2. Свободными носителями заряда в полупроводниках, как правило, являются электроны, возникающие в результате ионизации атомов самого полупроводника (собственная проводимость) или атома примеси (примесная проводимость). В некоторых полупроводниках носителями заряда могут быть ионы. На рисунке 9.1 показана атомная модель кремния и энергетическая диаграмма собственного полупроводника, в котором происходит процесс генерации носителей заряда.

 

 

 

 

Рис. 9.1. Атомная модель кремния и энергетическая диаграмма собственного полупроводника

Картинки почему то нет. Ну да и хер с ней.

 

При абсолютном нуле зона проводимости пустая, как у диэлектриков, а уровни валентной зоны полностью заполнены. Под действием избыточной энергии DWo , появляющейся за счет температуры, облучения, сильных электрических полей и т.д., некоторая часть электронов валентной зоны переходит в зону проводимости. Энергия DWo в случае беспримесного полупроводника, равна ширине запрещенной зоны и называется энергией активации. В валентной зоне остается свободное энергетическое состояние, называемое дыркой, имеющей единичный положительный заряд.

  При отсутствии  электрического поля дырка, как и электрон, будет совершать хаотические колебания, при этом происходят и обратные переходы электронов из зоны проводимости на свободные уровни валентной зоны (рекомбинация). Эти процессы условно показаны на рисунке 9.2.

Рис. 9.2. Процессы генерации и рекомбинации в полупроводнике

Электропроводность, возникающая под действием электрического поля за счет движения электронов и в противоположном направлении такого же количества дырок, называется собственной. В удельную проводимость полупроводника дают вклад носители двух типов - электроны и дырки

,

9.1

где n и mn — концентрация и подвижность электронов,

p и mp — концентрация и подвижность дырок.

Для собственного полупроводника концентрация носителей определяется шириной запрещенной зоны и значением температуры по уравнению Больцмана

9.2

 то есть при 0< kT < DWo переброс через запрещенную зону возможен. В собственном полупроводнике концентрация электронов ni равна концентрации дырок pi, ni = pi , ni + pi = 2ni .

Подвижность носителей заряда представляет скорость, приобретаемую свободными электронами или ионами в электрическом поле единичной напряженности

, м2/(В . с)

9.3

Подвижность дырок существенно меньше, чем подвижность электронов. Подвижность электронов и дырок в некоторых полупроводниках показана в таблице. 

 

Полупроводники	Подвижность электронов м2/(В.с)	Подвижность дырок м2/(В.с)
Ge	0.380	0.180
Si	0.135	0.050
GaAs	0.820	0.040
InAs	3.000	0.020
InSb	7.000	0.400

 

Наибольшая подвижность была обнаружена в антимониде индия InSb и в арсениде индия InAs.

Примесная проводимость. Поставка электронов в зону проводимости и дырок в валентную зону может быть за счет примесей, которые могут ионизоваться уже при низкой температуре. Энергия их активации значительно меньше энергии, необходимой для ионизации основных атомов вещества. Примеси, поставляющие электроны в зону проводимости, занимают уровни в запретной зоне вблизи дна зоны проводимости. Они называются донорными. Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны, располагаются на уровнях в запретной зоне вблизи потолка валентной зоны и называются акцепторными. На рисунке 9.3 показаны энергетические диаграммы полупроводника, содержащего донорные и акцепторные примеси.

 

      а)                                                                                б)

Рис. 9.3. Энергетические диаграммы полупроводников, содержащих донорные – а) и акцепторные – б) примеси

 

Примеси с энергией DWo<0.1 эВ являются оптимальными. Их относят к "мелким" примесям. Мелкие уровни определяют электропроводность полупроводников в диапазоне температур 200–400 К, "глубокие" примеси ионизуются при повышенных температурах. Глубокие примеси, влияя на процессы рекомбинации, определяют фотоэлектрические свойства полупроводников. С помощью глубоких примесей можно компенсировать мелкие. Можно получить материал с высоким удельным сопротивлением. Например, глубокими акцепторами полностью компенсировать влияние мелких донорных примесей.

В примесном полупроводнике взаимосвязь между количеством электронов и дырок подчиняется закону действующих масс n . p=ni2, где ni собственная концентрация. Таким образом, чем больше вводится электронов, тем меньше концентрация дырок. На рисунке 9.4 на энергетической диаграмме (по Ш.Я. Коровскому) показаны донорные и акцепторные уровни различных примесей в германии и кремнии.

Рис. 9.4. Энергетические диаграммы германия и кремния, легированных примесями

Общее выражение для удельной электрической проводимости полупроводника с примесями можно записать так

9.4

где первый член определяет собственную, а второй примесную проводимости.

Виды примесных полупроводников: Донорные (n-типа) и акцепторные (р-типа)

Донорная примесь: основные носители заряда - свободные электроны. Остается положительный ион примеси.  Акцепторная примесь: основные носители заряда—дырки. Остается отрицательный ион примеси. В месте контактадонорного и акцепторного полупроводников возникает электронно-дырочный переход (p-n-переход).

Электронные полупроводники.   Полупроводник, легирован­ный донорной примесью, называют полупроводником электрон­но­­­го типа (n-типа) проводимости или электронным полупровод­ни­ком.

Электронная проводимость появляется в результате ле­ги­ро­ва­ния по­­лупроводника элементами, име­ющими большую ва­ле­н­т­ность, чем валентность атомов из кото­рых состоит полу­про­вод­ни­к. На­при­­мер, для Si и Ge, являющи­ми­ся эле­ментами 4 груп­пы таб­ли­­цы Мен­де­­­леева, в качестве до­норных примесей при­ме­ня­ют эле­­ме­н­­­ты 5 группы, как правило это 15P, 35As, 51Sb.

Замещая узлы кристаллической решетки полупроводника, ато­­мы донорной примеси отдают часть своих валентных эле­к­т­ро­нов для создания ковалентных связей с атомами основного ве­ще­ст­­ва и уча­ст­вуют в создании дополнительных энергетических уро­в­ней в за­прещенной зоне полупроводника, как показано на рис. 1.25.

 

При образовании хи­ми­че­ской свя­зи с атомом кремния один из пя­ти валентных электронов ато­ма при­меси оказывается "лиш­ним" и переходит на стационарную ор­­биту вбли­зи атома примеси (рис. 1.25, а). У это­го электрона существует сла­бая эле­к­т­ро­стати­че­с­­кая связь с при­ме­­с­ным ато­мом за счет ку­ло­нов­с­ко­­­го вза­и­модей­с­т­вия. Энергия кулоновской связи DWd со­­став­ля­ет всего 0,03...0,05 эВ. По­э­тому  для перехода "лиш­не­го" элек­трона в сво­­бо­­д­­ное со­сто­я­ние  до­статочно небольшой эне­р­­гии, ко­торую эле­к­т­рон мо­жет по­лу­чить за счет тепловых ко­ле­ба­ний кри­с­тал­­­ли­че­с­­кой ре­ше­тки.  В ре­­зультате атом донорной при­­ме­си ста­но­ви­т­ся по­­ло­жи­тельно за­­ря­жен­­­ным ио­ном.

