося обратного напряжения определяет класс диода

.

Значение U_RRM определяется коммутационными процессами в самом преобразователе.

U_RSM(U_н,п) – неповторяющееся импульсное обратное напряжение. Наибольшее мгновенное значение любого не повторяющегося обратного напряжения, прикладываемого к диоду.

U_RSM(U_н,п) = 1,16  U_RRM.

Значение U_RSM определяется разовыми перенапряжениями, которые могут возникнуть при грозовом разряде или в момент отключения индуктивных цепей автоматическим выключателем. Диод выбирают так, чтобы амплитуда питающего синусоидального напряжения не превышала значения U_RWM.

4) 15 Повторяющийся импульсный обратный ток (I_RRM). Амплитудным значением тока I_RRM называют ток, протекающий через диод в обратном (запирающем) направлении при приложении к нему повторяющегося импульсного обратного напряжения U_RRM.

В соответствие с ГОСТ 24461-90 параметром – критерием является амплитуда I_RRM при приложенном U_RRM. Температура Т_j или Т_{j max}. Значение I_RRM не должно превышать заданного справочником или каталогом.

5) 15 Прямое падение напряжения (прямое импульсное напряжение) U_FM(U_пр).

За номинальное значение U_пр (U_FM) принимают падение напряжения на диоде при прохождении импульса тока равного 3,14() значения предельного тока I_{FAV MAX}, при температуре 25^C. Для силовых кремниевых диодов это значение составляет U_пр (U_FM) = (1,071,8) В, в зависимости от типа вентилей.

6) 16 Статическое и динамическое сопротивление. Статическое сопротивление характеризует сопротивление диода постоянному току.

Динамическое сопротивление характеризует свойства диода по отношению к малым приращениям или переменным составляющим, наложенным на относительно большие постоянные токи или напряжения.

7) 16 Температурный режим.

Свойства p-n-перехода существенно зависят от температуры. Проводимость его в прямом направлении высока даже при низких температурах (-60^С), так как для отрыва валентных электронов требуется небольшая энергия.

При повышенной температуре сильнее проявляется собственная проводимость полупроводников и тем меньше сказывается примесная проводимость. В результате концентрация электронов и дырок по обе стороны от места контакта двух полупроводников p- и n-типа выравнивается, электрическое поле в этом месте исчезает и p-n-переход при высоких температурах теряет свои вентильные свойства.

Для германиевых диодов T_jmax  (7090)^C; для кремниевых диодов T_jmax (125140)^C. Прямой ток при нагреве диода растет не так сильно, как обратный. Это объясняется тем, что прямой ток возникает главным образом за счет примесной проводимости, а концентрация примесей не зависит от температуры.

17.Емкость ЭДП и его частотные характеристики.

ЭДП можно рассматривать как эквивалентный конденсатор, состоящий из обкладок, разделенных областью, обедненной носителями зарядов и обладающей повышенным сопротивлением. Емкость этого конденсатора определяется как отношение приращения заряда на переходе к приращению падения напряжения на нем, то есть:

Емкость перехода зависит от значения и полярности внешнего приложенного напряжения. При обратном напряжении на переходе, эта емкость называется барьерной.

(3.8)

где _к – контактная разность потенциалов,

U – обратное напряжение на переходе,

с_б(0) – значение с_б, при U = 0, которое зависит от площади p-n-перехода и свойств полупроводникового кристалла.

Теоретически барьерная емкость существует и при прямом напряжении на p-n- переходе, однако она шунтируется низким дифференциальным (динамическим) сопротивлением r_т. При прямом смещении p-n-переход значительно большее влияние оказывает диффузионная емкость, которая зависит от значения прямого тока и времени жизни не основных носителей _р. Эта емкость не связана с током смещения, но дает такой же сдвиг фазы между напряжением и током, что и обычная емкость. Барьерная емкость вредно влияет на выпрямление переменного тока, так как шунтирует диод, и через нее на более высоких частотах проходит переменный ток. Это происходит вследствие уменьшения емкостного сопротивления на высоких частотах и возможности протекания обратного тока через емкость ЭДП. Это нарушает нормальную работу прибора, так как ЭДП теряет свои вентильные свойства, поэтому для работы на высоких частотах используют так называемые точечные полупроводниковые приборы, у которых площадь ЭДП незначительна и собственная емкость мала. Свойства барьерной емкости используют при создании специальных диодов (варикапов и варакторов), которые применяют в качестве конденсаторов переменной емкости для настройки колебательных контуров (электронная настройка).

18.Виды пробоя р-п-перехода вентилей.

1. Зеннеровский пробой

Зеннеровский пробой возникает при высоких значениях напряженности электрического поля в ЭДП (Е_зен  710⁵ В/см). Под действием поля электроны полупроводника могут вырываться из своих связей с атомами кристаллической решетки, вследствие чего образуется большое число пар электрон-дырка. При этом резко увеличивается число не основных носителей электричества и возрастает создаваемый ими обратный ток через переход. Этот процесс аналогичен холодной эмиссии электронов из металла под действием сильного электрического поля. Характерен для приборов с узким p-n-переходом и высокой концентрацией примесей.

2. Лавинный пробой

Лавинный пробой возникает при меньших напряжениях электрического поля (Е_лав < Е_зен). Лавинный пробой является следствием ударной ионизации атомов полупроводника. При определенных значениях напряженности электрического поля энергия не основных носителей электричества, движущихся через p-n- переход, оказывается достаточной для того, чтобы при столкновении их с атомами кристаллической решетки происходил разрыв валентных связей этих атомов со своими электронами. В результате ударной ионизации появляются новые свободные электроны и дырки, которые в свою очередь разгоняются полем и создают возрастающее число носителей электричества. Процесс ионизации повторяется, характеризуется лавинным размножением носителей и приводит к значительному возрастанию обратного тока через переход. Лавинный пробой происходит в приборах с широким ЭДП, при прохождении которого не основные носители успевают приобрести достаточно высокую скорость. Пробой не приводит к разрушению полупроводниковой структуры, если обратный ток ограничен наличием внешней цепи.

3. Тепловой пробой

Тепловой пробой возникает при больших напряженностях электрического поля (Е_тепл  Е_лав). Обусловлен плохим отводом тепла от p-n- перехода, который может нагреваться до температуры, при которой возможен разрыв валентных связей атомов кристаллической решетки со своими электронами за счет тепловой энергии. Это приводит к увеличению не основных носителей, возрастанию обратного тока через переход и, как следствие, к еще большему нагреву и росту тока. Тепловой пробой возникает при значительных перегрузках. Однако, при плохом отводе тепла он возникает даже при небольших токах и малых обратных напряжениях. Неоднородность структуры диода способствует возникновению теплового пробоя, вследствие неравномерного распределения прямого тока по площади ЭДП.

4. Поверхностный пробой

Поверхностный пробой обусловлен наличием зарядов в зоне выхода p-n- перехода на поверхность. Эти заряды искажают поле у границы перехода, повышая или понижая напряженность поля и, соответственно, изменяют ширину запорного слоя в зоне выхода перехода на поверхность полупроводника.

19.Основные типы полупроводниковых диодов.

Полупроводниковые диоды подразделяют на группы по многим признакам. В зависимости от структуры различают плоскостные и точечные диоды. У точечных диодов линейные размеры, определяющие площадь p-n-перехода, равны толщине перехода или меньше ее. У плоскостных диодов эти размеры значительно больше его толщины.

20.Конструктивные особенности точечных диодов.

Точечные диоды выполнены в виде тонкой пластинки из полупроводника n- типа. Пластинку покрывают тонким слоем металла и припаивают к металлическому основанию. В противоположную сторону пластины упирается острие тонкой контактной пружины из вольфрамовой проволоки. Острый конец проволоки покрывают слоем индия или алюминия, который является акцепторной примесью и обеспечивает создание около острия области с p-типом проводимости.

Между этой областью и основной массой полупроводника образуется p-n- переход, площадью 10-12 мкм². Диоды монтируют в стеклянном коваровом или металлическом герметичном корпусе. На концах его установлены коваровые трубки с выводами. Для улучшения вентильных свойств после сборки диоды подвергают электрической формовке путем пропускания импульсов тока. При формовке происходит частичное расплавление и диффузия атомов индия или алюминия в основной полупроводник.

Из-за малой площади контакта прямой ток точечных диодов невелик. По той же причине у них мала и межэлектродная емкость, что позволяет применять эти диоды в области очень высоких частот (СВЧ – диоды). В основном точечные диоды используют для выпрямления.

21.Конструктивные особенности маломощных плоскостных диодов.

