Провести резкую грань между проводниками и диэлектриками нельзя. Подавляющее большинство неорганических веществ по своим электрическим свойствам отличается и от проводников, и от диэлектриков, но в то же время в какой-то степени обладает характерными особенностями тех и других. Вещества, занимающие такое промежуточное положение, называются полупроводниками. В твердом кристаллическом теле, состоящем из многих атомов, электрические и магнитные поля отдельных атомов оказывают влияние друг на друга, вследствие чего каждый энергетический уровень атома расщепляется на несколько близких уровней. Эти уровни образуют разрешенную энергетическую зону для атомов данного вещества, а в промежутках электроны находиться не могут. Ширина запрещенной зоны определяется энергией, необходимой для перевода одного электрона с низшего разрешенного уровня на высший. Зона энергетических уровней, которые имеют электроны, участвующие в процессе проводимости, называется зоной проводимости. Следовательно, электропроводимость того или иного твердого вещества определяется шириной запрещенной зоны. Иными словами, она зависит от энергии, которую нужно сообщить валентным электронам для того, чтобы они могли перейти со своего нормального энергетического уровня на высший энергетический уровень. На этом уровне электроны теряют связь с ядром атома и становятся свободными, способными под влиянием внешнего электрического поля передвигаться между атомати вещества. В диэлектрике (изоляторе) валентная зона и зона проводимости разделены широкой запрещенной зоной. Чтобы электрон смог преодолеть ее, надо затратить значительную энергию. Однако при попытке сообщить ее электрону произойдет пробой диэлектрика, т.е. непоправимое разрушение его структуры. В проводниках (металлах) запрещенной зоны нет, зона проводимости и зона валентных электронов перекрывают друг друга. Поэтому и при обычных температурах электроны могут легко переходить из одной зоны в другую и участвовать в процессе проводимости. В полупроводниках ширина запрещенной зоны невелика. Однако для ее преодоления необходимо затратить некоторую энергию. Поэтому электропроводность полупроводников меньше, чем у металлов. Важной особенностью полупроводников является то, что их электропроводность сильно зависит от незначительных примесей. Примеси, увеличивающие число свободных электронов в полупроводнике, называют донорскими примесями. В этом случае имеемэлектронную проводимость (n-проводимость). При включении полупроводника типа n в цепь электрического тока в проводах, соединяющих полупроводник с источником тока, так же, как и в самом полупроводнике движутся свободные электроны (рис.1.16).
Рис.1.16. Электронная проводимость
Если для полной связи в кристаллической решетке не хватает электронов, то в ней образуется дырка. Эта дырка долго существовать не может и легко заполняется электроном, освободившимся из-за разрыва какой-либо соседней связи, т.е. образуется дырка в другом месте. Поэтому основными носителями в данном случае будут дырки (р-проводимость), а электроны будут неосновными. Когда дырки достигают отрицательного вывода, они заполняются электронами, подошедшими к этому выводу по соединительному проводу от источника питания. Электроны, покидающие полупроводник, направляются по второму соединительному проводу к источнику питания (рис.1.17).
Рис.1.17. Дырочная проводимость
В идеально чистом кристалле полупроводника при разрыве связей в одно и тоже время возникает равное количество свободных электронов и дырок. При воздействии на такой полупроводник электрического поля электроны и дырки будут совместно участвовать в образовании электрического тока, обеспечивая перемещение положительных и отрицательных зарядов, называется собственной проводимостью (рис.1.18).
Рис.1.18. Собственная проводимость
При соединении двух пластинок полупроводника, одна из которых обладает проводимостьюn, а вторая р,электроны из полупроводника nбудут стремиться проникнуть в полупроводник р,т.е.где имеется недостаток электронов. В результате полупроводник nтеряет часть электронов и заряжается положительно. На границе образуется слой положительно заряженных ионов. Аналогично дырки будут переходить из полупроводника р в полупроводник n,вследствие чего на границе раздела в полупроводнике р образуется слой отрицательно заряженых ионов (рис.1.19).
Рис.1.19. Возникновение потенциального барьера в р-n переходе
Полупроводниковые приборы. Благодаря скоплению в пространстве электрических зарядов разных знаков в месте соприкосновения двух полупроводников возникает электрическое поле. Это поле препятствует дальнейшему переходу основных носителей электричества из одного полупроводника в другой. Если полупроводник типа р соединить с отрицательным выводом источника питания, а положительный - с полупроводником типа n, то электроны, находящиеся в большом количестве, устремляться к положительному полюсу, а дырки - к отрицательному (рис.1.20).