Рассмотрим энергетическую зонную диаграмму полу­про­­во­­­д­­­ника с электронным типом проводимости, изображен­ную на рис. 1.25, б.  Как уже от­ме­чалось, для того, чтобы пятый ва­ле­н­т­ный эле­­­к­трон стал сво­бо­д­ным, необходимо затра­тить энергию зна­­чи­те­ль­но ме­­ньшую, чем для разрыва ковалентной связи. В со­от­­­ветствии с этим энер­ге­ти­че­с­кий уровень пятого валентного эле­к­трона на зон­­ной диаграмме до­л­­жен располагаться в за­пре­щен­­ной зоне вбли­зи дна зоны про­во­ди­мо­сти, образуя до­пол­ни­те­ль­­ный энерге­ти­чес­кий уровень донорной примеси с энергией Wd.

Дырочные полу­провод­ни­ки. Полупроводник, леги­ро­ван­ный ак­­цепторной при­месью, на­зы­вают полу­про­во­д­­ником дырочно­го ти­­па (р-типа) проводимости или дырочным полу­провод­ником.

Дырочная проводимость создается в результате легирования по­­­­лупроводника элементами, име­ющими меньшую валентность, чем валентность атомов, из кото­рых состоит полу­про­вод­ни­к.  На­­при­­­мер, для Si и Ge, являющимися эле­мен­тами четвертой груп­пы таб­ли­­­цы Мен­де­­­леева, в качестве акцепторных примесей при­ме­ня­ют эле­­ме­н­­­ты третьей группы, как правило это 5B, 13Al, 31Ga, 49In.

Замещая узлы кристаллической решетки полупроводника, ато­­мы акцепторной примеси захватывают валентный эле­к­т­ро­н от со­­се­д­­не­го атома кремния для создания ковалентных связей с ато­ма­ми ос­­­новного ве­ще­ст­ва, превращаясь при этом в отрицательно за­­ря­­жен­­ные ионы, и уча­ст­вуют в создании дополнительных энер­ге­­ти­че­с­ких уров­ней в за­прещенной зоне полупроводника, как по­ка­­зано на рис. 1.26.

Механизм появления дырочной проводимости иллюстрируется на рис. 1.26, а. При образовании химической ковалентной связи с ато­­­­­ма­­­ми Si или Ge все три валентных электрона атома акце­п­то­р­ной при­­меси уча­­ст­ву­ют в образовании ковалентных связей. Для со­з­­­да­ния че­твертой (не­за­­вер­шен­ной)  химической связи может быть захвачен электрон из ко­ва­ле­нтных свя­­зей одного из бли­жай­­ших со­седних атомов кре­м­ния. У это­го атома, в свою оче­редь, по­я­в­ля­ет­ся незавершенная связь с со­сед­ним атомом кре­м­ния, ко­торая на­зы­ва­­ется дыркой.

У дырки су­ще­­ству­ет сла­бая эле­­к­­­­т­ро­ста­ти­чес­кая связь с атомом кремния. Эне­р­гия этой куло­но­в­с­кой свя­з­и DWa, как и в случае электронных по­лу­­про­­во­д­ни­ков, не­­велика и со­­став­ля­­­ет всего 0,01...0,07 эВ. По­э­тому  для зах­ва­та дыр­­кой элек­трона из ко­валентной связи соседнего атома  до­­­ста­то­ч­но неболь­шой эне­р­­гии, ко­торую эле­к­трон мо­жет по­лу­чить за счет тепловых ко­ле­ба­ний кри­­с­тал­­­ли­че­с­­кой ре­ше­тки. В ре­зу­льтате об­­мена электронами между со­седними атомами  дырка мо­­жет пе­ре­­мещаться по кристаллу по­лу­­про­вод­ника, осу­ществляя при при­ло­­жении внешнего эле­к­т­ри­че­с­кого по­ля ды­ро­ч­ную про­во­ди­мость.

 

На рис. 1.26, б представлена энергетическая зонная диаграмма ды­­рочного полупроводника, из которой следует, что ионизация ак­­цепторного атома происходит в результате захвата электрона из ва­­ле­нтной зоны полупроводника на энергетический уровень ак­це­­п­то­р­ной примеси с энергией Wa. Поскольку, как уже от­ме­ча­лось вы­ше, энергия образования свободной дырки невелика, то ло­кальные эне­р­ге­ти­чес­кие уровни акцепторной примеси Wa рас­положены в зап­рещенной зоне полупроводника вблизи по­то­л­ка валентной зо­ны.

3. Основные представления о зонной теории. Энергетические диаграммы диэлектриков, проводников и полупроводников. Уровень энергии Ферми.

В основе зонной теории твердых тел лежат представления квантовой теории о том, что атом может находиться только в состояниях с определенной энергией. В основном стационарном (не изменяющемся со временем) состоянии атом имеет минимальную энергию и не излучает ее. При получении энергии атом переходит в возбужденное стационарное состояние (с другим распределением электронов) «время жизни» в котором достаточно мало, а при возвращении в основное состояние энергия излучается.

Тогда, если не учитывать ядерной и других видов энергии, энергия простейшего атома водорода представляется как энергия взаимодействия электрона с ядром. Для атома водорода есть только определенный набор энергий, который представляют в виде набора энергетических уровней или энергетического спектра (рис.197) , который отражает энергию электрона в различных состояниях.

С точки зрения физики твердое тело – кристаллическая структура, в которой каждый электрон может взаимодействовать с различными атомами, и, следовательно, находясь в определенном состоянии в «своем» атоме, иметь различную энергию взаимодействия с другими атомами, поэтому говорят, что каждый энергетический уровень « расщепляется» (рис.198).

Совокупность близко расположенных энергетических уровней, образовавшихся в результате расщепления некоторого энергетического уровня изолированного атома, называется энергетической зоной или просто зоной. Расстояние между соседними уровнями зоны порядка 10-22 эВ, т. е. так мало, что, для многих явлений соответствует классическому представлению о возможности любой энергии для электрона.

Промежутки между энергетическими зонами называются запрещенными зонами, поскольку электрон не может иметь соответствующую энергию.

Рассмотреть взаимодействие всех электронов со всеми атомами и между собой представляет собой, практически, не реализуемую задачу. Поэтому в зонной теории рассматривается более простая модель – электрон движется в постоянном электрическом периодическом поле, которое создается кристаллической решеткой и другими электронами.

В этом случае энергетические зоны представляют собой спектр энергетических состояний электрона в периодическом поле.

Электроны распределяются по уровням и зонам в соответствии с принципом Паули: в любой системе в каждом квантовом состоянии не может быть больше одной частицы. Соответственно на одном уровне может быть только два электрона с различными спинами, а в зоне – лишь определенное количество электронов.

При температурах близких к абсолютному нулю заполняются все нижние зоны, чтобы система имела минимальную энергию. При повышении температуры часть электронов переходит на более высокие энергетические уровни, поскольку нагревание на 1К соответствует энергии порядка 10-4 эВ. Энергетическая зона с минимальной энергией называется основной.

РИС.197 РИС.198 РИС.199 РИС.200

С точки зрения классической физики, проводимость вещества определялась наличием в нем свободных электронов. Как проводимость веществ объясняется с точки зрения зонной теории?