В плоскостных диодах основным элементом является пластина из германия или кремния, в которой метод сплавления или диффузии создан плоский по форме p-n-перехода. В плоскостных германиевых диодах, получаемых сплавным методом, в пластинку из германия с n-проводимостью вплавляют каплю индия. При нагреве индия плавится и диффундирует в основной полупроводник, образуя в нем область с p-проводимостью. На границе между n- и p-областями создается ЭДП значительно большей площади, чем в точечном диоде, с гораздо большим прямым током.

В плоскостных кремниевых диодах в пластину с n-проводимостью вплавляют алюминиевый столбик, который создает область с p-типом проводимости. Для получения в кремнии сильно легированной зоны с n-проводимостью, одну из сторон пластинки перед операцией сплавления покрывают фольгой (или напыляют слой сурьмянистого золота). Такой p-n-переход может изменять свои электрические характеристики под влиянием атмосферных воздействий, влаги, загрязнения. Для защиты диода от внешней среды пластинку из полупроводника вместе с припаиваемыми к ней выводами устанавливают в металлический корпус, который затем герметизируют. Корпус так же защищает полупроводниковый элемент от повреждений и обеспечивает нормальную работу вывода в условиях вибрации, тряски и ударов.

В верхней части корпуса монтируют стеклянный изолятор, через который проходит выводная трубка.

Для лучшего отвода тепла в некоторых плоскостных диодах применяют охладители – это металлические пластинки из меди или алюминия, платы или специальные радиаторы.

Выпрямительный полупроводниковый диод – диод, предназначенный для выпрямления переменного тока.

Маломощные выпрямительные диоды и диоды, предназначенные для работы в высокочастотных и импульсных цепях, имеют конструкцию, аналогичную точечным диодам.

На тяговых подстанциях и электроподвижном составе (ЭПС) применяют мощные силовые кремниевые диоды.

22.Конструктивные особенности силовых штыревых и таблеточных диодов.

При изготовлении диодов в пластинку из кремния диффузионным способом вводят с одной стороны акцепторную примесь из бора, с другой – донорную примесь из фосфора. При высокой температуре атомы бора и фосфора диффундируют в кремнии и образуют ЭДП. Толщина пластины составляет 0,40,5 мм; площадь ее обеспечивает плотность тока 0,51 А/мм². Для защиты хрупкого p-n-перехода от тепловых и механических напряжений, пластину из кремния припаивают с обеих сторон к двум вольфрамовым пластинам, выполняющих роль термокомпенсаторов.

Выпрямительный элемент диода монтируется в герметичном корпусе, который защищает его от проникновения влаги, грязи.

Выводами диода являются основания корпуса (катод) и гибкий анодный вывод, проходящий через стальную крышку корпуса внутри стеклянного изолятора. Выводы диода припаиваются к вольфрамовым пластинам, ко второму концу гибкого вывода припаивают выводной гибкий шунт с наконечником (анод). Это облегчает сборку диода и не создает механических усилий на ЭДП.

Для увеличения интенсивности охлаждения диода к его корпусу прикрепляют алюминиевый или медный ребристый охладитель. В основании корпуса имеется стержень (штырь) с резьбой, который ввертывают в охладитель.

Диод может работать с номинальным током только при наличии охладителя и обдува его воздухом. На ЭПС принудительная система охлаждения со скоростью охлаждения воздуха 12 м/с.

На тяговых подстанциях эксплуатируются преобразователи типа ПВЭ-3, УВКЭ-1 с принудительной системой охлаждения – скорость охлаждения воздуха 10 м/с.

При таких скоростях исключается засорение охлаждающей системы, затраты мощности на принудительное охлаждение составляют менее 0,5% от мощности установки.

Диоды с жидкостным охлаждением вследствие ряда недостатков (трудоемкий монтаж, ухудшение теплообмена из-за отложения солей, необходимости подогрева охлаждающей системы в зимний период и т.д.) на тяговых подстанциях и ЭПС в настоящее время не применяют.

Преобразователи тяговых подстанций типа ПВКЕ, ПВЭ-5 и ТПЕД имеют естественное воздушное охлаждение.

Преобразователи типа В-ТПЕД и блоки БСЕ имеют радиаторы на базе тепловых трубок, система охлаждения – испарительно-конденсатная.

Конструкции таблеточных диодов

В таком диоде выпрямительный элемент помещен в металлокерамический корпус между двумя медными основаниями, обладающими повышенной теплоэлектропроводностью. В отличие от диодов штыревой конструкции его не припаивают к основаниям, а прижимают к ним через вольфрамовые пластины при сборке на заводе. Прижимные контакты позволяют снизить механические напряжения, возникающие в элементе при резких изменениях температуры. В результате этого, а так же благодаря двухстороннему отводу тепла, повышается стойкость диодов к перегрузкам. Вентили таблеточной конструкции зажимают контактными поверхностями между двумя половинками охладителей, изолированными друг от друга.

Выпрямительные установки тяговых подстанций и электроподвижных составов комплектуются лавинными диодами. При применении лавинных диодов отпадает необходимость в применении специальных средств защиты диодов от перенапряжения и сами диоды могут быть выбраны с меньшим запасом по напряжению по сравнению с не лавинными, имеющими тоже значение напряжения пробоя.

23.Условное обозначение силовых диодов.

Условное обозначение силовых диодов состоит из букв и цифр, указывающих его вид, подвид, модификацию, максимальный (предельный) ток в амперах, класс повторяющегося напряжения в сотнях вольт, группу по времени восстановления и пределы импульсного прямого напряжения.

    -  X -   

1 2 3 4 5 6 7 8

1 – буква, указывающая вид и подвид (Д – диод, ДЛ – диод лавинный);

2 – порядковый номер модификации конструкции;

3 – цифра, кодирующая размер под ключ или диаметр таблетки;

4 – цифра, кодирующая исполнение корпуса диода. Если 1 – штыревой с гибким выводом, 2 – штыревой с жестким выводом, 3 – таблеточный, 4 – под запрессовку, 5 – фланцевый;

5 – средний прямой ток, А;

X – знак обратной проводимости;

6 – класс;

7 – группа по времени обратного восстановления;

8 – предел по импульсному прямому напряжению.

Например, Д161-200X-12-1,25-1,35 – диод штыревого исполнения с гибким выводом, номер модификации конструкции – 1, размер шестигранника под ключ для шестой группы – 32 мм, максимально допустимый средний прямой ток 200 А, обратной полярности, двенадцатого класса, с ненормируемым временем обратного восстановления и импульсным прямым напряжением в диапазоне 1,25-1,35 В.

24.Лавинные вентили.

Лавинным вентилем или диодом называется диод с контролируемым лавинообразованием.

При воздействии обратного напряжения большего, чем напряжение пробоя происходит резкое возрастание обратного тока. Этот ток распределяется равномерно по поверхности p-n- перехода, так как не сосредотачивается в отдельных точках, то не происходит местного теплового пробоя. При этом наступает равномерный лавинный пробой, т.е. электрический разряд через диод. При таком разряде напряжение на диоде поддерживается на прежнем уровне и в p-n- переходе может выделяться энергия большая, чем в обычных диодах. Таким образом, лавинные диоды способны выдерживать напряжение лавинообразованием, вследствие чего перенапряжения прикладываются к другим элементам электрической цепи, менее чувствительным к ним.

1 - вольфрамовые пластины; 2 - область проводимости p-типа; 3 - защитное (охранное) кольцо; 4 - область проводимости n-типа

В кремниевых нелавинных диодах слабыми местами, где лавинный пробой обычно переходит в тепловой, являются участки ЭДП по периметру полупроводникового элемента (структурные дефекты), через которые и проходит обратный ток.

Чтобы предотвратить возможность такого поверхностного пробоя в лавинном диоде, его ЭДП придают ступенчатую форму.

Концентрация примесей в охранном кольце делается значительно меньшей, чем в центральной части, а толщина диффузионного слоя большей (в области защитного кольца она составляет 120160 мкм, в центральной части - 6080 мкм). В результате напряжение пробоя для алюминиевого перехода оказывается большим, чем для борного, что исключает вероятность поверхностного пробоя. Таким образом, в лавинных диодах, при достижении напряжения пробоя, основная часть обратного тока определяется лавинным увеличением числа носителей электричества в центральной низковольтной части ЭДП, в которой ток распределяется равномерно по его поверхности. Наружное высоковольтное кольцо при этом напряжении не пробивается, поэтому диод не выходит из строя.

Отечественные диоды имеют керамический корпус. Анодом лавинного диода служит основание корпуса, катодом – гибкий вывод с наконечником.

