Полупроводниковые приборы (ПП)

 

Полупроводниками являются вещества, по электропроводности занимающие промежуточное место между проводниками и диэлектриками. Особенностью полупроводников является то, что они под внешним воздействием или при введении определенных примесей полупроводник резко меняет свою электропроводность. Это происходит за счет того часть электронов покидает свои места на орбитах своих атомов и на месте электрона остается дырка.

Условно считают:

Дырка - положительно заряженная частица

Электрон - отрицательно заряженная частица

Характерно для полупроводников, что с возрастанием температуры число свободных электронов и дырок возрастает.

Увеличить количество электронов и дырок в полупроводнике можно и другим путем ввести примеси

Примесь с избытком электронов, то электропроводность будет называться - n - типа. Электронная электропроводимость обусловлена наличием и свободным перемещением в ПП электронов проводимости. При наличии в ПП разности потенциалов эти электроны могут двигаться в соответствии с направлением этой разности потенциалов, образуя электрический ток. Примесь с избытком характеризующая дырочную проводимость, то получиться проводник с электропроводностью p – типа. Если мы приложим напряжение к полупроводнику, то электроны начнут двигаться в одну сторону от одного атома к другому. Одновременно будет наблюдаться такое же движение и дырок но в обратную сторону. Дырка –место в атоме ПП, где отсутствует электрон. Дырка может быть заполнена свободным электроном, находящимся в близи. Это может быть также электрон, оторвавшийся от атома, и у данного атома при этом появляется дырка, а первая заполненная электроном исчезает. Так в ПП появляется хаотическое движение дырок. Атом с оторвавшейся дыркой может имеет положительный заряд и может притягивать другие электроны, оторвавшиеся от соседних атомов.

Если проводник имеет две зоны с различными типами проводимости, то границу их раздела называют электронно - дырочным переходом (n – p) или дырочно - электронным переходом (p – n).

Сопротивление этого перехода зависит от полярности приложенного напряжения.

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковый диод – прибор, основой конструкции которого является один p – n переход

 

 

На рисунке приведен пример схемы конструкции диода и его обозначения на электрических схемах.

 

 

 

При подключении напряжения положительной полярности к аноду, а отрицательной к катоду переход смещается в прямом направлении и диод открывается (в цепи наблюдается движение электронов в одном направлении). При смене полярности диод закрывается.

Зависимость величины тока через диод от величины и полярности приложенного напряжения называется вольт – амперной характеристикой диода.

 

Явления которое наблюдается (диод открыт, закрыт) при смене полярности используются для выпрямления переменного тока. Применяются три основные схемы выпрямления переменного тока:

- Однополупериодная схема

- Двухполупериодная схема со средней точкой

- Мостовая схема

Однополупериодная схема

Работает следующим образом. Входное переменное напряжение (на рис.А) меняется с частотой 50 Гц, т.е. 50 раз в секунду меняется полярность на входе. Диод пропускает ток только тогда когда к аноду приложено положительная полярность, а к катоду отрицательная полярность, при обратном включении диод закрыт. На выходе мы имеем постоянное с определенным коэффициентом пульсирующее напряжение.

Недостатком этой схемы является большое пульсирующее напряжение на выходе, оно состоит:

- Постоянной составляющей

- Переменной составляющей

Двухполупериодная схема со средней точкой.

 

Напряжение прикладываемое к каждому диоду равно сумме амплитудных значений двух половин вторичной обмотки трансформатора. Коэффициент пульсаций снижается в два раза по сравнению с однополупериодной схемой, но эта схема имеет ограниченное применение в схемах устройств, требующих высокое напряжение.

Мостовая схема.

 

Широко применяется в практике, позволяет при больших токах иметь на выходе низкое напряжение.

Для сглаживания пульсаций на выходе выпрямителя применяют сглаживающие фильтры.

Наиболее простым фильтром является емкость, включаемая параллельно нагрузки выпрямителя, сглаживающее действие конденсатора заключается в следующем.

 

 

Конденсатор заряжается все время пока напряжение на выходе выпрямителя больше напряжения на нагрузке. Когда напряжение на выходе выпрямителя начинает уменьшаться, конденсатор разряжается, отдавая накопленную энергию в нагрузку. Если емкость конденсатора выбрана достаточно большой, то за время уменьшения напряжения на выходе выпрямителя он не успевает достаточно быстро разрядиться и колебания напряжения на нагрузки, (пульсации) будут относительно небольшими.

Стабилитроны

Для питания различных устройств электронной автоматики в большинстве случаев применяют стабилизаторы напряжения.

Стабилизатором напряжение называется устройство, предназначенное для автоматического поддержания на входах приемников электрической энергии постоянство величины напряжения независимо от колебаний напряжения питающей сети и величины нагрузки. По принципу действия стабилизаторы напряжения подразделяются на параметрические и компенсационные. К параметрическим стабилизаторам относятся стабилизаторы, у которых регулирующий элемент воздействует на регулируемую величину с целью приблизить ее значение к значению заданной величины. Компенсационным стабилизатором напряжения называется стабилизатор, в котором величина воздействия на регулируемое напряжение зависит от разности величин выходного и образцового (опорного) напряжения. Простейшим и самым распространенным параметрическим стабилизатором является стабилизатор, использующий особенность вольтамперной характеристики полупроводникового стабилитрона. Он представляет собой делитель напряжения, включающий балластный резистор Rо и стабилитрон VD1.