Ток в металлах – это направленное движение электронов. В квантовой механике движение электронов – это переход из одного энергетического состояния в другое, которое должно быть свободным.

Если зона полностью заполнена, то переходы электронов в ней невозможны, а возможен, только при получении достаточной энергии, переход в следующую зону.

Полностью заполненная зона называется валентной, а частично заполненная или полностью свободная – зоной проводимости.

Для металлов, поэтому возможны два варианта. В первом случае валентная зона заполнена не полностью, в ней есть вакантные уровни (рис.199а), на которые могут переходить электроны в случае получения энергии, например, в электрическом поле. Возможен и другой вариант для некоторых металлов, (например для цинка, магния и др.), что валентная зона перекрывается с зоной проводимости (рис.199б).

Если валентная зона полностью заполнена, а зона проводимости полностью свободна, то в зависимости от ширины запрещенной зоны кристалл относят к диэлектрикам (рис.200в) или полупроводникам (рис.200г).

Для диэлектриков ширина запрещенной зоны несколько эВ, т. е. энергия теплового движения при всех реальных температурах недостаточна для перехода электронов в зону проводимости.

При ширине запрещенной зоны меньше 1 эВ, при повышении температуры, возможен переход электронов в зону проводимости и такие кристаллы относят к полупроводникам.

В основе зонной теории лежат следующие главные приближения[1]:

Твёрдое тело представляет собой идеально периодический кристалл.

Равновесные положения узлов кристаллической решётки фиксированы, то есть ядра атомов считаются неподвижными (адиабатическое приближение). Малые колебания атомов вокруг равновесных положений, которые могут быть описаны какфононы, вводятся впоследствии как возмущение электронного энергетического спектра.

Многоэлектронная задача сводится к одноэлектронной: воздействие на данный электрон всех остальных описывается некоторым усредненным периодическим полем.

В различных веществах, а также в различных формах одного и того же вещества, энергетические зоны располагаются по-разному. По взаимному расположению этих зон вещества делят на три большие группы (см. рис. 1):

проводники — зона проводимости и валентная зона перекрываются, образуя одну зону, называемую зоной проводимости, таким образом, электрон может свободно перемещаться между ними, получив любую допустимо малую энергию. Таким образом, при приложении к телу разности потенциалов, электроны свободно движутся из точки с меньшим потенциалом в точку с большим, образуя электрический ток. К проводникам относят все металлы;

полупроводники — зоны не перекрываются, и расстояние между ними (ширина запрещённой зоны) составляет менее 3,5 эВ[источник не указан 779 дней]. При абсолютном нуле температуры в зоне проводимости нет электронов, а валентная зона полностью заполнена электронами, которые не могут изменить свое квантомеханическое состояние, то есть не могут упорядоченно двигаться при приложении электрического поля. Поэтому при нулевой температуре собственные полупроводники не проводят электрический ток. При повышении температуры за счет теплового движения часть электронов, нарастающая при повышении температуры, «забрасывается» из валентной зоны в зону проводимости и собственный полупроводник становится электропроводным, причём его проводимость нарастает при увеличении температуры, так как растёт концентрация носителей заряда — электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. У полупроводников ширина запрещённой зоны относительно невелика, поэтому для перевода электронов из валентной зоны в зону проводимости требуется энергия меньшая, чем для диэлектрика, именно поэтому чистые (собственные, нелегированные) полупроводники обладают заметной проводимостью при ненулевой температуре;

диэлектрики — зоны как и у полупроводников не перекрываются, и расстояние между ними составляет, условно, более 3,5 эВ. Таким образом, для того, чтобы перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости требуется значительная энергия (температура), поэтому диэлектрики ток при невысоких температурах практически не проводят.

Разделение веществ на полупроводники и диэлектрики весьма условно, потому материалы с шириной запрещённой зоны более 3—4 эВ и менее 4—5 эВ иногда относят к широкозонным полупроводникам — материалам, совмещающим свойства и диэлектриков и полупроводников. К широкозонным полупроводникам относят алмаз (5—6 эВ), GaN (3,4 эВ), ZnS (3,56 эВ), ZnO (3,4 эВ). В то же время, к диэлектрикам обычно относят TiO2 (3,0 эВ), Та2О5 (4,4 эВ), Al2O3 (~7 эВ), SiO2 (~9 эВ), HfO2 (~5,4 эВ) и мн. др. При достаточно высоких температурах все диэлектрики приобретают полупроводниковый механизм электропроводности. Отнесение вещества к тому или иному классу больше зависит от способа использования или предмета изучения вещества тем или иным автором. Иногда, в классе полупроводников выделяют подкласс узкозонных полупроводников — с шириной запрещённой зоны менее 1 эВ.

Зонная теория является основой современной теории твёрдых тел. Она позволила понять природу и объяснить важнейшие свойства проводников, полупроводников и диэлектриков. Величина запрещённой зоны между зонами валентности и проводимости является ключевой величиной в зонной теории, она определяет оптические и электрические свойства материала.

Поскольку одним из основных механизмов передачи электрону энергии является тепловой, то проводимость полупроводников очень сильно зависит от температуры. Также проводимость можно увеличить, создав разрёшенный энергетический уровень в запрещённой зоне путём легирования. C помощью легирования создаются все полупроводниковые приборы: солнечные элементы (преобразователи света в электричество), диоды, транзисторы, твердотельные лазеры и другие.

Переход электрона из валентной зоны в зону проводимости называют процессом генерации носителей заряда (отрицательного — электрона, и положительного — дырки), обратный переход — процессом рекомбинации.

Зонная структура кремния. <111> и <100> — направления в обратном пространстве.

Методы расчёта зонной структуры

Энергетический спектр электронов в кристалле в одноэлектронном приближении описывается уравнением Шрёдингера:

где U (r) — периодический потенциал кристалла.

Нахождение собственных функций и значений уравнения Шрёдингера по сути складывается из двух частей. Первая часть — это определение периодического потенциала, вторая сводится к решению уравнения при данном потенциале. Расчёт зонной структуры конкретных полупроводников крайне затруднен в силу целого ряда причин, и прежде всего потому, что отсутствует аналитическое выражение для U (r). Поэтому при любых расчётах в формулах содержатся некоторые параметры, значение которых определяется на основе сравнения с экспериментальными данными. Например, ширина запрещённой зоны определяется только экспериментально.

Наиболее широко в конкретных расчетах зонной структуры используются следующие методы:

Метод линейных комбинаций атомных орбит (ЛКАО).

Метод присоединённых плоских волн (ППВ или APW — Augmented Plane Waves).

Метод Функции Грина (Корринги — Кона — Ростокера, или ККР).

Метод ортогонализированных плоских волн (ОПВ).

Метод псевдопотенциала.

Различные интерполяционные схемы (kp — метод, эмпирический метод псевдопотенциала, комбинированный метод псевдопотенциала и ЛКАО).

ГДЕ БРАТЬ Энергетические диаграммы В ДУШЕ НЕ ЕБУ!