Для увеличения рабочего тока диода необходимо улучшать теплоотвод, т.е. улучшать охлаждение полупроводникового элемента, увеличивать площадь p-n-перехода, уменьшать механические напряжения, возникающие в кремниевой пластине в результате теплового расширения при прохождении тока. Все это использовано при создании диодов таблеточной конструкции.

25.Стабилитрон. Принцип работы, ВАХ, основные параметры.

Стабилитрон – полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации напряжения.

Особенностью стабилитрона является наличие обратной ветви ВАХ области электрического пробоя p-n-перехода (рис. 5.3, участок аб), на которой напряжение на диоде практически не меняется, что позволяет использовать диод для стабилизации напряжения.

К параметрам стабилитрона относятся:

1) напряжение стабилизации U_стаб – соответствует значению в точке р на середине рабочего участка аб (рис. 5.3). В настоящее время стабилитроны изготавливают на напряжение от 5 до 400 В, при токе от 4 до 100 мА;

2) минимальный ток стабилизации I_{мин стаб} и максимально допустимый ток стабилизации I_{макс стаб}.

Значение I_{мин стаб} определяется необходимой устойчивостью работы, так как при I_обр  I_{мин стаб} лавинный пробой может быть неустойчивым.

При значении I_обр  I_{макс стаб} происходит сильный нагрев диода и повреждение его от теплового пробоя;

3) динамическое сопротивление стабилитрона r_т (R_диин)

Чем меньше r_т, тем лучше стабилизация;

4) температурный коэффициент напряжения ТКН (TKU). Характеризует изменение напряжения стабилизации при изменении температуры на 1^С. С возрастанием температуры напряжение стабилизации изменяется.

При необходимости стабилитроны можно соединять последовательно.U_ст = U_ст1+U_ст2+...+U_{ст n}.

Параллельное соединение стабилитронов не допускается, так как из всех параллельно соединенных стабилитронов ток будет только в одном, имеющем наименьшее напряжение стабилитрона.

Конструктивно стабилитроны выполняются аналогично выпрямительным диодам.

26.Примеры использования стабилитрона.

Примерами использования стабилитронов могут служить:

схема стабилизации постоянного напряжения

На схеме R_огр – ограничивающий резистор, служащий для ограничения тока через стабилитрон. При увеличении входного напряжения U_вх увеличивается ток стабилизации I_стаб и падение напряжения ∆U на резисторе R_огр. Напряжение на выходе U_вых, на стабилитроне и R_н, остается почти неизменным.

При изменении R_н происходит перераспределение тока между сопротивлением нагрузки и стабилитроном, но напряжение на выходе не изменяется.

В кремниевых стабилитронах напряжение стабилизации возрастает с увеличением температуры, для компенсации этого изменения последовательно со стабилитроном включают терморезистор R_т, нелинейное сопротивление которого уменьшается с ростом температуры. Такое включение позволяет сделать напряжение стабилизации независимым от температуры;

датчик, реагирующий на изменение напряжения

В системах автоматики стабилитроны часто используют в качестве датчика, реагирующего на изменение напряжения. Если входное напряжение U_вх возрастает выше определенного уровня, стабилитрон пробивается и через включенный последовательно с ним прибор (например, катушка реле), начнет протекать ток, при этом подается сигнал на срабатывание соответствующих устройств.

Двухсторонние стабилитроны

Эти приборы предназначены для ограничения напряжений на элементах электрических цепей и выполняет роль разрядников в электротехнических устройствах. Условное обозначение и конструктивное исполнение двухстороннего стабилитрона изображена на рис. 5.7 а, б соответственно. Прибор можно представить в виде двух встречно включенных лавинных диодов со структурой p-n-p, имеющей два p-n-перехода. Технология изготовления прибора аналогична технологии изготовления лавинных диодов и обеспечивает получение на элементе двух защитных колец.

цифрами обозначено: 1 – вольфрамовые пластины (термокомпенсаторы), 2 – защитные кольца, 3 – область проводимости p-типа, 4 – область проводимости n-типа

ВАХ двухстороннего стабилитрона (рис. 5.7, в) представляет сочетание двух обратных ветвей встречновключенных лавинных диодов, расположенных симметрично относительно начала координат.

27.Туннельный диод. Принцип работы и основные параметры.

ТД представляет собой полупроводниковый прибор с p-n-переходом, образованным материалами с высокой концентрацией атомов примесей. Электрическая проводимость таких полупроводников приближена к электрической проводимости металла. Туннельные диоды изготавливаются из германия и арсенида галлия.

Особенностями туннельных диодов являются:

1. малая толщина запорного слоя;

2. высокая напряженность электрического поля.

Эти особенности получены в результате использования сильнолегированных полупроводниковых материалов (концентрация примесей составляет 10¹⁹-10²⁰ атомов на см³). Такие полупроводники обладают очень малым удельным сопротивлением (в сотни или тысячи раз меньше, чем в обычных диодах) и называются вырожденными.

Если приложить к ЭДП обратное напряжение, то напряженность электрического поля в нем возрастает еще больше, и оно окажется способным вырывать валентные электроны из кристаллической решетки полупроводника p-типа, отрывая их от атомов и перебрасывать через p-n-переход в полупроводник n-типа, где они становятся основными носителями электричества.

Туннельный диод нельзя использовать для выпрямления переменного тока, так как он обладает высокой проводимостью при обратном включении. Его применяют для создания и усиления электрических колебаний. На участке аб (рис. 5.8) диод имеет отрицательное сопротивление, которое не вносит дополнительных потерь в электрическую цепь, а компенсирует потери энергии в других элементах за счет энергии источника питания. Поэтому если положительное сопротивление ослабляет электрические сигналы, то отрицательное может их усиливать.

Преимущества ТД как усилителя сигналов: малые размеры; способность работать в широком диапазоне температур и на очень высоких частотах (до 10000 МГц); высокая температурная стабильность и малое потребление энергии.

Основные параметры ТД:

1) U_n, I_n – напряжение и ток пика соответственно, точка а на ВАХ (рис. 5.8, б);

2) U_в, I_в – напряжение и ток впадины, точка б на ВАХ;

3) U_nn – напряжение на второй восходящей части ВАХ, большее напряжения впадины, при котором ток равен пиковому, точка в на ВАХ;

4) I_n/I_в, для выпускаемых диодов I_n=(0,1-1000) мА, I_n/I_в=(330).

28.Специальные типы полупроводниковых диодов (обращенные диоды, варикапы, фотодиоды, светодиоды, фотоэлементы).

Обращенный диод

Обращенный диод – диод на основе полупроводника с несколько меньшей концентрацией примесей, чем у туннельного диода, при которой туннельный эффект при прямом напряжении выражен слабо (или отсутствует), а при обратном напряжении проявляется как у туннельного диода.

У обращенного диода обратная ветвь характеристики используется в качестве прямой, а прямая – в качестве обратной (от сюда и название диода). Если к обращенному диоду приложить прямое напряжение U_пр0,3 В, то прямой ток будет приблизительно равен нулю. При небольшом обратном напряжении (десятки мВ) обратный ток достигает значений нескольких миллиампер.

Варикап

Варикап – полупроводниковый диод, в котором используется зависимость емкости p-n-перехода от обратного напряжения, и который применяется в качестве элемента с электрически управляемой емкостью. Изготавливается из кремния.

Основные параметры варикапа:

1) общая емкость с_в, которая фиксируется при небольшом значении обратного напряжения (U_обр=25В);

2) коэффициент перекрытия по емкости к_с .

Для большинства варикапов с_в=10500 пФ и к_с=520.

Варикапы применяют в системах автоматической подстройки частоты, в системах дистанционного управления и в параметрических усилителях с малым уровнем собственных шумов.

Фотодиоды, полупроводниковые фотоэлементы и светодиоды

В этих трех типах диодов используется эффект взаимодействия оптического излучения (видимого инфракрасного или ультрафиолетового) с носителями заряда (электронами и дырками) в запираемом слое p-n-перехода.

Полупроводниковый фотодиод принципиально выполнен так же как полупроводниковый диод. Изготовляется из селена, кремния, гелия, серно-свинцовых, серно-серебряных соединений.

В фотодиоде, в результате освещения p-n-перехода, повышается значение обратного тока. Фотодиоды могут создавать электрический ток при наличии постороннего источника электрической энергии и без него. С увеличением интенсивности освещения полупроводника возрастает и ток. Фотодиод, включенный в электрическую цепь, ведет себя как фоторезистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от интенсивности освещения. Ток создаваемый фотодиодом очень мал, поэтому для практических целей он должен быть усилен.

Основными параметрами фотодиода являются – темновой ток и интегральная чувствительность. Темновой ток – ток фотодиода при отсутствии освещения. Интегральная чувствительность характеризует изменение тока фотодиода от изменения падающего на него светового потока. Выпускаемая фотодиодом чувствительность составляет 1420 мА/лм.

