Конструкции таблеточных диодов

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) DW 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 j_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>> j_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 j_к, складывается с полем, образованным U_обр. Результирующее поле усиливается, увеличивается высота потенциального барьера (j_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(DU_пр).

За номинальное значение DU_пр (U_FM) принимают падение напряжения на диоде при прохождении импульса тока равного 3,14(p) значения предельного тока I_FAV _MAX, при температуре 25^°C. Для силовых кремниевых диодов это значение составляет DU_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 j_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 t_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.

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.

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.

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.

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.

Дата добавления: 2018-05-02; просмотров: 777; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!