Контрольные вопросы

1. Что такое Электроника?

2. Чем отличаются диэлектрики от полупроводников?

3. Как получают полупроводники n–типа, p–типа?

4. Какие носители заряда основные, а какие – неосновные?

5. Какие примеси вводят в полупроводники?

6. Дайте определение понятиям дрейф и диффузия.

7. Какие вам известны способы получения p–n–перехода?

8. Поясните образование p–n–перехода в равновесном состоянии.

9. Какой переход считается смещенным в обратном направлении?

10. Пояснить работу p–n–перехода, смещенного в прямом направлении.

ЛЕКЦИЯ 2

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ И ТИРИСТОРЫ

(2 часа)

План

1. Принцип действия, схемы включения и вольтамперные характеристики диода.

2. Типы полупроводниковых диодов.

3. Виды и механизмы пробоя. Сравнительная характеристика и применение германиевых, кремниевых и диодов Шоттки.

4. Параметры и характеристики стабилитрона, тиристоров, симметричных тиристоров (симистров) и динистров.

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковый диод – это двухэлектродный полупроводниковый прибор, проводящий ток преимущественно в одном направлении. Диод имеет двухслойную p–n структуру и один p–n–переход.

Слой p – акцепторная примесь (основные носители – дырки). Слой n – донорная примесь (основные носители – электроны).

При приложении внешнего напряжения к диоду в прямом направлении («+» на анод, а « - » на катод) уменьшается потенциальный барьер, увеличивается диффузия – диод открыт (закоротка).

При приложении напряжения в обратном направлении увеличивается потенциальный барьер, прекращается диффузия – диод закрыт (разрыв).

Обозначение на схемах:

V или VD – обозначение диода, VS – обозначение диодной сборки.

Анод – это полупроводник p–типа; катод – это полупроводник n–типа.

Вольтамперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода

ВАХ диода представляет собой зависимость тока через диод от приложенного к нему напряжения (Рис. 2.1).

Uэл.проб. = 10 ÷1000 В – напряжение электрического пробоя.

Uнас. = 0,3 ÷ 1 В – напряжение насыщения.

Iа и Uа – анодный ток и напряжение между анодом и катодом.

Участок I:– рабочий участок (прямая ветвь ВАХ)

Участки II, III, IV, – обратная ветвь ВАХ (не рабочий участок).

Участок II: Если приложить к диоду обратное напряжение – диод закрыт, но все равно через него будет протекать малый обратный (тепловой) ток, обусловленный движением неосновных носителей

У часток III: Участок электрического пробоя. Если приложить достаточно большое напряжение, неосновные носители будут разгоняться и при соударении с узлами кристаллической решетки происходит ударная ионизация, которая в свою очередь приводит к лавинному пробою (вследствие чего резко возрастает ток)

Электрический пробой является обратимым, после снятия напряжения p–n–переход восстанавливается.

Рис.2.1

Участок IV: Участок теплового пробоя. Возрастает ток, следовательно, увеличивается мощность, что приводит к нагреву диода, и он сгорает.

Основные параметры полупроводниковых диодов

1. Максимально допустимый средний за период прямой ток (Iпр.ср ) – это такой ток, который диод способен пропустить в прямом направлении.

По прямому току диоды делятся на три группы:

1) Диоды малой мощности (Iпр.ср.< 0,3 А),

2) Диоды средней мощности (0,3 < Iпр.ср <10 А),

3) Диоды большой мощности или силовые вентили (Iпр.ср > 10 А).

Диоды малой мощности не требуют дополнительного теплоотвода. Для диодов средней и большой мощности, которые не эффективно отводят тепло своими корпусами, требуется дополнительны теплоотвод (радиатор – кубик металла, в котором с помощью литья или фрезерования делают шипы, в результате чего возрастает поверхность теплоотвода. Материал – медь, бронза, алюминий, силумин).

2. Постоянное прямое напряжение (Uпр) – это падение напряжения между анодом и катодом при протекании максимально допустимого прямого постоянного тока. Зависит от материала диодов (германий – Ge, кремний –Si):

Uпр.Ge_. 0.4÷0.6 В (германиевые) Uпр.Si 0.7÷1 В (кремниевые). Германиевые диоды обозначают – ГД (1Д) кремниевые – КД (2Д)

3. Повторяющееся импульсное обратное максимальное напряжение (Uобр.max). Этот параметр иногда называют классом диода (12 класс –Uобр.max = 1200 В)

4. Максимальный обратный ток диода (Imax.обр.) Соответствует максимальному обратному напряжению ( единицы мA ).