В полупроводниковых фотоэлементах при освещении p-n- перехода возникает обратное напряжение.

В светодиоде в режиме прямого тока в зоне p-n-перехода возникает видимое или инфракрасное излучение.

33.Биполярный транзистор, структурная схема, потенциальные диаграммы ЭДП при отсутствии и приложении внешнего напряжения.

Биполярным транзистором называется электропреобразовательный прибор, состоящий из трех областей с чередующимися типами проводимости, пригодный для усиления сигнала мощности.

Возможны две трехслойные структуры

Наружный слой является источником носителей зарядов (электронов и дырок), который главным образом создает ток прибора, называемый эмиттером (Э). Слой, принимающий носителей заряда, поступающих от эмиттера, называют коллектором (К). Средний слой называется базой (Б).

Стрелкой на схеме условного обозначения показано направление эмиттерного тока. Основой биполярного транзистора является пластина кремния или германия, состоящая из трех областей. Две крайние, как отмечено выше, обладают проводимостью одного типа, средняя – противоположной проводимостью. Структурная схема маломощного биполярного транзистора n-p-n-типа

Когда транзистор не подключен к внешним источникам электрической энергии, в его переходах П₁ и П₂ создаются потенциальные барьеры высотой _к. Через структуру транзистора протекает два небольших тока:

– ток диффузии I_диф – обусловлен диффузией через переходы основных носителей (дырок из p-области, электронов из n-области);

– встречный дрейфовый ток I_др – создан неосновными носителями зарядов.

При постоянной температуре одинаковой концентрации основных носителей заряда в эмиттере и коллекторе, ЭДП находится в состоянии динамического равновесия, то есть I_диф=I_др.

Внешнее напряжение подключается к транзистору таким образом, чтобы обеспечивалось смещение эмиттерного перехода П₁ (рис. 6.3) в прямом направлении (снижение ширины ЭДП и высоты потенциального барьера _к), а коллекторного перехода П₂ – в обратном. Это обеспечивается при помощи двух источников напряжения.

Так как в переходе П₁ напряжение источника действует в прямом направлении, то ток диффузии увеличивается, высота потенциального барьера уменьшается.

Дырки из эмиттера в большом количестве будут инжектироваться (выскакивать) в базу. Аналогичным образом увеличивается обратный поток электронов из базы в эмиттер, при этомI_{диф э}=I_{диф эр}+I_{диф эn},

где I_{диф э} – диффузионный ток эмиттера, I_{диф эр} – дырочная составляющая диффузионного тока эмиттера, I_{диф эn} – электронная составляющая диффузионного тока эмиттера.

Но вследствие того, что концентрация основных носителей в базе (электронов) много меньше, чем дырок в эмиттере, то

I_{диф э} I_{диф эр}. Для оценки свойств транзистора вводится понятие коэффициента инжекции 

где I_эр – дырочная составляющая тока эмиттера,

I_э – ток эмиттера.

Для оценки транзистора вводится понятие коээфициента переноса не основных носителей через базу 

где I_кр – коллекторный ток, обусловленный дырочной составляющей, I_эр – эмиттерный ток, обусловленный дырочной составляющей.

Коллекторный ток, обусловленный дырочной составляющей связан с током эмиттера I_эр коэффициентом передачи тока :

, =.

Таким образом, для увеличения коэффициента передачи  необходимо увеличивать разность концентраций в эмиттере и базе основных носителей заряда и уменьшить толщину базы.

34.Распределение токов в структуре транзистора, понятие коэффициентов передачи тока, коэффициента переноса неосновных носителей через базу, коэффициента инжекции.

Наличие коллекторного перехода П₂ (рис. 6.5), включенного в обратном направлении, обуславливает протекание обратного тока I_ко (вследствие дрейфа не основных носителей заряда). Концентрация не основных носителей зависит от температуры, следовательно, и ток I_ко зависит от температуры, поэтому этот ток называется тепловым

I_к = I_э + I_ко.

Принцип действия биполярного транзистора основан на создании транзитного (проходящего) потока носителей заряда из эмиттера в коллектор через базу и управлении коллекторным (выходным) током за счет изменения эмиттерного (входного) тока, следовательно, биполярный транзистор управляется током.

Сопротивление эмиттерного перехода R_э составляет единицы-десятки Ом, поэтому в эту цепь обычно подается небольшое напряжение. Сопротивление коллекторного перехода R_к составляет сотни кОм – единицы МОм, поэтому в цепь коллектора подводят большое напряжение. В коллекторную цепь возможно включать большие внешние сопротивления. Таким образом, R_кR_э.

Вследствие того, что изменение тока эмиттера происходит в цепи с малым сопротивлением, а почти равное ему изменение тока происходит в цепи коллектора, обладающего большим сопротивлением, то мощность, выделяемая на сопротивление R_к, значительно превышает мощность в цепи эмиттера. Следовательно, транзистор обладает свойством усилителя.

Ток базы состоит из двух составляющих: I_б = I_бр + I_бn,

где I_бр – дырочная составляющая тока базы, образованная в результате рекомбенации дырок с электронами, I_бn – ток, обусловленный прохождением некоторого числа электронов из базы в эмиттер через эмиттерный переход П₁ I_бn = I_эn.

Обе эти составляющие образуются вследствие того, что в базу, вместо предшествующих в эмиттер и исчезнувших при рекомбенации электронов от источника напряжения эмиттер-база, входят новые электроны. Ток базы – явление вредное, желательно, чтобы он был как можно меньше. Для его снижения принимают следующие меры: базу делают очень тонкой; уменьшают в сотни раз концентрацию примесей, которая определяет концентрацию электронов. I_эр = I_бр + I_кр,

где I_эр, I_бр, I_кр – дырочные составляющие соответственно эмиттера, базы, коллектора.

Часть дырок в базе рекомбенирует, но это малая часть, а значит I_крI_бр.

Для оценки транзистора вводится понятие коээфициента переноса не основных носителей через базу 

где I_кр – коллекторный ток, обусловленный дырочной составляющей,

I_эр – эмиттерный ток, обусловленный дырочной составляющей.

Коллекторный ток, обусловленный дырочной составляющей связан с током эмиттера I_эр коэффициентом передачи тока :

=. Таким образом, для увеличения коэффициента передачи  необходимо увеличивать разность концентраций в эмиттере и базе основных носителей заряда и уменьшить толщину базы.

35.Работа транзистора в схеме с общей базой (ОБ). Входные и выходные ВАХ. Параметры схемы включения.

Схема с общей базой (ОБ) имеет следующие семейства характеристик:

– выходных I_к=f(U_КБ) при постоянном значении тока эмиттера;

– входных I_Э=f(U_ЭБ) при постоянном напряжении U_КБ.

На выходных характеристиках выделяют три области

Первая область – область сильной зависимости I_К от U_КБ. Она расположена левее оси ординат.

U_КБ = -U_К – U_КБ^,

где U_К – напряжение на p-n- переходе,

U_КБ^ – внешнее напряжение.

При U_КБ^= 0, при I_э  0, I_к 0, поэтому, чтобы уменьшить значение тока коллектора I_К, необходимо подать положительное значение напряжения U_КБ^ , то есть перевести коллектор в режим эмиттера. Тогда потоки дырок взаимно компенсируются и I_К = 0.

Вторая область – слабая зависимость I_К от U_КБ.

При подаче отрицательного значения напряжения U_КБ^ характеристики немного поднимаются за счет эффекта модуляции толщины базового слоя. Повышение напряжения U_КБ приводит к уменьшению толщины базы, а следовательно, к увеличению коэффициентов передачи тока  и переноса неосновных носителей через базу .

Третья область – область теплового пробоя (существует предел повышения U_КБ).

Входные характеристики показаны на рис. 6.10.

Кривая, снятая при значении напряжения U_КБ1, размещается левее и выше кривой, снятой при U_КБ = 0, вследствие происходит явление базовой модуляции. При U_КБ = 0, переход П₂ закорочен и не влияет на ток базы. Изменение U_КБ (на коллекторном переходе) вызывает модуляцию ширины базы. С ростом U_КБэто приводит к увеличению градиента концентрации инжектируемых в базе дырок, в результате чего увеличивается ток диффузии, то есть ток эмиттера.

Диффузия – перемещение носителей заряда в направлении понижения их концентрации. Такое перемещение зарядов в полупроводнике образует ток диффузии, пропорциональный градиенту концентрации, представляющий собой отношение изменения концентрации носителей заряда данного знака к расстоянию, на котором происходит это изменение.

36.Работа транзистора в схеме с общим эмиттером (ОЭ). Входные и выходные ВАХ. Параметры схемы включения.