Рис.1.20. Включение р-n перехода в обратном направлении
По мере протекания тока полупроводники заряжаются до напряжения питания и ведут себя аналогично заряженному конденсатору. В таких условиях число основных носителей электричества, которые могут преодолеть увеличенный потенциальный барьер, будет невелико, который называется обратным током диода. При внешнем напряжении 0,5 ... 1,0 В и полярности приложенного напряжения, показанной на рис. силы электрического поля оказываются настолько большими, что будут помогать основным носителям электричества преодолевать потенциальный барьер (рис.1.21).
Рис.1.21. Включение р-n перехода в прямом направлении
Таким образом система из двух полупроводников с проводимостью разного типа имеет способность пропускать ток в одном направлении и препятствовать его прохождению в другом. На основе устройств ср-n переходами созданы различные полупроводниковые приборы - диоды, транзисторы, тиристоры, динисторы, симисторы, стабилитроны, варисторы и т.д. Силовые диоды способны выдерживать высокое (до 4000 В) обратное (прикладываемое в непроводящем направлении) напряжение при незначительном (не более 5 мА) токах утечки. У силового диода гибкий вывод является обним из электродов, на который насажен стандартный наконечник для подключения. Положительный электрод называется анодом, а отрицательный - катодом. Направление тока указывают значком на корпусе диода. Охладители имеют массивное основание и ребра, увеличивающие площадь поверхности охлаждения. Вольт-амперная характеристика диода. Наиболее полное представление о работе полупроводниковых диодов при стационарном режиме дает вольт-амперная характеристика, т.е. графическая зависимость тока, проходящего через диод, от приложенного к нему напряжения (рис.1.22).
Рис.1.22. Вольт-амперная характеристика диода
Вид вольт-амперной характеристики определяется в основном свойствами электронно-дырочного перехода. При включении диода в прямом направлении вольт-амперная характеристика имеет круто восходящий участок. При изменении тока, проходящего через диод, падение напряжения на нем изменяется мало и находится в пределах 0,3 ... 3,0 В.
При обратном включении диода, т.е. в непроводящем направлении через него протекает малый обратный ток. Этот ток мало изменяется при возрастании обратного напряжения. Однако при достижении обратным напряжением некоторого максимального значения обратный ток резко возрастает. В этом случае происходит электрический пробой диода.
Вольт-амперная характеристика диода может быть использована для определения его основных параметров. По прамой ветви можно определить падение напряжения на диоде при номинальном токе, а по обратной - максимально допустимое обратное напряжение и обратный ток при этом напряжении.
Предельный ток.Предельным током называется ток, который может быть длительно пропущен через диод без превышения предельно допустимой температуры его структуры (для кремниевых диодов 140 С). Отечественная промышленность выпускает диоды на токи от нескольких миллиампер до нескольких тысяч ампер. Для силовых диодов предельный ток записывают в маркировке, например, ВЛ200 или ВЛ2000. Для отвода тепла силовые диоды снабжают охладителями с естественным или принудительным охлаждением.
Перегрузочная способность. Нагрев полупроводниковой структуры диода при прохождении тока определяется потерями мощности и начальной температуре диода. При кратковременных перегрузках выделяющееся тепло сравнительно быстро распространяется по массе полупроводника и температура его не успевает значительно возрасти. Следовательно, чем выше ток перегрузки, тем меньшее время он должен проходить через диод. Например, для диодов ВЛ200 можно допустить перегрузку по току на 25% в течение 30 с, 50% - 1 с.
Перегрузочная способность диодов в аварийном режиме характеризуется одиночным допустимым значением импульса ударного токасинусоидальной формы продолжительностью 10мс. После прохождения такого импульса обратное напряжение к диоду не должно при-кладываться. Для диода ВЛ200, например, допускается перегрузка одиночным импульсом 4000А.
Для предохранения структуры диода от недопустимого перегрева при кратковременных перегрузках, необходимо, чтобы охладитель обладал развитой охлаждающей поверхностью, хорошей теплопроводностью и достаточно большой теплоемкостью.
Обратное напряжение. Напряжение прикладываемое к диоду в обратном направлении не должно превосходить некоторого максимального значения, при котором происходит пробой электронно-дырочного перехода. Различают четыре разновидности пробоя: зенеровский, лавинный, тепловой и поверхностный.
Зенеровский пробой возникает при высоких значениях напряженности электрического поля в электронно-дырочном переходе. Под действием сильного электрического поля электроны полупроводника могут вырываться из своих связей. Этот процесс аналогичен холодной эмиссии электронов из металла под действием сильного электрического поля.
