Полупроводниковые вентили-диоды и стабилитроны

В электротехнике до недавнего времени широко применялись два основных вида материалов: проводники и изоляторы. Из проводников — металлов и их сплавов — изготавливают провода, обмотки электрических машин, токоведущие части самых различных электрических машин, аппаратов и других устройств. К проводникам относятся также растворы кислот, щелочей, солей — их называют электролитами. Растворы кислот и щелочей, в частности, применяются в аккумуляторах, которыми оборудуется каждый тепловоз. Изоляторы в обычных условиях вообще не пропускают электрического тока. Они используются для изоляции проводов и различных токоведущих частей. К изоляторам относятся фарфор, стекло, слюда, резина и т. д. Кроме проводников и изоляторов, в природе существуют и такие вещества, которые по своей электрической проводимости занимают промежуточное положение. Это полупроводники. К полупроводникам принадлежат: графит, селен, германий, кремний и многие другие вещества. Широкое изучение физических свойств полупроводников показало, что некоторые из них обладают очень ценными качествами. Однако эти свойства проявляются только в химически очень чистых полупроводниках со строгим кристаллическим строением. Получение таких полупроводниковых материалов представляет собой сложную техническую проблему. Уже налажено производство германия и кремния по достаточно низкой цене. Ранее в полупроводниковых диодах использовался селен. Производство селеновых диодов отличается достаточной простотой. Применение германия, кремния и некоторых других подобных материалов позволило создать многочисленные компактные полупроводниковые приборы с самыми различными свойствами: диоды, стабилитроны, транзисторы, тиристоры и т. д. На основе использования этих полупроводниковых приборов осуществлена подлинная техническая революция в радиотехнике, автоматике, вычислительной технике, приборостроении. В электрооборудовании тепловозов нашли широкое применение полупроводниковые диоды в качестве выпрямительных и  запирающих    устройств. Кроме того, в электрических аппаратах систем автоматики используются полупроводниковые триоды-транзисторы и тетроды-тиристоры. Рассмотрим основные устройства селеновых, германиевых и кремниевых полупроводников диодов. Главная особенность диодов состоит в том, что они пропускают ток лишь в одном направлении и совсем или почти совсем не пропускают его в обратном направлении. Первое направление прохождения тока называют прямым током, противоположное— обратным током. Иными словами, электрическое сопротивление диода при прохождении прямого тока очень мало, а при обратном токе — велико. Поэтому полупроводниковые диоды используют главным образом в качестве электрических вентилей. Свое название электрический вентиль получил по аналогии с обратным клапаном (вентилем) в водяном трубопроводе. Такой клапан легко пропускает воду в «прямом» направлении. Если же направление потока воды изменится, то клапан автоматически под действием напора воды закроется и запрет трубу. Вода в обратном направлении благодаря клапану проходить не сможет. Стабилитроны отличаются от диодов режимом работы. Для стабилитрона нормальным рабочим режимом является электрический пробой. Благодаря этому свойству стабилитроны используются для поддержания постоянным (стабилизации) напряжения на определенных участках электрических цепей. Например, если в цепь с изменяющимся напряжением включают аппарат, рассчитанный для работы на ограниченном напряжении, то параллельно ему присоединяют стабилитрон. Рабочее напряжение аппарата должно быть равно напряжению пробоя стабилитрона. Если напряжение в цепи будет повышаться выше нормы, то происходит пробой стабилитрона, через него проходит ток и предупреждается дальнейшее повышение напряжения на зажимах стабилитрона и присоединенного к нему прибора. При этом ток пробоя стабилитрона не должен превышать определенной величины во избежание теплового пробоя, разрушающего полупроводник. Таким образом, стабилитрон напоминает плотину электростанции на реке. Она поддерживает определенный уровень воды, создавая постоянный напор на турбинах. Излишняя вода сливается через плотину, предупреждая чрезмерный рост напора при увеличении расхода воды   (например,  при  паводке). Селеновый диод (рис. 229) состоит из опорного электрода, иа который нанесен слой селена, затем слой покровного   металла,   и контактной шайбы. Опорный электрод изготавливается из никелированной стали или алюминия. Покровным металлом является сплав олова, висмута и кадмия. Контактная шайба служит вторым электродом.

Рис. 229. Селеновый диод: а) общий вид; б) условное обозначение на электрических схемах

Селен принадлежит к полупроводникам с р-проводимостью. В процессе изготовления диода происходит диффузия кадмия в селен, образуется слой селеннда кадмия, обладающий свойствами полупроводника типа n. (От   латинских   слов   positivus   —   положительный   и   negativus   —   отрицательный). Между селеном и этим слоем возникает р-n переход, являющийся запирающим слоем. После сборки производится формовка диода. Для этого через него пропускают постоянный ток в направлении, противоположном прямому току. При формовке повышается качество запирающего слоя, увеличивается его обратное сопротивление. Селеновый диод хорошо пропускает ток от опорного электрода через селей, запирающий слой, покровный металл к контактной шайбе. В противоположном направлении сопротивление запирающего слоя в сотни раз больше, чем в прямом, поэтому обратный ток ничтожен по своей величине. Если обратное напряжение превысит допустимые пределы, то происходит пробой диода. В выпрямительных устройствах количество диодов, соединенных последовательно, берется с таким расчетом, чтобы обратное напряжение на каждом из них не превосходило допустимого значения (22—25 В). Величина прямого тока  диода  ограничивается нагревом. Так, селеновые диоды выдерживают температуру не более 70—75° С. Для получения достаточно большого по величине выпрямленного тока соединяют параллельно несколько диодов. Обычно селеновые диоды собирают в виде столбиков. Селеновый выпрямитель, применяемый на тепловозах ТЭЗ, показан на рис. 230.