Схема с общим эмиттером (ОЭ) имеет следующие семейства характеристик:

– выходных I_К=f(U_КЭ) при постоянном значении тока базы.

– входных I_Б=f(U_ЭБ) при постоянном напряжении U_КЭ.

Напряжение на эмиттерном переходе П₁ определяет напряжение U_БЭ, а на коллекторном переходе П₂.

На выходных характеристиках выделяют три области

Напряжение на эмиттерном переходе П₁ определяет U_БЭ, а на коллекторном переходе П₂ – (U_КЭ – U_БЭ). На выходных характеристиках три области:

Первая область – начальная область, зависимость сильная I_К от U_КЭ,

Вторая область – слабая зависимость I_К от U_КЭ,

Третья область – тепловой пробой коллекторного перехода.

Характеристики начинаются из начала координат. При U_КЭ = 0, напряжение на коллекторном переходе будет равно напряжению U_БЭ. Коллекторный переход открыт, поток дырок из коллектора в базу и из эмиттера в коллектор компенсируется, ток коллектора I_К = 0. По мере возрастания напряжения U_КЭ по модулю, прямое напряжение на переходе П₂ снижается, его инжекция снижается и увеличивается ток I_К. На границе первой и второй областей прямое напряжение снимается с перехода П₂ и во второй области на переход действует обратное напряжение (U_КЭU_БЭ).

Входные характеристики

При значении U_КЭ = 0 входная характеристика соответствует прямой ветви ВАХ p-n-перехода. При увеличении значения напряжения U_КЭ по модулю, характеристики смещаются за счет эффекта модуляции базы. При U_КЭ0 при U_БЭ=0, ток I_Б0 за счет обратного тока через p-n- переход.

37.Режимы работы транзистора. Работа транзистора в ключевом режиме.

На семействе выходных характеристик можно выделить три области, соответствующие трем режимам работы транзистора.

Первая область – активная область или активный режим.

Вторая область – область отсечки.

Третья область – область насыщения или режим насыщения.

Первый режим – активный (режим малого сигнала). Ток на выходе зависит от тока на входе.

Эмиттерный переход П₁ смещен в прямом направлении, а коллекторный П₂ – в обратном.

Активная область используется при работе транзистора при усилении и генерировании монотонно изменяющихся сигналов с малой амплитудой.

Второй режим. Оба перехода закрыты. Сигнал на входе отсутствует и биполярный транзистор усилительными свойствами не обладает. Для обеспечения режима отсечки необходимо: на эмиттерный переход подать запирающее напряжение при запертом коллекторном переходе, через оба перехода протекает ток I_КО.

За счет модуляции базы переход П₁ смещается в прямом направлении. Для обеспечения его надежного запирания предусмотрена цепь смещения для получения положительного потенциала базы относительно эмиттера (для транзисторов p-n-p-типа).

Третий режим. Открыты оба перехода, через транзистор протекает прямой ток, ограничиваемый внешним сопротивлением.

В преобразовательных устройствах биполярные транзисторы используются в качестве ключевых элементов, то есть биполярные транзисторы работают в режиме переключения из области насыщения (соответствующая включенному состоянию – кривая А) в область отсечки (соответствующая выключенному состоянию – кривая Б), кратковременно находясь в активном режиме в процессе переключения.

Режим ключа – сочетание режимов отсечки и насыщения, то есть режим большого сигнала. Режим работы биполярного транзистора с включенной нагрузкой выходной цепи называется режимом нагрузки. При работе биполярного транзистора в этом режиме в его входную цепь подают переменный (гармонический или импульсный) сигнал, а в выходную – включают нагрузочный резистор, обмотку трансформатора или реле.

Пример транзисторного ключа

При отсутствии управляющего сигнала транзистор закрыт и находится в состоянии отсечки, так как на базу подано положительное значение напряжения смещения (разомкнутый контакт). Источник положительного напряжения смещения вводится в цепь базы для ограничения не равного нулю тока I_КО, проходящего через цепь нагрузки.

Состояние насыщения аналогично замкнутому контакту. В закрытом состоянии потенциал коллектора близок к отрицательному значению напряжения U_К, в открытом – положительному. Для обеспечения режима насыщения необходимо выполнить условие:

I_{Б нас}  I_{К нас}/_мин,

где I_{К нас} – ток коллектора в режиме насыщения,

_мин – минимальный статический коэффициент усиления транзистора.

Ток эмиттера I_Э появляется практически мгновенно, его задают в ключевых схемах на 20-30% больше номинального тока I_{Э ном}. Превышение тока эмиттера над номинальным называется избыточным током, а отношение

называется коэффициентом (глубиной) насыщения.

38.Малосигнальные и собственные параметры транзисторов. Схема измерения h-параметров транзистора.

В настоящее время получил распространение метод расчета параметров транзистора при замене его линейным четырехполюсником, но транзистор нелинейный элемент. Поэтому замена его линейным четырехполюсником справедлива лишь для области малых сигналов, когда участки характеристик, связывающих напряжение и токи, малы и их нелинейностью можно пренебречь. Режимом малого сигнала называется такой режим, при котором изменение входного сигнала на 50% вызывает изменение выходного сигнала не более, чем на 10% от его предыдущего значения.

Для транзистора как четырехполюсника, в качестве независимых переменных обычно принимают приращение I₁ и U₂, а приращение U₁ и I₂ выражают через h-параметры транзистора:

U₁ = h₁₁  I₁+h₁₂  U₂,

I₂ = h₂₁  I₁ + h₂₂  U₂.

Значение h-параметров, в пределах линейных частей характеристик, соответствует частным производным при равенстве нулю второго слагаемого в правой части уравнения.

h₁₁ – входное сопротивление транзистора при короткозамкнутой выходной цепи

h₁₂ – коэффициент обратной связи по напряжению при разомкнутой входной цепи

h₂₁ – коэффициент усиления по току при короткозамкнутой выходной цепи

h₂₂ – выходная проводимость при разомкнутой входной цепи

Для определения h-параметров, на входе осуществляют режим холостого хода, а на выходе – режим короткого замыкания по переменной составляющей тока или напряжения. Это должно быть, сделано так, чтобы изменение режима работы транзистора по переменной составляющей не отражалось на выбранном и установленном его режиме по постоянной составляющей. Для создания режима короткого замыкания по переменной составляющей между двумя выходными электродами включают конденсатор большой емкости, а для режима холостого хода включают реактор с большой индуктивностью или параллельный колебательный контур.

h-параметры зависят от выбранной рабочей точки, температуры и схемы включения транзистора по переменному току.

39.Силовые транзисторные модули.

Для управления силовыми транзисторами требуются значительные токи управления, что не всегда можно реализовать в схемах. Для снижения тока управления (тока базы) используется составной транзистор, который собирается из двух отдельных транзисторов, либо две транзисторные структуры устанавливаются в общий корпус. Такой прибор называется транзисторным модулем.

При открытии первого транзистора VT1 током его базы I_Б1 через его коллекторную цепь протекает ток базы второго транзистора VT2, при этом I_К1=I_Б2. Ток базы первого транзистора является током управления такого модуля, меньше тока базы второго транзистора (I_Б1I_Б2). Резисторы R₁ и R₂ обеспечивают отрицательное смещение на базах транзисторов и их полное запирание при отсутствии положительных сигналов на базах. Диод VD исключает подачу на базу первого транзистора отрицательного сигнала из внешней цепи. Структуры транзисторов смонтированы в корпусе электрически изолированно от общего основания, что позволяет несколько модулей устанавливать на общий радиатор, не зависимо от схемы их соединения.

40. Основные параметры маломощных и силовых транзисторов.

Различают электрические параметры, предельно - эксплуатационные и параметры эквивалентных схем (параметры схем замещения).

К электрическим параметрам относят: f_h21(f_) – предельная частота коэффициента передачи тока транзистора, h_12(э)() – статический коэффициент передачи тока в схеме с общей базой, U_{КЭ 0 гр} – граничное напряжение транзистора, U_{КЭ нас} – напряжение насыщения коллектор - эмиттер, U_{ЭБ нас} – напряжение насыщения эмиттер - база,

С_К, с_Э – емкости коллекторного и эмиттерного переходов.

К предельно-допустимым параметрам относят:

U_КБ, U_ЭБ – постоянное напряжение,

Р_{К макс} – постоянная рассеиваемая мощность коллектора (определяет нагрузочную способность транзистора),

Т_{n макс} – максимальная температура p-n-перехода.

41.Классификация и маркировка транзисторов.

Выпускаемые промышленностью транзисторы классифицируют по мощности и частоте. В настоящее время используют транзисторы как со старой маркировкой, так и с новой.