Энергия Фе́рми () системы невзаимодействующих фермионов — это увеличение энергии основного состояния системы при добавлении одной частицы. Это эквивалентно химическому потенциалу системы в ее основном состоянии приабсолютном нуле температур. Энергия Ферми может также интерпретироваться как максимальная энергия фермиона в основном состоянии при абсолютном нуле температур. Энергия Ферми — одно из центральных понятий физики твёрдого тела.

Физический смысл уровня Ферми: вероятность обнаружения частицы на уровне Ферми составляет 1/2 при любых температурах, кроме T = 0 (это физический смысл химического потенциала, для энергии Ферми это не верно).

Название дано в честь итальянского физика Энрико Ферми.

Фермионы — частицы с полуцелым спином, обычно 1/2, такие как электроны — подчиняются принципу запрета Паули, согласно которому две одинаковые частицы, образуя квантово-механическую систему (например, атом), не могут принимать одно и то же квантовое состояние. Следовательно, фермионы подчиняются статистике Ферми — Дирака. Основное состояние невзаимодействующих фермионов строится начиная с пустой системы и постепенного добавления частиц по одной, последовательно заполняя состояния в порядке возрастания их энергии (например, заполнение электронами электронных орбиталей атома). Когда необходимое число частиц достигнуто, энергия Ферми равна энергии самого высокого заполненного состояния (или самого низкого незанятого состояния: в случае макроскопической системы различие не важно). Поэтому энергию Ферми называют также уровнем Фе́рми. Частицы с энергией, равной энергии Ферми, двигаются со скоростью, называемойскоростью Фе́рми (только в случае изотропного дисперсионного соотношения в среде).

В свободном электронном газе (квантово-механическая версия идеального газа фермионов) квантовые состояния могут быть помечены согласно их импульсу. Нечто подобное можно сделать для периодических систем типа электронов, движущихся в атомной решётке металла, используя так называемый квазиимпульс (Частица в периодическом потенциале). В любом случае, состояния с энергией Ферми расположены на поверхности в пространстве импульсов, известной как поверхность Ферми. Для свободного электронного газа, поверхность Ферми — поверхность сферы; для периодических систем она вообще имеет искаженную форму. Объём, заключённый под поверхностью Ферми, определяет число электронов в системе, и её топологиянепосредственно связана с транспортными свойствами металлов, например, электрической проводимостью. Поверхности Ферми большинства металлов хорошо изучены экспериментально и теоретически.

Уровень Ферми при ненулевых температурах

При ненулевой температуре ферми-газ не будет являться вырожденным, и населённость уровней будет плавно уменьшаться от нижних уровней к верхним.

В качестве уровня Ферми можно выбрать уровень, заполненный ровно наполовину (то есть вероятность находящегося на искомом уровне состояния быть заполненным частицей должна быть равна 1/2).

Энергия Ферми свободного ферми-газа связана с химическим потенциалом уравнением

Где  — энергия Ферми, k — постоянная Больцмана, и T — температура. Следовательно, химический потенциал приблизительно равен энергии Ферми при температурах намного меньше характерной температуры Ферми . Характерная температура имеет порядок 105 K для металла, следовательно при комнатной температуре (300 K), энергия Ферми и химический потенциал фактически эквивалентны. Это существенно, потому что химический потенциал не является энергией Ферми, которая входит в распределение Ферми — Дирака.

А ЕЩЕ МОЖНО ТАК:

Фе́рми-эне́ргия — значение энергии, ниже которой при температуре абсолютного нуля Т=0 К, все энергетические состояния системы частиц, подчиняющихся Ферми — Дирака статистике, заняты, а выше — свободны. Уровень Ферми — некоторый условный уровень, соответствующий энергии Ферми системы фермионов; в частности электронов твердого тела, играет роль химического потенциала для незаряженных частиц. Статистический смысл уровня Ферми — при любой температуре его заселенность равна 1/2.

Положение уровня Ферми является одной из основных характеристик состояния электронов (электронного газа) в твердом теле. В квантовой теории вероятность заполнения энергетических состояний электронами, определяется функцией Ферми F(E):

F(E) =1/(e(E-EF)/kT+1), где

Е — энергия уровня, вероятность заполнения которого определяется,

EF — энергия характеристического уровня, относительно которого кривая вероятности симметрична;

Т — абсолютная температура;

k – постоянная Больцмана.

При абсолютном нуле из вида функции следует, что

F(E) = 1 при Е F;

F(E) = 0 при Е >EF.

То есть все состояния, лежащие ниже уровня Ферми, полностью заняты электронами, а выше него свободны.

Энергия Ферми EF — максимальное значение энергии, которое может иметь электрон при температуре абсолютного нуля. Энергия Ферми совпадает со значениями химического потенциала газа фермионов при Т =0 К, то есть уровень Ферми для электронов играет роль уровня химического потенциала для незаряженных частиц. Соответствующий ей потенциал jF = EF/е называют электрохимическим потенциалом.

Таким образом, уровнем Ферми или энергией Ферми в металлах является энергия, которую может иметь электрон при температуре абсолютного нуля. При нагревании металла происходит возбуждение некоторых электронов, находящихся вблизи уровня Ферми (за счет тепловой энергии, величина которой порядка kT). Но при любой температуре для уровня с энергией, соответствующей уровню Ферми, вероятность заполнения равна 1/2. Все уровни, расположенные ниже уровня Ферми, с вероятностью больше 1/2 заполнены электронами, а все уровни, лежащие выше уровня Ферми, с вероятностью больше 1/2 свободны от электронов.

Для электронного газа в металлах при Т = 0 величина энергии Ферми однозначно определяется концентрацией электронов и ее можно выразить через число n частиц электронного газа в единице объема: зависимость энергии Ферми от концентрации электронов нелинейная.

С ростом температуры (а также уменьшением концентрации электронов) уровень Ферми смещается по шкале энергий влево, но его заселенность остается равной 1/2. В реальных условиях изменение EFсувеличением температуры мало. Например, для Ag, имеющего при Т=0 значение EF равное 5,5 эВ, изменение энергии Ферми при температуре плавления составляет всего около 0,03% от исходного значения.

В полупроводниках при очень низких температурах уровень Ферми лежит посередине между дном зоны проводимости и потолком валентной зоны. (Для донорных полупроводников — полупроводников n-типа проводимости — уровень Ферми лежит посередине между дном зоны проводимости и донорным уровнем). С повышением температуры вероятность заполнения донорных состояний уменьшается, и уровень Ферми перемещается вниз. При высоких температурах полупроводник по свойствам близок к собственному, и уровень Ферми устремляется к середине запрещенной зоны. Аналогичные закономерности проявляются и полупроводниках р-типа проводимости.

Существование энергии Ферми является следствием Принципа Паули. Величина энергии Ферми существенно зависит от свойств системы. Понятие об энергии Ферми используется в физике твердого тела, в ядерной физике, в астрофизике и т. д.

4. p-n-перехо́д (n — negative — отрицательный, электронный, p — positive — положительный, дырочный), или электронно-дырочный переход — область пространства на стыке двух полупроводников p- и n-типа, в которой происходит переход от одного типа проводимости к другому. p-n-Переход является основой для полупроводниковых диодов, триодов и других электронных элементов с нелинейной вольт-амперной характеристикой.

