Лекция 3. Полупроводники. Полупроводниковые диод Ы. 4 часа.

ЛЕКЦИЯ 3. ПОЛУПРОВОДНИКИ. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОД Ы. 4 часа.

Полупроводниики

Полупроводни́к — материал, по удельной проводимости занимающий промежуточное место между проводниками и диэлектриками, и отличающийся от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным свойством полупроводников является увеличение электрической проводимости с ростом температуры.

Полупроводниками являются кристаллические вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка электрон-вольта (эВ). Например, алмаз можно отнести к широкозонным полупроводникам (около 7 эВ), а арсенид индия — к узкозонным (0,35 эВ). К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.).

Атом другого химического элемента в чистой кристаллической решётке (например, атом фосфора, бора, сурьмы, индия и т. д. в кристалле кремния) называется примесью. В зависимости от того, отдаёт ли примесной атом электрон в кристалл (в вышеприведённом примере – фосфор) или захватывает его (бор), примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает, в какую кристаллографическую плоскость встраивается.

Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи температуры абсолютного нуля полупроводники имеют свойства диэлектриков.

Механизм электрической проводимости

Полупроводники характеризуются как свойствами проводников, так и диэлектриков. В полупроводниковых кристаллах атомы устанавливают ковалентные связи (то есть, один электрон в кристалле кремния связан двумя атомами), электронам необходим уровень внутренней энергии для высвобождения из атома (1,76⋅10−19 Дж против 11,2⋅10−19 Дж, чем и характеризуется отличие между полупроводниками и диэлектриками). Эта энергия появляется в них при повышении температуры (например, при комнатной температуре уровень энергии теплового движения атомов равняется 0,04⋅10−19 Дж), и отдельные электроны получают энергию для отрыва от ядра. С ростом температуры число свободных электронов и дырок увеличивается, поэтому в полупроводнике, не содержащем примесей, удельное электрическое сопротивление уменьшается. Условно принято считать полупроводниками элементы с энергией связи электронов меньшей, чем 1,5—2 эВ. Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется у собственных (то есть без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.

Повысить электронную проводимость можно путём введения в полупроводник примеси пятивалентных атомов, (например, сурьмы).

Дырочная проводимость. Дырки.

Во время разрыва связи между электроном и ядром появляется свободное место в электронной оболочке атома. Это обуславливает переход электрона с другого атома на атом со свободным местом. На атом, откуда перешёл электрон, входит другой электрон из другого атома и т. д. Этот процесс обуславливается ковалентными связями атомов. Таким образом, происходит перемещение положительного заряда без перемещения самого атома. Этот условный положительный заряд называют дыркой. Значение дырочной проводимости можно повысить путём легирования (внесения в полупроводник) полупроводника трёхвалентными атомами (например, индием).

Обычно подвижность дырок в полупроводнике ниже подвижности электронов.

Полупроводниковые лазеры

Лазером называют квантовый генератор монохроматического излучения оптического диапазона волн.

Полупроводниковые лазеры используют, например, для производства лазерных диодов. Основой лазерного диода выступает специально подготовленный электронно-дырочный переход плоскостной конструкции, полученный в полупроводнике электронного типа проводимости, например, из арсенида галлия.

 

Рис. 17. Упрощённая конструкция лазерного диода

Лазерные диоды нашли широкое применение в спектрографах, лазерных прицелах и дальномерах, их применяют в лазерных принтерах и в медицинских приборах для исследования сетчатки. Лазерные диоды входят неотъемлемой частью системы считывания, стирания и записи информации на лазерных дисках. В последние годы основным назначением п/п лазеров стало создание мощных импульсов света в оптоволокне волоконно - оптических линий связи (ВОЛС).

 

 

Рис. 18. Устройство п/п лазера

 

Варианты конструктивного исполнения диодов

В зависимости от назначения полупроводниковые диоды могут иметь значительные различия в конструктивном исполнение.