Старая маркировка содержит три элемента:

1 элемент – буква П (плоскостной транзистор ) или МП (модернизированный плоскостной);

2 элемент – порядковый номер разработки транзистора, характеризующий его полупроводниковый материал, мощность рассеяния (малая – до 0,25 Вт и большая – более 0,25 Вт) и частотные свойства ( низкочастотные – до 5 МГц и высокочастотные – свыше 5 МГц);

3 элемент – буква, характеризующая свойства транзистора внутри одного типа (коэффициент передачи тока базы  и др.). Например, транзистор П5А является германиевым низкочастотным малой мощности, а П302Б – кремниевым низкочастотным большой мощности.

Новая система маркировки содержит четыре элемента:

1 элемент – буква, обозначающая материал, на основе которого выполнен транзистор (Г – германиевый, К – кремниевый, А – арсенид галлия);

2 элемент – буква Т (транзистор);

3 элемент – порядковый номер разработки прибора, характеризующий его мощность рассеяния и частотные свойства;

4 элемент – буква, характеризующая свойства транзистора внутри одного типа (допустимые ток и напряжение).

42.Полевые транзисторы. Классификация, маркировка.

Полевым транзистором называется электропреобразовательный прибор, в котором ток канала управляется электрическим полем, возникающим с приложенным напряжением между затвором и истоком, и который предназначен для усиления мощности электромагнитных колебаний.

Каналом называется центральная область транзистора.

Электрод, из которого в канал входят носители зарядов называется истоком. Электрод, через который основные носители уходят из канала – стоком. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называется затвором.

Так как в полевых транзисторах ток определяется движением носителей только одного знака, иногда их называют униполярными.

Полевые транзисторы изготавливают из кремния и, в зависимости от электропроводности исходного материала, подразделяют на транзисторы с p- каналом и n-каналом. Главное достоинство полевых транзисторов – высокое входное сопротивление.

Рис. 6.28. Классификация и условные графические обозначения

полевых транзисторов

Полевые транзисторы имеют такую же маркировку, как и биполярные, но с заменой второй буквы на П. Например, КП-302А, КП-904Б.

43.Принцип работы полевого транзистора с управляющим p-n-переходом.

Полевой транзистор с управляемым переходом – это транзистор, у которого затвор электрически отделен от канала закрытым p-n-переходом.

В транзисторе с n- каналом основными носителями зарядов в канале являются электроны, которые движутся вдоль канала от истока с низким потенциалом к стоку с более высоким потенциалом, образуя ток стока I_с. Между затвором и истоком приложено напряжение, запирающее p-n-переход. Полярность приложенных напряжений должна быть следующая: U_си0, U_зи0.

В транзисторе с p-каналом основными носителями зарядов являются дырки, которые движутся в направлении снижения потенциала, поэтому полярности приложенных напряжений должны быть иными: U_сн0, U_зи0.

Работа полевого транзистора с n-каналом, а соответственно и изменение поперечного сечения канала, происходит при подаче определенных напряжений на электроды транзистора. Рассмотрим работу транзистора на примере трех рисунков.

Рис. 6.30. Формирование равномерного обедненного слоя в транзисторе при подаче запирающего напряжения U_зи

При подаче запирающего напряжения U_зи на p-n-переход между затвором и каналом на границах канала возникает равномерный слой, объединенный носителями зарядов и обладающий высоким удельным сопротивлением, а это приведет к уменьшению проводящей ширины канала.

Напряжение, приложенное между стоком и истоком, приводит к появлению неравномерного обедненного слоя, так как разность потенциалов между затвором и каналом увеличивается в направлении от истока к стоку и, наименьшее сечение канала расположено вблизи стока.

Рис. 6.31. Формирование неравномерного обедненного слоя

в транзисторе при подаче напряжения U_СИ

Рис. 6.32. Формирование неравномерного обедненного слоя

в транзисторе при подаче напряжений U_си>0 и U_зи0

Если одновременно подать напряжения U_си>0 и U_зи0, то минимальное сечение канала определяется суммой напряжений. Когда суммарное напряжение достигнет напряжения запирания, обедненные области смыкаются и сопротивление канала резко возрастет (рис. 6.32).

Включение полевых транзисторов (как и биполярных транзисторов) может быть произведено по трем схемам: с общим истоком; с общим стоком; с общим затвором. Наиболее употребительна схема с общим истоком.

Цепь сток-исток является выходной цепью усилительного каскада, в нее и включается сопротивление нагрузки. Входная (управляющая) цепь образована с помощью третьего электрода (затвора) с другим типом электропроводности (p-типа). Источник напряжения затвор-исток создает на p-n-переходе обратное напряжение, которое изменяет ширину запирающего слоя (эффект модуляции ширины базы).

44.ВАХ полевого транзистора с управляющим p-n-переходом.

На выходной (стоковой) характеристике можно выделить три области:

– первая область – область сильной зависимости тока стока от напряжения,

– вторая область – область слабой зависимости,

– третья область – область пробоя p-n-перехода.

При напряжении U_зи=0, в области малых значений влияния напряжения U_си на проводимость канала не велико. На участке (0-а) практически линейная зависимость (рис. 6.34, а). С увеличением напряжения U_си (участок (а-б)) сужение токопроводящего канала оказывает существенное влияние на ток стока I_с. Точка (б) – точка смыкания p-n-переходов. Дальнейшее повышение напряжения U_си не должно приводить к изменению тока стока. Некоторое увеличение тока стока связано с наличием утечек и влиянием сильного поля в p-n- переходе. Третий участок – область лавинного пробоя электрода по цепи сток - затвор. Напряжение пробоя соответствует напряжению U_си в точке (в).

Приложение к затвору обратного напряжения вызывает сужение канала.

Важным параметром является значение напряжения U_{зи 0} (напряжение запирания или отсечки), при котором ток стока стремится к нулю. При U_зи=0 ток стока имеет максимальное значение.

45.Основные параметры полевого транзистора с управляющим p-n-пере ходом.

Основными параметрами полевых транзисторов с управляющим p-n- переходом являются:

1) максимальное значение тока стока I_{с макс};

2) максимальное значение напряжения сток-исток U_{си макс} (в 1,2-1,5 раз меньше напряжения участка сток – затвор при U_зи=0);

3) напряжение отсечки (запирания), U_{зии 0}=U_зап;

4) внутреннее сопротивление, характеризует наклон выходной характеристики на втором участке

5) крутизна стоко-затворной характеристики, отражает влияние напряжения U_зи на выходной ток I_с

6) входное сопротивление, определяется сопротивлением p-n-переходов, смещенных в обратном направлении, даже при больших приращениях U_зи приращение тока затвора приблизительно равно нулю, а значит входное сопротивление очень большое

7) выходное сопротивление

8) коэффициент усиления

Показывает во сколько раз напряжение U_зи сильнее влияет на изменение тока I_с, чем напряжение U_си,  = 10100.

46.Полевые МДП-транзисторы со встроенным каналом. Входные и выходные характеристики.

В транзисторе с изолированным затвором затвор отделен от полупроводникового канала тонким слоем диэлектрика. Иначе эти приборы называют МДП-транзисторы (металл, диэлектрик, полупроводник). МДП-транзисторы выполняются из кремния. В качестве диэлектрика используют оксид кремния, отсюда и другое название – МОП-транзисторы (металл, оксид, полупроводник). Наличие диэлектрика обеспечивает высокое входное напряжение (10¹²10¹⁴ Ом).

Принцип действия МДП-транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля. Приповерхностный слой полупроводника является токоведущим каналом.

В исходной пластине чистого или слаболегированного кремния (p-типа), называемого подложкой, созданы области стока, канала и истока n-типа. Четвертый электрод, подложка, в большинстве схем соединяют с истоком (рис. 6.35). Подача управляющего напряжения U_зи на затвор транзистора, за счет создаваемого электрического поля в структуре транзистора, осуществляется управлением величины тока I_с.

Характеристики транзисторов. Стоковые (выходные)

характеристики

Изолированный затвор позволяет работать в области положительных значение напряжений затвор-исток. На рис. 6.36 показаны три семейства выходных характеристик.

Рис. 6.36. Стоковые (выходные) характеристики МДП-транзисторов

со встроенным каналом

Первое семейство – U_зи = 0. Ток I_с определяется исходной проводимостью канала. При малых значениях напряжения U_си они не влияют на ток I_с, так как по мере приближения к стоку, потенциал возрастает и увеличивается запорный слой (модуляция). При увеличении значений напряжения U_си канал сужается, ток уменьшается, в точке б канал сужается до минимума.