Для кремниевых диодов максимальный обратный ток в несколько раз меньше, чем для германиевых.

5. Дифференциальное (динамическое) сопротивление.

Диоды Шоттки.

Обозначение на схемах:

В диодах Шоттки электрический переход выполнен на границе металл-полупроводник. Он создаётся путём напыления металла на высокоомный полупроводник в вакууме. На границе металл–полупроводник создаётся область, обеднённая основными носителями, которая имеет несимметричную ВАХ. При работе в диодах Шоттки неосновные носители не участвуют. Отсутствие неосновных носителей снимает проблему их накопления и рассасывания. Поэтому диоды Шоттки имеют высокое быстродействие и широко применяются в импульсных схемах. Их важным достоинством также является малое значение постоянное прямого напряжения (Uпр 0.2÷0.4 В). Допустимое обратное напряжение промышленно выпускаемых диодов Шоттки ограничено 250 В. На практике большинство диодов Шоттки применяется в низковольтных цепях при обратном напряжении порядка единиц и нескольких десятков вольт.

Недостатки:

– При кратковременном превышении максимального обратного напряжения диод Шоттки необратимо выходит из строя (КЗ – короткое замыкание), в отличие от кремниевых диодов, которые переходят в режим обратного пробоя.

– Диоды Шоттки характеризуются повышенными (относительно обычных кремниевых диодов) обратными токами, возрастающими с ростом температуры кристалла.

Стабилитроны

Обозначение на схемах:

Стабилитрон – это кремниевый диод со специальной концентрацией примесей, обеспечивающей резкий переход в область пробоя. Используются в стабилизаторах напряжения и для защиты полупроводниковых приборов от перенапряжений.

Вольтамперная характеристика стабилитрона

Рис.2.2

Рабочим участком является участок электрического пробоя.

Uст – напряжение стабилизации (рис 2.2)

Iст.min – минимальный ток стабилизации

Iст.max – максимальный ток стабилизации

Рабочий ток стабилитрона лежит в пределах от минимального до максимального тока стабилизации – Iст.min Iраб Iст.max .

Степень наклона рабочего участка, характеризуется динамическим сопротивлением . В реальных приборах Rд ≈ 2÷50 Ом.

Для идеального стабилитрона Rд=0, Uстаб_. =3 ÷ 200 В.

Тиристоры

Тиристор – полууправляемый полупроводниковый прибор четырехслойной структуры с чередующимися слоями p–n–проводимости. Тиристоры предназначены для ключевого управления электрическими сигналами. Основное достоинство тиристоров в том, что они позволяют управлять потоком энергии большой мощности с помощью сигнала управления, мощность которого составляет менее процента мощности нагрузки. В транзисторных же схемах общепромышленного применения, на управление расходуется до 10% мощности нагрузки.

Ниже приведены структура (рис. 2.3, а), условное графическое изображение (рис. 2.3, б) и вольтамперная характеристика тиристора (рис. 2.3, в).

На анод (А), тиристора (Рис.2.3, а) обычно подается положительное напряжение относительно катода (К), поэтому три p–n–перехода тиристора называются эмитерным переходом 1 (ЭП1 – П1), коллекторным переходом (КП – П2) и эмитерным переходом 2 (ЭП2 – П3).

Участки ВАХ:

1. Тиристор закрыт. ЭП1 и ЭП2 смещены в прямом направлении, КП в обратном.

2. Неустойчивое состояние тиристора, сопровождается переключением из непроводящего в проводящее.

Рис. 2.3

3. Проводящее состояние. Как только напряжение достигает значения напряжением включения (Uвкл) оно лавинообразно снижается. Чем больший ток ( iу ) подан на управляющий электрод, тем «колено 2» меньше.

4 Рабочий участок. Когда тиристор вышел на рабочий участок, можно отключить ток управления.

Чтобы закрыть тиристор необходимо снизить анодный ток до значения меньшего тока удержания, указанного в паспортных данных на прибор (iвыкл). А затем выждать время достаточное, достаточное для восстановления тиристором запирающих свойств (время выключения).

5. При смене полярности напряжения между анодом и катодом тиристор закрывается. Обратное напряжение (Uобр) не должно превышать значения Uп (рис. 2.3, в) при котором происходит электрический пробой.

Симметричные тиристоры или симисторы (триаки) – это два тиристора включенных встречно – параллельно (рис. 2.4)

Динистор (рис. 2.5) как и тиристор имеет четырехслойную структуру, но не имеет управляющего электрода. Он открывается при приложении между анодом и катодом напряжения больше Uвкл.

Рис. 2.4 Рис. 2.5