Энергетическая диаграмма p-n-перехода. a) Состояние равновесия b) При приложенном прямом напряжении c) При приложенном обратном напряжении

Свойства р-n-перехода

1. Образуется запирающий слой, образованный зарядами ионов примеси: d=10-7 м,  Dj = 0.4—0,8 В.

Области пространственного заряда

В полупроводнике p-типа концентрация дырок намного превышает концентрацию электронов. В полупроводнике n-типа концентрация электронов намного превышает концентрацию дырок. Если между двумя такими полупроводниками установить контакт, то возникнет диффузионный ток — носители заряда, хаотично двигаясь, перетекают из той области, где их больше, в ту область, где их меньше. При такой диффузии электроны и дырки переносят с собой заряд. Как следствие, область на границе станет заряженной, и область в полупроводнике p-типа, которая примыкает к границе раздела, получит дополнительный отрицательный заряд, приносимый электронами, а пограничная область в полупроводнике n-типа получит положительный заряд, приносимый дырками. Таким образом, граница раздела будет окружена двумя областями пространственного заряда противоположного знака.

Электрическое поле, возникающее вследствие образования областей пространственного заряда, вызывает дрейфовый ток в направлении, противоположном диффузионному току. В конце концов, между диффузионным и дрейфовым токами устанавливается динамическое равновесие и перетекание зарядов прекращается.

Выпрямление

Если приложить внешнее напряжение так, чтобы созданное им электрическое поле было направленным противоположно направлению электрического поля между областями пространственного заряда, то динамическое равновесие нарушается, и диффузионный ток преобладает над дрейфовым током, быстро нарастая с повышением напряжения. Такое подключение напряжения к p-n-переходу называется прямым смещением.

Если же внешнее напряжение приложено так, чтобы созданное им поле было одного направления с полем между областями пространственного заряда, то это приведет лишь к увеличению областей пространственного заряда, и ток через p-n-переход не идёт. Такое подключение напряжения к p-n-переходу называется обратным смещением.

5. Полупроводниковый переход под действием прямого и обратного напряжений

Прямое включение диода. Прямой ток.

Если к электродам диода подключить источник постоянного напряжения: на вывод анода «плюс» а на вывод катода «минус», то диод окажется в открытом состоянии и через него потечет ток, величина которого будет зависеть от приложенного напряжения и свойств диода.

При такой полярности подключения электроны из области n-типа устремятся навстречу дыркам в область p-типа, а дырки из области p-типа двинутся навстречу электронам в область n-типа. На границе раздела областей, называемой электронно-дырочным илиp-n переходом, они встретятся, где происходит их взаимное поглощение илирекомбинация.

Например. Oсновные носители заряда в области n-типа электроны, преодолевая p-nпереход попадают в дырочную область p-типа, в которой они становятся неосновными. Ставшие неосновными, электроны будут поглощаться основными носителями в дырочной области – дырками. Таким же образом дырки, попадая в электронную областьn-типа становятся неосновными носителями заряда в этой области, и будут также поглощаться основными носителями – электронами.

Контакт диода, соединенный с отрицательным полюсом источника постоянного напряжения будет отдавать области n-типа практически неограниченное количество электронов, пополняя убывание электронов в этой области. А контакт, соединенный сположительным полюсом источника напряжения, способен принять из области p-типа такое же количество электронов, благодаря чему восстанавливается концентрация дырок в области p-типа. Таким образом, проводимость p-n перехода станет большой и сопротивление току будет мало, а значит, через диод будет течь ток, называемыйпрямым током диода Iпр.

Обратное включение диода. Обратный ток.

Поменяем полярность источника постоянного напряжения – диод окажется в закрытомсостоянии.

В этом случае электроны в области n-типа станут перемещаться к положительномуполюсу источника питания, отдаляясь от p-n перехода, и дырки, в области p-типа, также будут отдаляться от p-n перехода, перемещаясь к отрицательному полюсу источника питания. В результате граница областей как бы расширится, отчего образуется зона обедненная дырками и электронами, которая будет оказывать току большоесопротивление.

Но, так как в каждой из областей диода присутствуют неосновные носители заряда, то небольшой обмен электронами и дырками между областями происходить все же будет. Поэтому через диод будет протекать ток во много раз меньший, чем прямой, и такой ток называют обратным током диода Iобр. Как правило, на практике, обратным током p-nперехода пренебрегают, и отсюда получается вывод, что p-n переход обладает толькоодносторонней проводимостью.

Прямое и обратное напряжение диода.

Напряжение, при котором диод открывается и через него идет прямой ток называютпрямым (Uпр), а напряжение обратной полярности, при котором диод закрывается и через него идет обратный ток называют обратным (Uобр).

При прямом напряжении Uпр сопротивление диода не превышает и нескольких десятков Ом, зато при обратном напряжении Uобр сопротивление возрастает до нескольких десятков, сотен и даже тысяч килоом. В этом не трудно убедиться, если измерить обратное сопротивление диода омметром.

Сопротивление p-n перехода диода величина не постоянная и зависит от прямого напряжения Uпр, которое подается на диод. Чем больше это напряжение, тем меньшеесопротивление оказывает p-n переход, тем больший прямой ток Iпр течет через диод. В закрытом состоянии на диоде падает практически все напряжение, следовательно, обратный ток, проходящий через него мал, а сопротивление p-n перехода велико.

Например. Если включить диод в цепь переменного тока, то он будет открываться приположительных полупериодах на аноде, свободно пропуская прямой ток Iпр, и закрываться при отрицательных полупериодах на аноде, почти не пропуская ток противоположного направления – обратный ток Iобр. Эти свойства диодов используют для преобразования переменного тока в постоянный, и такие диоды называютвыпрямительными.

1.3.2  Прямое включение p-n перехода

 

При использовании p-n перехода в полупроводниковых приборах к нему подключается внешнее напряжение. Ве­личина и полярность этого внешнего напряжения опреде­ляют электрический ток, проходящий через p-n переход.

Если положительный полюс источника питания подклю­чается к

р-области, а отрицательный полюс - к n-области, то включение p-n перехода называют прямым. При изме­нении указанной полярности источника питания включе­ние p-n перехода называют обратным.

 

Прямое включение p-n перехода показано на рис. 1.8. Поскольку сопротивление p-n перехода значительно пре­вышает сопротивление нейтральных  p- и n-областей, внеш­нее напряжение Uпр почти полностью падает на этом пе­реходе.

Прямое напряжение создает в переходе внешнее элект­рическое поле, направленное навстречу собственному.

Напряженность результирующего поля падает, и уров­ни Ферми смещаются таким образом, что потенциальный барьер уменьшается до Uк - Uпр. Это сопровождается суже­нием запирающего слоя, ширина которого может быть най­дена из соотношения (1.24) подстановкой вместо Uк вели­чины Uк - Uпр:

.

В результате снижения потенциального барьера боль­шее количество основных носителей зарядов получает воз­можность диффузионно переходить в соседнюю область, что сопровождается ростом тока диффузии. Ток дрейфа при этом не изменится, поскольку он зависит от количества неоснов­ных носителей, появляющихся на границах p-n перехода. Это количество зависит только от концентрации примесей в полупроводнике и температуры.