Рис. 230. Селеновый выпрямитель

Столбик выпрямителя состоит из 16 диодов, соединенных по два последовательно в восемь параллельных групп. Селеновые диоды (шайбы) столбика стянуты шпилькой и укреплены па изоляционной панели с помощью угольников. Внешняя цепь подключается к зажимам, которые посредством перемычек и выводов соединены с селеновыми шайбами. На каждой секции тепловоза ТЭЗ установлены два селеновых выпрямительных столбика (выпрямителя) в электрических цепях тахогенераторов Т1 и Т2. На тепловозах ТЭЗ последних выпусков селеновые выпрямители собирались из шайб квадратной формы, число их было уменьшено до 12. Развитие полупроводникой техники привело к созданию более совершенных германиевых и кремниевых диодов. Эти диоды пропускают во много раз больший по величине прямой ток, чем селеновые вентили. Максимальные обратные напряжения германиевых диодов достигают 200 В, а кремниевых—1000 В и более. Кремниевые диоды могут работать при температуре до 150—180° С. Поэтому при использовании в равных условиях масса и габариты германиевых или кремниевых диодов во много раз меньше, чем селеновых.  Коэффициент полезного действия селеновых вентилей составляет около 80%, а новых диодов — до 99%. В германиевых и кремниевых приборах используются тщательно очищенные полупроводники с добавкой к ним незначительного (обычно менее 0,001%), строго установленного количества определенной примеси. Малое содержание примеси не изменяет исходную монокристаллическую структуру полупроводника. Однако примесь создает так называемую примесную проводимость, которая многократно превышает собственную проводимость чистого полупроводника и тем самым повышает эффективность его работы. Кроме того, примесь придает проводимости полупроводника определенный характер р-или n-проводимости. Донаторные примеси образуют избыток свободных электронов и обеспечивают n-проводимость полупроводника, акцепторные примесизахватывают электроны из кристаллической решетки полупроводника, устанавливая р-проводимость (От латинских  слов donator  — даритель и   acceptor   —   получатель). В монокристаллическом полупроводнике р-п переход (запирающий слой) создается только на границе между двумя слоями с различными типами проводимости. Примеси в полупроводники для образования р-п перехода добавляются сплавным или диффузионным методами. В первом случае полупроводник непосредственно сплавляется с материалом примеси, во втором — в вакуумной камере при высокой температуре    происходит  диффузия  атомов из паров примесного материала в полупроводник. Устройство германиевого диода показано на рис. 231.

Рис. 231. Германиевый диод

Основной его частью является тонкая пластина, которая вырезана из монокристалла германия с донаторной примесью (сурьма или мышьяк) и имеет n-проводимость. В пластину вплавлена капля индия. В результате термодиффузии атомы индия проникают в германий и, будучи акцепторной примесью, образуют слой с проводимостью р. На границе между областями с р- и n-проводимостями возникает р-n переход, являющийся запирающим слоем. Площадь пластины германия зависит от силы тока, на которую рассчитывается диод. Пластину припаивают к массивному основанию, которое хорошо отводит от нее тепло во избежание перегрева. К основанию подключен нижний зажим диода. Верхний зажим связан с индиевой наплавкой гибким соединением. Германиевая пластинка защищена герметичным металлическим корпусом. Верхний зажим отделен от крышки корпуса изолирующей втулкой. Анодом является верхний зажим диода, катодом — нижний, прямой ток проходит от индия к германию. Кремниевый диод имеет аналогичное устройство. Его основной частью является пластина, вырезанная из монокристалла кремния, с вплавленным в нее алюминиевым столбиком. Кремний имеет n-проводимость, которая усиливается донаторной примесью с помощью напыления сурмянистого золота. Алюминий создает акцепторную примесь, и этот слой кремния   приобретает  р-проводимость.  В пластине кремния образуется р-n переход, обладающий вентильными свойствами.

Рис. 232. Диод, обрудованный радиатором воздушного охлаэждения: а) общий вид; б) продольный разрез без радиатора

В силовых кремниевых диодах (рис. 232), рассчитанных на прохождение токов большой величины (до 1000 А), р-n-переход в кремниевой пластине создается диффузионным способом. В кремниевую пластину с одной стороны вводят акцепторную примесь бора, а с другой стороны — донаторную примесь фосфора. В пластине появляются зоны с р- и n-проводимостями, а на их границе возникает запирающий слой. Для защиты хрупкой кремниевой пластины от механических повреждений к ней с двух сторон припаивают вольфрамовые пластины, имеющие одинаковый с кремнием коэффициент линейного расширения.    Нижняя   вольфрамовая пластина в свою очередь припаяна к основанию корпуса, а верхняя с помощью контактной чашечки вывода и втулки соединена с гибким шунтом, имеющим наконечник. От воздействия внешней среды и механических повреждений полупроводниковый элемент с внутренними выводами герметично    закрыт  корпусом  и  крышкой. Для усиления охлаждения мощных диодов на их основание и нижнюю контактную шпильку устанавливают радиаторы, имеющие плоские металлические ребра. Благодаря этому поверхность охлаждения диода увеличивается. Чтобы еще более усилить отвод тепла, радиатор помещают в поток охлаждающего воздуха. В цепях постоянного тока вентиль применяют как запирающее устройство и включают последовательно с участком цепи, в котором необходимо обеспечить прохождение тока лишь в одном направлении, например в цепи заряда аккумуляторной батареи от вспомогательного  генератора.