Лавинный пробой. Данный пробой возникает при значительно меньших напряженностях электрического поля в переходе и является следствием ударной ионизации атомов полупроводника. В результате ударной ионизации появляются новые свободные электроны и дырки, которые в свою очередь разгоняются полем и создают возрастающее число электронов и дырок. Этот процесс носит лавинообразный характер и приводит к значительному возрастанию обратного тока диода. После снятия обратного напряжения структура диода восстанавливается.
Тепловой пробойвозникает при значительно более низких обратных напряжениях, когда не обеспечивается необходимый отвод тепла от диода. В этом случае переход может нагреваться до такой температуры, при которой возможет разрыв связей атомов кристаллической решетки. После снятия напряжения структура диода не восстанавливается.
Поверхностный пробой является следствием неудовлетворительного состояния поверхности диода. В реальных условиях пробой возникает в результате одновременного действия нескольких факторов.
Максимальный обратный ток. Амплитудным значением обратного тока называют ток, протекающий через диод в обратном направлении при приложении к нему повторяющегося напряжения. Этот ток зависит откласса диода. Класс диода вводится в обозначение диода в сотнях вольт, например, 1, 2, 3, ... , 50.
Прямое падение напряжения.За номинальное значение падения напряжения принимают амплитуду напряжения на диоде при прохождении амплитудного значения предельного тока. Для силовых кремниевых диодов это напряжение не превышает 1,35 ... 2,20 В. Эта характеристика входит в обозначение диода. При замене поврежденного диода обязательно устанавливают диод той же группы.
Прямое и обратное сопротивление. Полупроводниковый диод представляет собой нелинейное сопротивление, которое зависит от приложенного напряжения и проходящего тока. Поэтому различают статическое и динамическое сопротивление. Статическое сопротивление характеризует сопротивление диода постоянному току, а динамическое - малым приращениям переменного тока.
Для диодов, работающих в импульсном режиме, в паспортных характеристиках указывают также прямое импульсное сопротивление - отношение максимального прямого напряжения к импульсному току.
Частотные характеристики. Эффективность работы полупроводниковых приборов в цепях переменного тока зависит от емкости р-nперехода, которая зависит от его площади. При работе на высоких частотах емкость р-n перехода может оказывать значительное влияние на работу диода, т.к. он теряет одностороннюю проводимость. В паспортных характеристиках на выпрямительные диоды обычно указывают наивысшую рабочую частоту, при которой может работать диод. Стабилитроны. По принципу работы и своей вольт-амперной характеристике стабилитроны аналогичны лавинным диодам. Они представляют кремниевые диоды, выполненные таким образом, что при некотором обратном напряжении наступает лавинный пробойр-nперехода. В этом режиме диод пропускает относительно большой обратный ток, а падение напряжения на диоде остается практически постоянным. Таким образом, обратный участок воль-амперной характеристики может быть использован для стабилизации напряжения.
Двухсторонние стабилитроны можно представить в виде встречно включенных простых стабилитронов. Вольт-амперная характеристика двухстороннего стабилитрона представляет сочетание двух обратных ветвей встречно включенных стабилитронов и симметрична относительно начала координат.
Тиристоры широко применяются на подвижном составе. Промышленность выпускает тиристоры различных типов на токи от 0,1 до 3000А.
Диодные тиристоры представляют собой четырехслойный полупроводниковый прибор, образованный тремя р-nпереходами. Поскольку каждый переход обладает вентильными свойствами, электрическую схему тиристора можно представить в виде трех последовательно включенных диодов (рис.1.23).
Рис.1.23. Принципиальная и эквивалентная схема тиристора
Когда к тиристору при отсутствии управления приложено напряжение в прямом направлении первый и третий переходы открыты, но тиристор заперт вторым переходом, который включен в непроводящем направлении. Через тиристор проходит малый ток утечки. С увеличением приложенного напряжения ток утечки практически остается на прежнем уровне. Тиристор замкнут. Дальнейшее увеличение прямого напряжения вызывает резкое увеличение количества свободных электронов и дырок и проникновения их через потенциальный барьер. Происходит лавинный пробой и полное открытие тиристора. Вольт-амперная характеристика диодного тиристора приведена на рис.1.24.
Характерной особенностью тиристоров является то, что напряжение включения можно значительно снизить. Для этого применяют триодные тиристоры, которые имеют дополнительный управляющий электрод. Если на управляющий подать положительный потенциал от вспомогательного источника напряжения, то будет проходить ток управления, который будет способствовать увеличению количества основных носителей и в конечном итоге лавинному пробою запирающего перехода и открытию тиристора.