Увеличение диффузионной составляющей тока через p-n переход при неизменной дрейфовой составляющей при­водит к нарушению термодинамического равновесия, ус­танавливаемого выражением (1.15). Через переход будет проходить результирующий ток, определяемый диффузи­онной составляющей.

Дополнительная диффузия носителей зарядов приводит к тому, что на границе p-n перехода повышаются концен­трации дырок в области n-типа до некоторого значения  и электронов в p-области до значения . Повышение концентраций неосновных носителей в p- и n-областях вследствие влияния внешнего напряжения, приложенного к электронно-дырочному переходу,

Рисунок 1.8 Прямое включение p-n перехода.

 

получило название инжекции неосновных носителей. Область, из которой происходит инжекция, называют эмиттером, а область, в которую осуществляется инжекция, — базой.

Поскольку при прямом включении p-n перехода потен­циальный барьер уменьшается, концентрации неосновных носителей на границах p-n перехода могут быть рассчита­ны по формулам (1.18) при замене Uк величиной Uк - Uпр. Тогда:

;     (1.25)

.       (1.26)

Из выражений (1.25) и (1.26) следует, что на границах p-n перехода под действием прямого напряжения Uпр про­исходит увеличение концентраций неосновных носителей.

Неравновесные неосновные носители зарядов диффун­дируют в глубь полупроводника и нарушают его электро­нейтральность. Восстановление нейтрального состояния полупроводников происходит за счет поступления носите­лей зарядов от внешнего источника. Это является причи­ной возникновения тока во внешней цепи, называемого прямым и обозначаемого Iпр.

Концентрации неосновных носителей в нейтральной области полупроводника зависят от координаты x. Закон их распределения может быть найден путем решения урав­нения непрерывности для установившегося состояния, т. е. состояния, при котором концентрация неосновных носите­лей не изменяется во времени. Этому условию соответст­вуют уравнения непрерывности, которые при Е = 0 запи­сываются в следующем виде:

;  (1.27)             ;         (1.28)

где  - диффузионная длина дырок в n-области; - диффузионная длина электронов в p-области.

Решения уравнений непрерывности (1.27) и (1.28) для нейтральной области полупроводников (начало отсчета координаты совпадает с границами                     p-n перехода) при оче­видных из рис. 1.7 начальных условиях и с учетом соотно­шений (1.25) и (1.26) имеют вид:

;         (1.29)          

.          (1.30)

Таким образом, на границе запирающего слоя (x = 0) за счет инжекции концентрация носителей повышается и достигает следующих значений:

;              .

 

Уравнения (1.29) и (1.30) показывают, что в неравно­весном состоянии при удалении от p-n перехода концен­трации неосновных носителей зарядов вследствие реком­бинации убывают по экспоненциальному закону от значе­ний  и  до  и .

При x = Lp и x = Ln концентрации неосновных носите­лей уменьшаются в 2,7 раза. Таким образом, диффузион­ная длина - это расстояние, на котором концентрация неосновных носителей в неравновесном состоянии умень­шается в е раз.

 

1.3.3 Обратное включение р-п-перехода

 

При включении p-n перехода в обратном направлении (рис. 1.9) внешнее обратное напряжение Uобр создает электрическое поле, совпадающее по направлению с собственным, что приводит к росту потенциального барьера на

Рисунок 1.9 Обратное включение p-n перехода.

 

величину Uобр и увеличению относительного смеще­ния энергетических диаграмм на q(Uk + Uобр). Это сопро­вождается увеличением ширины запирающего слоя, кото­рая может быть найдена из соотношения (1.24) подстанов­кой вместо Uk величины Uk + Uобр.

.    (1.31)

Возрастание потенциального барьера уменьшает диф­фузионные токи основных носителей (т. е. меньшее их количество преодолеет возросший потенциальный барьер). Для неосновных носителей поле в p-n переходе остается ускоряющим, и поэтому дрейфовый ток, как было показа­но в п. 1.3.2, не изменится.

Уменьшение диффузионного тока приведет к наруше­нию условия равновесия, устанавливаемого выражением (1.15). Через переход будет проходить результирующий ток, определяемый в основном током дрейфа неосновных носителей.

Концентрация неосновных носителей у границ p-n перехода вследствие уменьшения диффузионного перемеще­ния основных носителей уменьшится до некоторых значе­ний  и . По мере удаления от p-n перехода концен­трация неосновных носителей будет возрастать до равно­весной. Значение концентрации неосновных носителей за­ряда на любом удалении x от границ p-n перехода можно рассчитать по следующим формулам, полученным при ре­шении уравнения непрерывности для обратного, включе­ния p-n перехода:

;  (1.32)

.     (1.33)

 

6. Полупроводниковые диоды, определение. Виды полупроводниковых диодов и их отличительные свойства. ВАХ полупроводникового диода.

Полупроводниковый диод - самый простой полупроводниковый прибор, состоящий из одного PN перехода. Основная его функция - это проводить электрический ток в одном направлении, и не пропускать его в обратном. Состоит диод из двух слоев полупроводника типов N и P.

На стыке соединения P и N образуется PN-переход (PN-junction). Электрод, подключенный к P, называется анод. Электрод, подключенный к N , называется катод. Диод проводит ток в направлении от анода к катоду, и не проводит обратно.

Типы диодов по назначению

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный.

Импульсные диоды имеют малую длительность переходных процессов, предназначены для применения в импульсных режимах работы.

Детекторные диоды предназначены для детектирования сигнала

Смесительные диоды предназначены для преобразования высокочастотных сигналов в сигнал промежуточной частоты.

Переключательные диоды предназначены для применения в устройствах управления уровнем сверхвысокочастотной мощности.

Параметрические

Ограничительные диоды предназначены для защиты радио и бытовой аппаратуры от повышения сетевого напряжения.

Умножительные

Настроечные

Генераторные

Типы диодов по частотному диапазону

Низкочастотные

Высокочастотные

СВЧ

Типы диодов по размеру перехода

Плоскостные

Точечные

Типы диодов по конструкции

Диоды Шоттки

СВЧ-диоды

Стабилитроны

Стабисторы

Варикапы

Светодиоды

Фотодиоды

Pin диод

Лавинный диод

Лавинно-пролётный диод

Диод Ганна

Туннельные диоды

Обращённые диоды

ВАХ реального полупроводникового диода

Однако на практике, в силу своей полупроводниковой структуры, настоящий диод обладает рядом недостатков и ограничений по сравнению с идеальным диодом. Это можно увидеть на графике, приведенном ниже.

Vϒ(гамма) - напряжение порога проводимости

При прямом включении напряжение на диоде должно достигнуть определенного порогового значения - Vϒ. Это напряжение, при котором PN-переход в полупроводнике открывается достаточно, чтобы диод начал хорошо проводить ток. До того как напряжение между анодом и катодом достигнет этого значения, диод является очень плохим проводником. Vϒ у кремниевых приборов примерно 0.7V, у германиевых – около 0.3V.

ID_MAX - максимальный ток через диод при прямом включении

При прямом включении полупроводниковый диод способен выдержать ограниченную силу токаID_MAX. Когда ток через прибор превышает этот предел, диод перегревается. В результате разрушается кристаллическая структура полупроводника, и прибор становится непригодным. Величина данной силы тока сильно колеблется в зависимости от разных типов диодов и их производителей.