 

I нагр

Этот участок соответствует также электрическому пробою стабилитрона. На рисунке приведена вольт-амперная схема стабилитрона. До наступления пробоя обратный ток мал, а в режиме пробоя, в данном случаи является нормальным, он такого же порядка как и прямой ток. Данный режим работы стабилитрона называется режимом стабилизации. Стабилитроны также могут называться и опорными диодами, так как на них получается неизменное напряжение, которое можно считать эталонным для данной схемы.

Стабилитрон полупроводниковый диод, применяемый для стабилизации напряжения. Для этого используется свойство вольтамперной характеристики диода, имеющей на обратной ветви участок, почти параллельный оси тока, что соответствует почти одинаковому напряжению на этом участке.

 

 

Стабилитрон подбирается так, что бы соответствовал току нагрузки и обеспечивал заданную стабилизацию напряжения. Uст = U нагр. Потенциал точки А будет равен Uа = U вх – Uб а, Uб = Rб (I с + Iн). При изменении напряжения на входе (увеличивается), повыситься напряжение на стабилитроне, что вызовет возрастание тока как в стабилитроне, так и в балластном сопротивлении. Увеличение тока на балластном сопротивлении приведен к увеличению падения напряжения на этом сопротивлении, соответственно величина напряжения на нагрузке останется постоянной.

Тиристор

 

Тири́стор — полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристалла полупроводника с четырёхслойной структурой р-n-p-n -типа, обладающий в прямом направлении двумя устойчивыми состояниями — состоянием низкой проводимости (тиристор заперт) и состоянием высокой проводимости (тиристор открыт), то есть является запоминающим устройством. В обратном направлении тиристор обладает только запирающими свойствами. Т.е тиристор — это своего рода ключ, который управляет мощной силовой частью при подаче слабых управляющих импульсов. Перевод тиристора из закрытого состояния в открытое в электрической цепи осуществляется внешним воздействием на прибор: либо воздействие напряжением (током), либо светом (фототиристор). Тиристор имеет нелинейную разрывную вольтамперную характеристику.

Основная схема тиристорной структуры представлена на рисунке. Она представляет собой четырёхполюсный p-n-p-n прибор, содержащий три последовательно соединённых p-n перехода J1, J2, J3. Контакт к внешнему p-слою называется анодом, к внешнему n-слою — катодом. В общем случае p-n-p-n прибор может иметь два управляющих электрода (базы), присоединённых к внутренним слоям. Прибор без управляющих электродов называется диодным тиристором (или динистором). Прибор с одним управляющим электродом называют триодным тиристором или тринистором (или просто тиристором).

Режим обратного запирания

Два основных фактора ограничивают режим обратного пробоя и прямого пробоя:

1. Лавинный пробой.

2. Прокол обеднённой области.

В режиме обратного запирания к аноду прибора приложено напряжение, отрицательное по отношению к катоду; переходы J1 и J3 смещены в обратном направлении, а переход J2 смещён в прямом. В этом случае большая часть приложенного напряжения падает на одном из переходов J1 или J3 (в зависимости от степени легирования различных областей). Пусть это будет переход J1. В зависимости от толщины W_n1 слоя n1 пробой вызывается лавинным умножением (толщина обеднённой области при пробое меньше W_n1) либо проколом (обеднённый слой распространяется на всю область n1, и происходит смыкание переходов J1 и J2).

Режим прямого запирания

При прямом запирании напряжение на аноде положительно по отношению к катоду и обратно смещён только переход J2. Переходы J1 и J3 смещены в прямом направлении. Большая часть приложенного напряжения падает на переходе J2. Через переходы J1 и J3 в области, примыкающие к переходу J2, инжектируются неосновные носители, которые уменьшают сопротивление перехода J2, увеличивают ток через него и уменьшают падение напряжения на нём. При повышении прямого напряжения ток через тиристор сначала растёт медленно, что соответствует участку 0-1 на ВАХ. В этом режиме тиристор можно считать запертым, так как сопротивление перехода J2 всё ещё очень велико. По мере увеличения напряжения на тиристоре снижается доля напряжения, падающего на J2, и быстрее возрастают напряжения на J1 и J3, что вызывает дальнейшее увеличение тока через тиристор и усиление инжекции неосновных носителей в область J2. При некотором значении напряжения (порядка десятков или сотен вольт), называется напряжением переключения V_BF (точка 1 на ВАХ), процесс приобретает лавинообразный характер, тиристор переходит в состояние с высокой проводимостью (включается), и в нём устанавливается ток, определяемый напряжением источника и сопротивлением внешней цепи.