 

 

Рис. 20. Разнообразие конструктивного исполнения диодов

 

 

Рис. 21. Выпрямительные диоды различной мощности

 

 

Рис. 22. Мощные выпрямительные диоды

 

 

Рис. 23. Выпрямительные диоды и диодные сборки малой мощности

 

 

Рис. 24. Импульсные диоды

 

Рис. 25. Сверхвысокочастотные диоды, (частоты 100…300 ГГц)

 

Рис. 26. Светодиоды и полупроводниковые (твердотельные) лазеры

 

На постоянном токе.

1. Идеальный диод. Схема замещения и ВАХ идеального диода приведены на рисунке 8.20:

 

 

Рис. 27. Идеальный диод. Схемы замещения а) и ВАХ б)

 

Такую схему целесообразно применять при прикидочных расчётах схем с диодами, когда рабочие напряжения значительно больше прямого падения напряжения на диоде (0.5 – 1.5 вольт), а обратный ток запертого диода существенно меньше рабочих токов.

2. Линеаризованная схема замещения. Эти схемы учитывают вид реальных характеристик диодов.

 

Рис. 28. Схемы замещения для линеаризованного представления ВАХ диода (а) прямое б) обратное включение.

 

Значения дифференциальных сопротивлений Rдиф. зависят как от вида полупроводника, так и от мощности (рабочих токов и напряжений) диодов. Обычно Uпр. для кремниевых диодов составляют 0.7…1.5 В, а обратный ток 1…10 мкА.

ТИРИСТОРЫ

Динисторы

Динистором, или, по-другому, диодным тиристором, называют переключательный компонент с двумя выводами, который переходит в открытое состояние при превышении определённого напряжения, которое прикладывают между его выводами. Динисторы содержат три электронно-дырочных перехода.

Его конструкция не предусматривает наличия управляющего электрода, т.е. он является двухполюсником, и его работа полностью определяется напряжением анод-катод

а)

 

 

б)

 

Рис. 32. Условное графическое обозначение динистора на схемах а),

Другие возможные обозначения динистора на схемах б)

 

 

Рис. 33. Динисторы

 

В зарубежных технических описаниях и на схемах, динистор может иметь названия trigger diode, diac (симметричный динистор). Обозначается на принципиальных схемах буквами VD, VS, V и D.

Принцип работы динистора.

Суть работы динистора заключается в том, что при прямом включении он не пропускает ток до тех пор, пока напряжение на его выводах не достигнет определённого значения. Значение этого напряжения имеет определённую величину и не может быть изменено. Это связано с тем, что динистор является неуправляемым тиристором – у него нет третьего, управляющего, вывода.

 

 

Рис. 34. Структура и схема включения динистора

 

 

Рис. 35. ВАХ динистора

 

ВАХ динистора имеет три области, каждая из которых показывает режим работы динистора при определённых условиях.

Красный участок на графике показывает закрытое состояние динистора. Ток через него не течёт. При этом напряжение, приложенное к электродам динистора, меньше напряжения включения V_BO – Breakover voltage.

Синий участок показывает момент открытия динистора после того, как напряжение на его выводах достигло напряжения включения (VBO или Uвкл.). При этом динистор начинает открываться и через него начинает протекать ток. Далее процесс стабилизируется и динистор переходит в следующее состояние.

Зелёный участок показывает открытое состояние динистора. При этом ток, который протекает через динистор ограничен только максимальным током Imax, который указывается в описании на конкретный тип динистора. Падение напряжения на открытом динисторе невелико и колеблется в районе 1 – 2 вольт.

Чтобы полностью закрыть динистор, необходимо уменьшить ток через него до значения меньше тока удержания. При этом динистор выключиться – перейдёт в закрытое состояние.

В радиоэлектронной аппаратуре динистор встречается довольно редко, ходя его можно встретить на печатных платах широко распространённых энергосберегающих ламп, предназначенных для установки в цоколь обычной лампы. В них он используется в цепи запуска. В маломощных лампах его может и не быть.

Также динистор можно обнаружить в электронных пускорегулирующих аппаратах, предназначенных для ламп дневного света.

 

Рис. 36. Пример схемы управления лампой с помощью динистора.