Второе семейство – U_зи < 0. Поле выталкивает электроны, что приводит к уменьшению концентрации их в канале, снижая его проводимость – это режим обеднения канала.

Третье семейство – U_зи > 0. Поле притягивает электроны из p-области, увеличивается концентрация их и повышается проводимость канала – это режим обогащения канала носителями.

Рис. 6.37. Стоко-затворная (передаточная) характеристика МДП-транзисторов со встроенным каналом

Меняя полярность и значение напряжения затвор-исток, можно изменить проводимость канала и, следовательно, ток I_с, при неизменном значении напряжения сток-исток. В отличие от полевых транзисторов с управляемым p-n-переходом, при этом изменяется не площадь сечения канала, а концентрация основных носителей заряда.

47.Полевые МДП-транзисторы с индуцированным каналом. Достоинства и недостатки полевых транзисторов.

Канал проводимости тока в этом типе транзистора не создается, а индуктируется благодаря притоку электронов из p-области при приложении к затвору напряжения приложенной полярности. Транзистор с индуцированным каналом работает только в режиме обогащения.

а б

а – стоковая (выходная); б – стоко-затворная (передаточная)

Достоинствами полевых транзисторов являются:

1) высокое входное сопротивление, что соответствует повышенному коэффициенту усиления по мощности управления;

2) обусловленность рабочего тока только основными носителями заряда и, как следствие, высокое быстродействие. Время переключения современных МОП-транзисторов составляет единицы наносекунд (10^-9). Такая скорость переключения обусловлена тем, что в них практически исключены токи накопленных зарядов не основных носителей;

3) почти полное разделение выходного сигнала от входного;

4) малый уровень шумов;

5) работа на высокой частоте.

К недостаткам полевых транзисторов можно отнести:

1) низкие значения коммутируемого тока (десятки А) и напряжения (до 500600 В);

2) высокие значения прямых потерь из-за большого сопротивления во включенном состоянии (0,20,5 Ом).

48.Биполярный транзистор с изолированным затвором ( IGBT ).

БТ с изолированным затвором – это полностью управляемый полупроводниковый прибор. Его включение и выключение осуществляется подачей и снятием положительного напряжения между затвором и истоком.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором являются продуктом развития технологии силового транзистора с структурой МОП и сочетает в себе два транзистора в одной полупроводниковой структуре: биполярный транзистор (образующий силовой канал) и полевой транзистор (образующий канал управления). Эквивалентная схема включения двух транзисторов

Прибор введен в силовую цепь выводами биполярного транзистора – Е (эмиттер) и С (коллектор), а в цепь управления – выводом G (затвор).

Таким образом, IGBT имеет три внешних вывода: эмиттер, коллектор, затвор. Соединение эмиттера и стока (D), базы и истока (S) является внутренними.

Сочетание двух приборов в одной структуре позволила объединить достоинства биполярного и полевого транзисторов (высокое входное сопротивление с высокой токовой нагрузкой и малым сопротивлением в включенном состоянии, малая мощность сигнала управления, способность выдерживать высокие значения обратного напряжения, хорошие температурные характеристики).

Процесс включения биполярного транзистора с изолированным затвором можно разделить на два этапа: после подачи положительного напряжения между затвором и истоком происходит включение полевого транзистора (формируется канал n между истоком и стоком). Движение зарядов из области n в область p приводит к открытию биполярного транзистора и возникновению тока от эмиттера к коллектору. Таким образом, полевой транзистор управляет работой биполярного.

В IGBT-транзисторах с изолированным затвором имеется две биполярные структуры p-n-p-типа и n-p-n-типа.

49.Динистор (диодный тиристор). Структурная схема, принцип работы, ВАХ.

Тиристор представляет собой полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, который может переключаться из одного открытого состояния в состояние закрытое и наоборот. По своей структуре тиристоры отличаются от биполярных транзисторов тем, что у них вместо трех – четыре (или более) полупроводниковых слоя, в которых проводимость последовательно чередуется.

Основными типами являются диодные и триодные тиристоры.

В диодных тиристорах – динисторах – переход прибора из закрытого состояния в открытое связан с тем, что напряжение между анодом и катодом достигает некоторой граничной величины, являющейся параметрами прибора, то есть напряжением включения. В триодных тиристорах – тринисторах – управление состоянием прибора производится по цепи третьего – управляющего электрода.

Обратная ветвь ВАХ тиристора представляет собой обратную ветвь ВАХ перехода П₁ или диода. Именно на переходе П₁ решается задача получения лавинной характеристики для защиты тиристора от перенапряжения.

Рассмотрим прямую ветвь ВАХ. При приложении прямого напряжения переходы П₁ и П₃ открыты, переход П₂ закрыт.

Чтобы открыть тиристор необходимо сбалансировать потенциальный барьер на границе слоев n₁ и p₂. Под действием прямых напряжений через эмиттерные переходы происходит инжекция основных носителей заряда соответствующей базе транзисторов n₁ и p₂. В тиристоре VT2 электроны из эмиттера (n₂-слой) переходят в базу (p₂-слой), где становятся не основными носителями. Часть этих электронов рекомбинирует в базе, а остальные переходят на коллектор n_1, где создается избыточный отрицательный заряд. Аналогично дырки создают в p₂ избыточный положительный заряд.

Однако, за счет обратного напряжения на переходе П₂ в области n₁ имеется положительный заряд, а в области p₂ – отрицательный, образующий потенциальный барьер. Избыточные электроны в n₁ и дырки в p₂ накапливаясь создают свое электрическое поле, которое снижает потенциальный барьер. Чем больше напряжение U_пр, тем больше это поле и в результате оно может полностью компенсировать потенциальный барьер. Ток тиристора резко возрастает, тиристор откроется и его ВАХ соответствует ВАХ диода. Сопротивление перехода П₂ станет незначительным (как у П₁ и П₃).

Коллекторные токи определяются следующим образом: I_к1=₁I_э1,

I_к2=₂I_э2. Через коллекторный переход течет обратный ток этого перехода - I_ко - тепловой ток. Таким образом, результирующий ток коллекторного перехода будет: I_кол=I_к1+ I_к2+ I_ко. Все переходы в тиристоре соединены последовательно и тиристор имеет два силовых вывода, поэтому результирующий ток будет:

I_А= I_к= I_э1= I_э2,

При небольших значениях  ((₁+₂)0), ток I_а мал, при (₁+₂)1, I_а, но его ограничивает сопротивление R_н (участок б-в).

Коэффициенты ₁ и ₂ зависят от тока. Момент открытия тиристора зависит от величины .

При отсутствии тока управления I_у тиристор будет всегда открываться при напряжении включения U_вкл (точка а (рис. 7.3)), но неуправляем, т.е. работает в режиме динистора.

В ряде случаев динистор используется в электрических цепях в качестве разрядника, например для защиты вентильных обмоток преобразовательного трансформатора.

50.Тринистор (триодный тиристор). Структурная схема, принцип работы, ВАХ.

Недостатком является большое значение напряжения включения U_вкл при протекании больших токов. Создав третий электрод можно управлять моментом открытия. Такой прибор называется тринистором.

С увеличением напряжения управления возрастает ток управления I_упр. Ток управления приводит к движению электроны из n₂-области в p₂-область. Для области p₂ – электроны не основные носители заряда, для них поле перехода П₂ действует втягивающе. Эти электроны усиливают компенсацию объемного положительного заряда и тиристор открывается при значении прямого напряжения U_пр меньшем значения напряжения включения U_вкл. Если ток управления, при котором тиристор открывается сразу и работает как диод – ВАХ тиристора выражается в ВАХ диода, это значение тока управления называют током спрямления.

Тиристор – частично управляемый вентиль, так как можно управлять только моментом его открытия. Условия закрытия тиристора: ток анода I_А меньше тока удержания I_уд.

52.Основные параметры тиристоров.

Основные параметры тиристоров:

– предельный прямой ток I_пр;

– перегрузочная способность;

– прямое падение напряжения U_пр;

– повторяющееся и неповторяющееся прямое или обратное напряжение;

– сопротивление вентиля в прямом и обратном направлении;

– температурный режим.

Кроме того, существуют специфические параметры:

– напряжение включения;

– токи включения и удержания;

– обратный и прямой токи утечки;

– скорость нарастания прямого тока при включении;

– скорость нарастания прямого напряжения на закрытом вентиле;

– время включения и выключения;

– ток, напряжение и предельное значение мощности в цепи управления.

55.Система обозначений и маркировка маломощных и силовых тиристоров.

Приведем пример маркировки тиристора.

