Методические указания по изучению темы 9.2

Полупроводниковый диод

Вентильные свойства, т. е. свойства односторонней проводимости, в полупроводниковых диодах возникают благодаря сочетанию в них двух слоев, один из которых обладает преимущественно дырочной, а другой — электронной электропроводностью. Кроме основных носителей заряда, обусловленных примесной электро­проводностью, в каждом слое есть и неосновные носители заряда за счет собственной электропроводности кристалла, хотя их концентрация на несколько порядков меньше. При этом основные носители заряда для одного слоя являются неосновными носителями для другого слоя.

Рис. 1

На границе раздела р - и n -слоев (рис. 1, а) в этом случае получается большая разность концентрация носителей заряда одного и того же знака, под действием которой происходит диффузионное движение зарядов через границу раздела во встречном направлении. Это приводит к появлению р - и п - слоях некомпенсированных объемных зарядов. Такие заряды противоположных знаков, возникающие в граничных обла­стях, вместе с создаваемым ими электрическим полем образуют р-n переход. Электрическое поле в р-п переходе характеризуется кривой распределения потенциалов (потенциальным барьером) (рис. 1, б). Потенциальный барьер создает в р-п переходе тормозящее поле для основных и ускоряющее поле для неосновных носителей заряда, поэтому наряду с диффузионными потоками через р-п переход возникают в противоположном направлении обратные дрейфовые потоки носителей заряда.

В результате при отсутствии внешнего напряжения устанавливается динамическое равновесие между диффузионными и дрейфовыми потоками для электронов и дырок и результирующий ток в р-п переходе оказывается равным нулю.

Если к диоду подведено прямое напряжение U_np, т. е. к р - слоюприсоединен положительный полюс, а к n-слою — отрицательный, то потенциальный барьер снижается, диффузионные потоки увеличиваются, равновесие нарушается и возникает ток проводимости, или прямой ток.

Рис. 2

Если к диоду подведено обратное напряжение U₀6_P, то потенциальный барьер возрастает, диффузионные потоки снижаются до нуля, но потоки неосновных носителей заряда все же создают ток, называемый обратным. Так как концентрация неосновных носителей заряда обусловливается собственной электропроводностью, то обратный ток в полупроводниковом диоде на несколько порядков меньше, чем прямой ток.

Основной для полупроводниковых диодов, так же как для электронных и ионных приборов, является вольт-амперная характеристика (рис. 2). Основными параметрами полупроводниковых диодов являются допустимый ток и максимальное допустимое обратное напряжение. Превышение этих величин приводит к выходу из строя прибора. Промышленность выпускает в настоящее время полу­проводниковые диоды на токи от нескольких миллиампер до 500 А и на обратные напряжения от нескольких десятков вольт до 1000 В.

Полупроводниковый триод (транзистор)

Транзистор представляет собой полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими р-п переходами, т. е. он выполнен на кристалле с различной, чередующейся электропроводностью. Структура чередования слоев может быть либо типа р-п-р, либо типа п-р-п. Соответственно транзисторы называют в первом случае прямыми, а во втором — обратными.

Рис. 3

Среднюю область транзистора называют базой, а крайние области — эмиттером и коллектором.

Рассмотрим принципы работы транзистора с чередованием слоев типа р-п-р (рис. 3, а). Принцип работы транзистора типа п-р-п аналогичен рассматриваемому. Работа транзистора основана на управлении потоком носителей заряда через коллекторный переход, находящийся под внешним обратным напряжением U_K с помощью прямого напряжения, прикладываемого к эмиттерному переходу (в данном случае Uэ). Смещение потенциалов на р-п переходах происходит, как показано на рис. 3, б. Поток носителей заряда от эмиттерного перехода почти полностью, за вычетом небольших потерь на нейтрализацию в базовой области, достигает коллекторного перепада и переносится сильным полем этого перехода в область коллектора. Мощность выходного сигнала может во много раз превышать мощность входного сигнала с учетом изменения знаков носителей заряда.

К основным параметрам транзистора относятся статические коэффициенты передачи тока эмиттера а и тока базы b:

Сущность входящих в формулу величин можно уяснить с помощью рис. 3.

Транзистор характеризуется также параметрами в соответствии со схемой замещения. Современная промышленность выпускает транзисторы на токи от нескольких миллиампер до десятков ампер и напряжения от долей вольта до десятков вольт.

Тиристор

Тиристор — полупроводниковый прибор, имеющий три и более р-п переходов, обладающий односторонней проводимостью. Рассмотрим тиристор с четырехслойной структурой типа р-п-р-п, имеющий выводы от крайних областей и от одной внутренней (базовой) области, как показано на рис. 4.

Для уяснения принципа работы тиристора рассмотрим сначала четырехслойную структуру диода без вывода от внутренней области (рис. 5, а). В этой структуре (при указанной полярности напряжения между крайними областями) два крайних р-п перехода смещены в прямом, а средний: р-п переход — в обратном направлении; следова­тельно, четырехслойный диод должен быть закрыт. Однако такой диод можно считать комбинацией двух транзисторов типов р-п-р и п-р-п, соединенных, как показано на рис. 3, б. Указанное свидетельствует, что в четырехслойном диоде может действовать положительная обратная связь. Увеличение эмиттерного тока прямого диода приводит к увеличению его коллекторного и базового тока обратного транзистора, а увеличение базового тока обратного транзистора — к увеличению коллекторного тока обратного транзистора и базового тока прямого транзистора. Увеличение базового тока прямого транзистора вызывает увеличение его коллекторного и эмиттерного токов и т. д. Описанному процессу изменения тока с изменением напряжения соответствует вольт-амперная характеристика, приведенная на рис. 6. Таким образом, тиристор подобен бесконтактному выключателю, включаемому с помощью маломощного управляющего тока.

Управляющий ток, как правило, на несколько порядков меньше управляемого тока. Современная промышленность выпускает тиристоры на токи от нескольких ампер до нескольких сотен ампер. Тиристоры — перспективные приборы для модернизации различных преобразовательных устройств и систем управления. В настоящее время их широко применяют в управляемых выпрямителях, инверторах, преобразователях частоты, бесконтактных схемах управления электроприводом и другим электро­оборудованием.

Литература: [1] глава 14-16

 

Вопросы для самопроверки

1. Чем отличаются транзисторы типа р-п-р от транзисторов типа n-p-n?

2. Как устроен силовой транзистор?

3. Каковы области применения тиристоров?

4. Какие диоды применяют для выпрямления переменного тока?

а) плоскостные;

б) точечные;

в) те и другие.

 

5. Какие диоды работают в режиме пробоя?

а) варикапы;

б) стабилитроны.

6. Какие диоды используют для генерации электрических колебаний?

а) импульсные;

б) туннельные.

7. Какими буквами маркируют высокочастотные и туннельные диоды?

а) В и Т;

б) А и И;

в) В и С.

8. В каком направлении включается эмиттерный и коллекторный р-n переходы?

а) это зависит от типа транзистора;

б) эмиттерный – в прямом, коллекторный – в обратном;

в) оба – в прямом направлении.

9. Какие конструктивные особенности принципиально отличают базу от эмиттера и коллектора?

а) толщина;

б) тип примеси;

в) концентрация примеси;

г) все указанные выше.