После того как тиристор откроется он продолжает работать независимо от того, поступает или нет сигнал на его управляющий электрод. Закрыть его можно только уменьшив до нуля прямой ток или приложив к нему обратное напряжение. Для тиристоров, так же как и для диодов, основными параметрами являются: - предельный прямой ток;
- перегрузочная способность;
- прямое падение напряжения;
- максимальное прямое и обратное напряжение;
- сопротивление в прямом и обратном направлении;
- температурный режим.
Кроме того, для тиристоров существует ряд специфических параметров. Напряжение включения в тиристорах приблизительно равно максимальному обратному напряжению, при котором происходит самопроизвольное включение тиристора.
Ток включения - это минимальное значения тока управления, при котором происходит открытие тиристора.
Ток удержания - минимальное значение прямого тока, при котором тиристор остается во включенном состоянии.
Время включения и выключения - определяет частотные свойства тиристора и характеризует промежутки времени от момента изменения состояния тиристора до момента времени когда тиристор будет подготовлен к повторному циклу работы.
Оптотиристоры. Основу таких тиристоров составляет оптоэлектронная пара, состоящая из четырехслойной кремниевой структуры и излучающего диода. Поскольку цепи излучающего диода электрически изолированы от кремниевой структуры и управление происходит только за счет энергии светового луча светодиода, то такой прибор обеспечивает электрическую изоляцию силовых цепей от цепей управления, что упрощает системы управления.
Транзисторы представляют собой полупроводниковый прибор с двумя p-n переходами. По характеру своей работы он аналогичен переменному сопротивлению, управляемому величиной тока базы.
Основой любого транзистора является пластинка полупроводникового материала, состоящая из трех областей. Две крайние области обладают проводимостью одного типа, а средняя - противоположной.
Транзистор p-n-p имеет два p-n разделяющих прибор на три области. Левая часть называется эмиттером, он вырабатывает основные носители, средний слой называется базой, а правая часть - коллектором.Когда транзистор не подключен к внешним источникам напряжения, то в его p-n переходах создаются потенциальные барьеры.
Если подать на эмиттер положительный, на коллектор отрицательный потенциал от источника напряжения, а от другого источника подать на базу относительно эмиттера отрицательный потенциал относительно эмиттера - транзистор откроется и начнет проводить ток (рис.1.25).
Рис.1.25. Принцип работы транзистора типаp-n-p
При включении напряжения управления происходит как бы впрыск электронов в область базы, которые ослабляют величину потенциального барьера между базой и коллектором. Таким образом величина тока базы определяет величину тока эмиттер-коллектор. В транзисторах типа n-p-n механизм управления током коллектора остается тем же, что в предыдем случае. Только основными носителями тока базы будут дырки. Полярность подключения источников напряжения будет противоположной по сравнению с полярностью транзистора типа p-n-p (рис.1.26).
Рис.1.26. Принцип работы транзистора типа n-p-n
Основные параметры транзисторов.
Коэффициент передачи тока эмиттера характеризует усилительные свойства транзистора. Чем ближе этот коэффициент к единице, тем больше усиление напряжения и мощности может обеспечить транзистор.
Допустимая мощность рассеяния коллектора определяет нагрузочную способность транзистора. Характеристика предельной мощности ограничивает рабочий режим транзистора. Если транзистор работает в ключевом режиме (когда он находится попеременно во включенном и выключенном состоянии), то кратковременно можно транзистор нагружать мощностью, превышающей допустимую.
Максимально допустимое напряжение между коллектором и эмиттером определяет работоспособность транзистора. При превышении этого параметра наступает пробой коллекторного перехода из-за недопустимого перегрева полупроводниковой структуры. Обратный ток коллектора представляет собой ток, проходящий через транзистор, при токе эмиттера, равном нулю. Он определяется неосновными носителями, имеющимися в коллекторе и базе. Чем ниже значение этого параметра, тем выше качество транзистора и эффективность усиления сигналов.
Рабочая частотаоказывает существенное влияние на параметры работы транзистора. При увеличении частоты уменьшается коэффициент усиления и появляется сдвиг по фазе между входным и выходным сигналами из-за вредного влияния емкости p-n переходов.
Рабочая температура определяет условия, при которых может работать транзистор. Так как транзисторы чувствительны к перегревам, то необходимо принимать особые меры предосторожности при их монтаже и эксплуатации. Температурные режим работы устанавливается условиями окружающей среды, при которых должен безотказно работать транзистор.
Оптотранзисторы. Основу таких тиристоров составляет оптоэлектронная пара, состоящая из фототранзистора и излучающего диода. Поскольку цепи излучающего диода электрически изолированы от фототранзистора и управление происходит только за счет энергии светового луча светодиода, то такой прибор обеспечивает электрическую изоляцию силовых цепей от цепей управления, что упрощает системы управления.