IOP – обратный ток утечки

При обратном включении диод не является абсолютным изолятором и имеет конечное сопротивление, хоть и очень высокое. Это служит причиной образования тока утечки или обратного тока IOP. Ток утечки у германиевых приборов достигает до 200 µА, у кремниевых до нескольких десятков nА. Самые последние высококачественные кремниевые диоды с предельно низким обратным током имеют этот показатель около 0.5 nA.

PIV(Peak Inverse Voltage) - Напряжение пробоя

При обратном включении диод способен выдерживать ограниченное напряжение – напряжение пробоя PIV. Если внешняя разность потенциалов превышает это значение, диод резко понижает свое сопротивление и превращается в проводник. Такой эффект нежелательный, так как диод должен быть хорошим проводником только при прямом включении. Величина напряжения пробоя колеблется в зависимости от разных типов диодов и их производителей.

8. Классификация и общая характеристика полупроводниковых приборов

Классификация полупроводниковых приборов

Полупроводниковые приборы - электронные приборы, действие которых основано на электронных процессах в полупроводниках. В электронике полупроводниковые приборы служат для преобразования различных сигналов, в энергетике - для непосредственного преобразования одних видов энергии в другие.  К основным классам полупроводниковых приборов относят следующие:

электропреобразовательные приборы, преобразующие одни электрические величины в др. электрические величины (полупроводниковый диод, транзистор, тиристор);

оптоэлектронные приборы, преобразующие световые сигналы в электрические и наоборот (оптрон, фоторезистор, фотодиод, фототранзистор, фототиристор, полупроводниковый лазер, светоизлучающий диод, твердотельный преобразователь изображения - аналог видикона и т.п.);

термоэлектрические приборы, преобразующие тепловую энергию в электрическую и наоборот (термоэлемент, термоэлектрический генератор, солнечная батарея, термистор и т.п.);

магнитоэлектрические приборы (датчик, использующий эффект Холла и т.п.);

пьезоэлектрический и тензометрический приборы, которые реагируют на давление или механическое смещение.

К отдельному классу полупроводниковых приборов следует отнести интегральные схемы, которые могут быть электропреобразующими, оптоэлектронными и т.д. либо смешанными, сочетающими самые различные эффекты в одном приборе.

Общая характеристика полупроводниковых аппаратов

Полупроводниковые электрические аппараты (ПЭА) представляют собой одно из развивающихся направлений в электроаппаратостроении, которое базируется на современных достижениях в области силовых полупроводниковых приборов (СПП), радиоэлектронной аппаратуры и систем автоматики. Принцип действия этих аппаратов основан на использовании ключевых характеристик СПП, т. е. способности их находиться в двух устойчивых состояниях (проводящем и непроводящем) и быстро переходить из одного состояния в другое по команде или параметрически. В последнем случае изменение состояния происходит при равенстве токов или напряжений на СПП пороговым для них значениям.

Присущие ПЭА особенности и функциональные возможности обусловлены характеристиками СПП, которые составляют основу главных и вспомогательных цепей аппаратов. К наиболее важным характеристикам СПП следует отнести способность осуществления бездуговой коммутации электрических цепей, высокие быстродействие и надежность, повышенный срок службы. Именно эти свойства и достигнутый высокий уровень параметров СПП по току и напряжению определили целесообразность создания не только слаботочных, но и сильноточных ПЭА различного назначения.

Общие для полупроводниковых аппаратов особенности можно выделить при непосредственном их сравнении с традиционными контактными аппаратами.

Полупроводниковые аппараты являются статическими устройствами. В них отсутствуют подвижные части, включая размыкаемые контакты и детали механизмов. Бездуговая коммутация тока в цепи осуществляется за счет резкого изменения сопротивления коммутационных элементов (тиристоры, диоды, транзисторы и др.) от тысячных долей ома до сотен килоом. В результате в ПЭА исключены многие нежелательные явления, характерные для контактных аппаратов: механический износ контактов и других подвижных частей, вибрация, обгорание и сваривание контактов, повышенный шум при коммутационных операциях и выброс раскаленных газов.

Время срабатывания контактных аппаратов -  десятые, сотые доли секунды; частота срабатываний ограничивается инерционностью подвижных систем, разогревом размыкаемых контактов и временем деионизации межконтактных промежутков. Максимальное время включения полупроводниковых аппаратов не превышает 50 мкс. Время отключения ПЭА переменного тока без применения специальных схем принудительной (искусственной) коммутации не более длительности полупериода тока, т. е.   10 мс при частоте  f = 50 Гц. Снабженные блоком искусственной коммутации или выполненные на запираемых тиристорах ПЭА обеспечивают отключение цепей за время 0,5…2 мс при f = 50 Гц. Возможности ПЭА по частоте срабатывания (десятки и даже сотни тысяч в час) можно считать неограниченными, так как они намного превышают потребности в этом.

Важным свойством полупроводниковых аппаратов является многофункциональность. Без изменения структуры силовой части они способны совмещать в себе функции коммутирования и быстродействующей защиты цепей, регулирования напряжения и тока, формирования импульсов напряжения и тока с заданными параметрами.

К другим особенностям ПЭА следует отнести практически мгновенную готовность к срабатыванию, в том числе и при автоматическом повторном включении (АПВ), стабильность характеристик при эксплуатации в сложных климатических условиях и при воздействии механических факторов, возможность использования в сетях различного назначения при замене СПП на другие типы или при изменении класса их по напряжению, технологичность конструкции, высокую надежность, практически не зависящую от обслуживания.

Однако эти аппараты имеют и недостатки.

1) В отличие от контактных аппаратов полупроводниковые аппараты способны выдерживать значительно меньшие перегрузки по току (как по амплитуде тока, так и по длительности его воздействия). Это объясняется малой теплоемкостью СПП. Принципиально возможно достижение высокой перегрузочной способности (Imax/Iн=5…7) в ПЭА за счет использования СПП с заведомо большими предельными токами или параллельного их соединения. Но это приводит к значительному увеличению габаритных размеров, массы и стоимости аппаратов, особенно, если они предназначены для работы в сетях высокого напряжения.

2) Полупроводниковые аппараты очень чувствительны даже к кратковременным перенапряжениям и скорости приложения напряжения. Поэтому необходимо принимать меры, обеспечивающие надежную защиту полупроводниковых блоков от коммутационных и внешних перенапряжений. В большинстве случаев это связано с применением приборов более высокого класса, резервированием их, введением в конструкцию аппарата специальных элементов защиты: демпфирующих RС-цепей, различных ограничителей перенапряжений. Как и при обеспечении защиты от сверхтоков, любое из отмеченных решений усложняет конструкцию аппарата, повышает его стоимость.

3) Существенным недостатком ПЭА являются большие потери электрической энергии и  выделение большого количества теплоты. В основном потери сосредоточены в зоне структур СПП. Они обусловлены физическими процессами в pn-переходах, протекание которых сопровождается падением напряжения в несколько единиц вольт. Уменьшить потери внешними средствами не представляется возможным, поэтому необходимо обеспечивать интенсивный теплообмен СПП с окружающей средой. Обычно это достигается при снабжении приборов специальными охладителями и применении принудительного воздушного или водяного охлаждения.