Запираемые тиристоры

Запираемые тиристоры, в отличие от тринисторов, которые были рассмотрены ранее, – это полностью управляемые компоненты, и под воздействием тока управляющего электрода они могут переходить из закрытого состояния в открытое состояние, и наоборот. Чтобы выключить запираемый тиристор, нужно пропустить через управляющий электрод ток противоположной полярности, чем полярность, вызывавшая отпирание компонента. Для закрывания изначально открытого запираемого тиристора необходимо уменьшить сумму коэффициентов передачи эмиттерных токов ниже единицы и обеднить базы носителями зарядов, для чего управляющий электрод должен быть распределён по полупроводниковому кристаллу. Для этого управляющий электрод запираемого тиристора, как и катод, выполняют из множества однотипных ячеек, распределённых определённым образом по площади кристалла. Важным параметром рассматриваемых тиристоров выступает коэффициент запирания, который равен отношению тока анода к необходимому для выключения компонента обратному току управляющего электрода.

Запираемые тиристоры обычно используют в преобразовательной технике в качестве электронных ключей.

Симисторы

Симистор (симметричный триодный тиристор) или триак (от англ. TRIAC — triode for alternating current) — полупроводниковый прибор, являющийся разновидностью тиристоров и используемый для коммутации в цепях переменного тока. В электронике часто рассматривается как управляемый выключатель (ключ). В отличие от тиристора, имеющего катод и анод, основные (силовые) выводы симистора называть катодом или анодом некорректно, так как в силу структуры симистора они являются тем и другим одновременно. Однако по способу включения относительно управляющего электрода основные выводы симистора различаются, причём имеет место их аналогия с катодом и анодом тиристора. На рисунке 9.7 верхний по схеме вывод симистора называется выводом 1 или условным катодом, нижний — выводом 2 или условным анодом, вывод справа — управляющим электродом.

Для управления нагрузкой основные электроды симистора включаются в цепь последовательно с нагрузкой. В закрытом состоянии проводимость симистора отсутствует, нагрузка выключена. При подаче на управляющий электрод отпирающего сигнала между основными электродами симистора возникает проводимость, нагрузка оказывается включённой. Характерно, что симистор в открытом состоянии проводит ток в обоих направлениях. Другой особенностью симистора, как и других тиристоров, является то, что для его удержания в открытом состоянии нет необходимости постоянно подавать сигнал на управляющий электрод (в отличие от транзистора). Симистор остаётся открытым, пока протекающий через основные выводы ток превышает некоторую величину, называемую током удержания. Отсюда следует, что выключение нагрузки в цепи переменного тока происходит вблизи моментов времени, когда ток через основные электроды симистора меняет направление (обычно это совпадает по времени со сменой полярности напряжения в сети).

 

 

Рис. 38. Обозначение на схемах

 

 

 

Рис. 39. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) симистора

 

 

Рис. 40. Мощные симисторы

 

Рис. 41. Симистор MAC97A8. Допустимые ток 1А, напряжение 600В. Используется в схемах управления ёлочными гирляндами.

Фототиристоры.

Фототири́стор — оптоэлектронный полупроводниковый прибор, имеющий структуру, схожую со структурой обычного тиристора, но отличающийся от последнего тем, что включается не напряжением, а светом, падающим на тиристорную структуру. Этот прибор применяется в управляемых светом выпрямителях и наиболее эффективен в управлении сильными токами при высоких напряжениях. Скорость отклика на свет — менее 1 мкс. Фототиристоры обычно изготавливают из кремния, и спектральная характеристика у них такая же, как и у других кремниевых фоточувствительных элементов.

На рисунке изображены структура тиристора и схема подключения его к источнику питания через нагрузку.

 

 

Рис. 42. Структура тиристора и схема подключения его к источнику питания через нагрузку

 

Рис. 43. Вольтамперные характеристики фототиристора при постоянных значениях световых потоков

 

ЛЕКЦИЯ 3. ПОЛУПРОВОДНИКИ. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОД Ы. 4 часа.