Т 353 - 800 - 28 - 61 УХЛ 2

Т – тиристор,

3 – порядковый номер модификации конструкции,

5 – модификация по диаметру корпуса (73 мм) по таблице,

3 – конструктивное исполнение корпуса (таблеточный),

800 – предельный ток, А,

28 – класс тиристора,

6 – группа по критической скорости нарастания напряжения

1 – группа по времени выключения (для 1 группы 500 мкс),

УХЛ – климатическое исполнение,

2 – категория размещения (в закрытых холодных помещениях).

56.Запираемые тиристоры (GTO-тиристоры). Процессы включения и выключения. Основные параметры.

У обычных тиристоров можно управлять моментом включения, но нельзя управлять моментом окончания токовой проводимости. В связи с этим использование тиристоров в цепях постоянного тока, а также в инверторах требует применения специальных средств (схемы индуктивно-емкостных контуров коммутации), гасящие ток.

Условное графическое обозначение запираемого тиристора

В запираемых тиристорах положительным управляющим импульсом обеспечивается перевод тиристора в проводящее состояние, а отрицательным импульсом - выключение тиристора.

ВАХ запираемого тиристора аналогична ВАХ обычного тиристора, аналогичен и процесс включения.

Запираемый тиристор имеет такую же четырехслойную структуру, что и обычный тиристор. Поэтому к ним применим транзисторный аналог. При подаче отрицательного импульса тока управления в базовый слой структуры уменьшается заряд в обоих базах транзисторов, при этом снижении все составляющие тока тиристора, и он включается.

Переходный процесс выключения током в цепи управления происходит в три этапа:

1) при протекании тока I_A=const подается ток в цепи управления. При этом I_к=(I_а-I_у). Чтобы первый этап перешел во второй необходимо определенное значение тока запирания намного большего значения тока включения (I_{у закр}I_{у вкл}). Значение тока запирания и тока анода связаны значением коэффициента усиления включения

Обычно G35;

2) второй этап характеризуется резким снижением токов I_А и I_К. В течение этого этапа происходит дальнейшее снижение концентрации носителей в обеих базах структуры. Этап заканчивается тогда, когда эта концентрация становится равной нулю;

3) на третьем этапе происходит рассасывание не основных носителей и ток тиристора снижается до нуля.

Основное отличие запираемых тиристоров от обычных (не запираемых) заключается в ином расположении горизонтальных и вертикальных слоев с n- p-проводимостями.

Наибольшему изменению подверглось устройство катодного n-слоя, он разбит на несколько сотен элементарных ячеек равномерно распределенных по площади и соединенных параллельно. Такое исполнение вызвано стремлением обеспечить равномерное снижение по всей площади полупроводниковой структуры при включении прибора.

Базовый p-слой, не смотря на то, что выполнен как единое целое, имеет большое число контактов управляющего перехода, так же равномерно распределенных по площади и соединенных параллельно. Базовый n- слой выполнен аналогично, соответственно условиям обычного тиристора.

Анодный слой имеет шунты (зоны с n-типом проводимости), соединяющие n-базу с анодным контактом через небольшое распределение сопротивления. Анодные шунты предназначены для снижения времени включения прибора за счет улучшения условий извлечения зарядов из базовой n-области.

Запираемые тиристоры изготавливают в штыревых и таблеточных корпусах, устанавливаемых на типовых охладителях.

57.Симметричные тиристоры (симисторы). Структура, ВАХ, основные параметры.

В некоторых схемах требуются приборы, которые можно включить как в прямом, так и в обратном направлении. Этому требованию отвечают симисторы.

При подаче импульса тока управления на управляющий электрод симистор включается независимо от полярности анодного напряжения, включается как обычный тиристор.

ВАХ симистора – это ВАХ двух тиристоров, включенных встречно и параллельно.

Выпрямительный элемент имеет пятислойную структуру, крайние переходы замкнуты металлическими контактами (шунтами Ш₁, Ш₂) электродов А и В. Управляющий электрод подключен к p₂-области.

Если минус на аноде и плюс на базе, то переход П₄ закрыт. При подаче положительного импульса на управляющий электрод ток проходит по пути n₁-p₂-n₃-p₄, как в обычном тиристоре.

При обратной полярности, плюс на аноде и минус на базе, переход П₁ закрыт. Напряжение приложено к слоям p₂-n₃-p₄-n₅. При подаче на управляющий электрод положительного импульса электроны из цепи управления попадают в n₂-слой и под действием поля перехода П₂ переходят в слой n₃ понижая его потенциал. Это вызовет инжекцию дырок из слоя p₂ в слой n₃, далее дырки переходят в слой p₄, у которого отрицательный потенциал.

Прямая и обратная ветви ВАХ симистора имеют одинаковый характер и определяются теми же параметрами, что и прямая ветвь обычного тиристора.

Симисторы, как и обычные тиристоры, разбивают на группы по среднему падению напряжения и на классы по номинальному

рабочему напряжению.

Симисторы применяют в качестве бесконтактных переключателей и управляемых вентилей для преобразования электрического тока.

58.Основные функциональные узлы и технические характеристики электронного осциллографа.

Электронно-лучевым осциллографом называется прибор, предназначенный для записи или наблюдения изменения электрических сигналов во времени на экране электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), а также для измерения амплитудных и временных параметров различных электрических величин (тока, напряжения, частоты, мощности, сдвига фаз, параметров импульсов и т. д.). Основным узлом осциллографа является ЭЛТ – электровакуумный прибор, в котором электронный поток формируется в электронный луч и используется для преобразования электрических сигналов в световые. Стеклянный баллон ЭЛТ имеет форму колбы, в которой создан вакуум. Электронный прожектор, или электронная пушка, состоит из катода с подогревателем, модулятора или управляющего электрода и анодов, фокусирующих электронный луч на экран. Электронная пушка формирует поток электронов, вылетающих из катода, в узкий пучок (луч). Под действием электрических полей, приложенных к отклоняющим парам пластин, электронный луч отклоняется от осевого направления. Одна пара пластин отклоняет луч в вертикальном направлении, другая – в горизонтальном. На экране луч создает светящееся пятно. Если напряжение на пластинах изменяется по определенному закону во времени, то смещение пятна будет следовать этому закону. Принцип работы электронного осциллографа основан на взаимодействии электронного потока с полем, создаваемым электрическим (или преобразованным) сигналом, пропорциональным изменению исследуемых величин. Пучок электронов на экране ЭЛТ описывает замкнутую кривую (осциллограмму), отражающую исследуемый процесс.

60.Контроль исправного состояния силовых диодов по значению импульсного обратного повторяющегося тока.

Устройство для измерения импульсных обратных токов силовых вентилей, разработанное и изготовленное в ОмГУПСе, предназначено для оценки значения повторяющегося импульсного обратного тока любого типа силовых вентилей (диода, тиристора, кремниевого, германиевого, штыревого, таблеточного, лавинного, нелавинного).

В соответствии с ГОСТ 24461-90 (СТ СЭВ 1656-79) и Инструкцией по техническому обслуживанию и ремонту тяговых подстанций (ЦЭ-936) одним из параметров-критериев годности диодов является импульсный обратный ток I_RRM, т. е. значение обратного тока в момент времени, который соответствует амплитуде максимально допустимого повторяющегося импульсного обратного напряжения U_RRM. При этом форма напряжения должна быть однополупериодная синусоидальная с длительностью импульса не более 10 мс. Диод считается выдержавшим испытание, если значение повторяющегося импульсного обратного тока не превышает нормы.

Основные требования к элементам схемы:

1) источник импульсов напряжения 1 должен обеспечивать однополупериодные синусоидальные импульсы напряжения длительностью 1 – 10 мс, частотой импульсов в пределах от одиночных до 50 Гц и амплитудой в соответствии с рис. 22;

2) должны использоваться следующие измерительные приборы: PV – вольтметр амплитудных значений; PA – миллиамперметр мгновенных значений.

Методика исследования состоит в следующем. К диоду от источника импульсного напряжения подается обратное напряжение, равное значению максимально допустимого повторяющегося импульсного обратного напряжения U_RRM. Значение U_RRM контролируется вольтметром амплитудных значений PV и должно соответствовать значению напряжения класса испытуемого диода.

Класс диода соответствует числу сотен вольт наибольшего повторяющегося импульсного обратного напряжения К = U_RRM / 100. Так, например, для вентиля 24-го класса U_RRM = 2400 В.

В момент времени, который соответствует амплитуде обратного напряжения, с помощью миллиамперметра PA измеряют значение повторяющегося импульсного обратного тока I_RRM.

Считается, что вентиль выдержал испытание, если значение повторяющегося импульсного обратного тока не превышает установленной нормы, указанной в групповом паспорте диодов вентильных конструкций или в справочных источниках (каталогах) при значениях температуры, оговоренных в ГОСТ 24461-90.