4) К другим недостаткам полупроводниковых аппаратов относятся существование граничных токов, ниже которых невозможно удержание во включенном состоянии, и наличие достаточно больших (десятки миллиампер) токов утечки при отключенном состоянии. Для обеспечения полного разрыва цепи последовательно с ПЭА необходимо устанавливать контактные устройства.

9. Выпрямительные диоды. Применение выпрямительных диодов. Однополупериодная и двухполупериодная схемы выпрямления переменного тока.

Выпрями́тельные дио́ды — диоды, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный. На смену электровакуумным диодам и игнитронам пришли диоды из полупроводниковых материалов и диодные мосты (четыре диода в одном корпусе). Обычно к быстродействию, ёмкости p-n перехода и стабильности параметров выпрямительных диодов не предъявляют специальных требований.

Основные параметры выпрямительных диодов:

среднее прямое напряжение Uпр.ср. при указанном токе Iпр.ср.;

средний обратный ток Iобр.ср. при заданных значениях обратного напряжения Uобр и температуры;

допустимое амплитудное значение обратного напряжения Uобр.макс.;

средний прямой ток Iпр.ср.;

частота без снижения режимов.

Iобр – постоянный обратный ток, мкА; Uпр – постоянное прямое напряжение, В; Iпр max – максимально допустимый прямой ток, А; Uобр max – максимально допустимое обратное напряжение, В; Р max – максимально допустимая мощность, рассеиваемая на диоде; Рабочая частота, кГц; Рабочая температура, С.

Частотный диапазон выпрямительных диодов невелик. При преобразовании промышленного переменного тока рабочая частота составляет 50 Гц, предельная частота выпрямительных диодов не превышает 20 кГц.

По максимально допустимому среднему прямому току диоды делятся на три группы: диоды малой мощности (Iпр.ср. ≤ 0,3 А), диоды средней мощности (0,3 А < Iпр.ср. < 10 А) и мощные (силовые) диоды (Iпр.ср. ≥ 10 А).

В состав параметров диодов входят диапазон температур окружающей среды (для кремниевых диодов обычно от −60 до +125 °С) и максимальная температура корпуса.

Среди выпрямительных диодов следует особо выделить диоды Шотки, создаваемые на базе контакта металл-полупроводник и отличающиеся более высокой рабочей частотой (для 1 МГц и более), низким прямым падением напряжения (менее 0,6 В).

Выпрямление электрического тока

Выпрямители обычно используются там, где нужно преобразовать переменный ток в постоянный ток. Применение выпрямителей для преобразования переменного тока в постоянный вызвало понятие среднего значения тока по модулю (то есть без учета знака ординаты) за период. При двухполупериодном выпрямлении среднее значение по модулю определяется как среднеарифметическое значение всех ординат обеих полуволн за целый период без учета их знаков (то есть полагая все ординаты за период положительными, что и имеет место при двухполупериодном идеальном выпрямлении).

Приёмниками электроэнергии с нелинейными характеристиками являются в первую очередь всевозможные преобразовательные установки переменного тока в постоянный, использующие различные вентили.

Сюда относятся выпрямительные установки для:

• железнодорожной тяги

• городского электротранспорта

• электролиза (производство алюминия, хлора, едкого натра и др.)

• питания приводов прокатных станов

• возбуждения генераторов электростанций

В качестве вентилей до последнего времени использовались в основном ртутные выпрямители (неуправляемые и управляемые). В настоящее время широкое применение находят преимущественно кремниевые полупроводниковые выпрямители. Внедряются тиристорные выпрямители.

Обычно выпрямительные установки выполняются большой мощности и присоединяются через специальные трансформаторы к питающей сети на напряжении 6 — 10 кВ. Выпрямительные установки небольшой мощности выполняются по трехфазной схеме с нулевым выводом.

Блоки питания аппаратуры

Применение выпрямителей в блоках питания радио- и электроаппаратуры обусловлено тем, что обычно в системах электроснабжения зданий или транспортных средств (самолётов, поездов) применяется переменный ток, и выходной ток любого электромагнитного трансформатора, применённого для гальванической развязки цепей или для понижения напряжения, всегда переменный, тогда как в большинстве случаев электронные схемы и электродвигатели целевой аппаратуры рассчитаны на питание постоянным током.

• Блоки питания промышленной и бытовой радио- и электроаппаратуры (в том числе так называемые адаптеры (англ. AC-DC adaptor)).

• Блоки питания бортовой радиоэлектронной аппаратуры транспортных средств.

Выпрямители электросиловых установок

• Выпрямители питания главных двигателей постоянного тока автономных транспортных средств и буровых станков.

Как правило, на автономных транспортных средствах (автомобилях, тракторах, тепловозах, теплоходах, атомоходах, самолётах) для получения электроэнергии применяют генераторы переменного тока, так как они имеют бо́льшую мощность при меньших габаритах и весе, чем генераторы постоянного тока. Но для приводов движителей транспорта обычно применяются двигатели постоянного тока, так как они позволяют простым переключением полюсов питающего тока управлять направлением движения, и имеют требуемую тяговую характеристику (большой крутящий момент при низкой частоте вращения ротора). Это позволяет отказаться от сложных, тяжёлых и ненадёжных коробок переключения передач. Также применяется и для привода бурильных станков буровых вышек.

• Преобразователи бортового электроснабжения постоянного тока автономных транспортных средств: автотракторной, железнодорожной, водной, авиационной и другой техники.

Генерация электроэнергии на транспортном средстве обычно производится генератором переменного тока, но для питания бортовой аппаратуры необходим постоянный ток. Например, в легковых автомобилях применяются электромеханические или полупроводниковые выпрямители.

Сварочные аппараты

В сварочных аппаратах постоянного тока применяются чаще всего мостовые схемы на мощных кремниевых выпрямительных диодах — вентилях, с целью получения постоянного сварочного тока. Он отличается от переменного тем, что при использовании его сильнее нагревается область дуги около положительного () её полюса, что позволяет либо осуществлять щадящую сварку свариваемых деталей преимущественно плавящимся сварочным электродом, либо экономить электроды, осуществляя резку металла электродуговой сваркой. В ряде случаев, с использованием специальных сварочных электродов, электрическая дуговая сварка переменным током вообще невозможна.

Вентильные блоки преобразовательных подстанций систем энергоснабжения

Для питания главных двигателей постоянного тока прокатных станов, кранов и другой техники

Энергоснабжение заводов осуществляется электросетью переменного тока, но для приводов прокатных станов и других агрегатов выгоднее использовать двигатели постоянного тока по той же причине, что и для двигателей транспортных средств.

• Для гальванических ванн (электролизёров) для получения цветных металлов и стали, нанесения металлических покрытий и гальванопластики.

• Установки электростатической очистки промышленных газов (электростатический фильтр)

• Установки очистки и обессоливания воды

• Для электроснабжения контактных сетей электротранспорта постоянного тока (трамвай, троллейбус, электровоз, метро)

• Для несинхронной связи энергосистем переменного тока^[7]

• Для дальней передачи электроэнергии постоянным током^[8].