13.1. Елементи напівпровідникової техніки

13.1.1. Принцип дії напівпровідникових приладів заснований на явищі однобічної провідності межі розділу двох напівпровідників з різними типами електропровідності: електронної (електропровідність и-типу) і діркової (елект­ропровідність р-типу). Область електропровідності и-типу характеризується тим, що проходження струму тут відбувається за рахунок переносу негативно заряджених електронів, надлишкова кількість яких створюється шляхом вве­дення до монокристалу напівпровідника донорних домішок, наприклад сурми, миш'яку, фосфору. В області електропровідності р-типу проходження струму обумовлене переносом позитивно заряджених "дірок" (дірка - це атом, у якого не вистачає одного електрона і який має позитивний заряд, що за абсолютною величиною дорівнює заряду електрона). Дірки отримують шляхом введення до монокристалу напівпровідника акцепторних домішок, наприклад індію, бору, алюмінію.

Крім цього в примісних напівпровідниках завжди поряд з основними но­сіями, концентрація яких велика, існують також неосновні носії: дірки в напів­

провідниках и-типу та електрони в напівпровідниках р-типу. У напівпровідни­ках без домішок число електронів завжди дорівнює числу дірок.

При безпосередньому контактуванні двох напівпровідників, один з яких має електронну, а інший діркову електропровідність, отримується так званий електронно-дірковий перехід (р-п перехід), основною властивістю якого є зале­жність величини його опору від полярності прикладеної напруги. Для приєд­нання до зовнішнього кола в р-п зонах напівпровідника створюють омічні кон­такти з виводами.

Розглянемо на прикладі двошарового кристала кремнію процеси, що відбу­ваються в р-п переході при впливі на нього зовнішньої напруги. Якщо до р-області прикласти позитивний потенціал, а до и- області - негативний, то основні носії струму будуть рухатися в приграничному шарі назустріч один одному (рис. 13.1,а). В результаті опір р-п переходу зменшується і через границю розділу проходить прямий струм Іпр, обмежений практично тільки опором навантаження Rh. Зовнішня напруга ипр такої полярності називається прямою або провідною.

При зміні полярності прикладеної напруги (рис. 13.1,б) дірки в р-області й електрони в и-області напівпровідника будуть віддалятися від границі розділу, що приводить до збільшення опору р-и переходу, а потік основних носіїв змен­шується до нуля. Через р-и перехід проходить незначний струм, створюваний неосновними носіями, для яких прикладена різниця потенціалів є прискорюва-льною. Зовнішня напруга такої полярності називається зворотною извор або за­микаючою, а обумовлений нею невеликий струм - зворотним струмом Лзвор.

Таким чином, значення і напрям струму, що проходить через р-и перехід двошарової напівпровідникової структури, залежать від значення і знака зовні­шньої напруги, тобто р-и перехід має випрямляючі (вентильні) властивості.

Залежність струму Л, що проходить через р-и перехід, від прикладеної до ньо­го напруги U називається вольт-амперною характеристикою (ВАХ) переходу. Ця характеристика має дві гілки (рис. 13.1,в): одна розташована в першому квадранті і відповідає провідному напрямку в р-и переході (прямому струму в ньому), друга - у третьому квадранті і характеризує замикаючі властивості переходу.

13.1.2. Некеровані діоди. У пристроях промислової електроніки викори­стовуються кремнієві, германієві і селенові некеровані діоди, або вентилі.

Кремнієві діоди. Вихідним матеріалом цих діодів є тонкі пластинки, ви­різані з монокристалу кремнію з електронним типом електропровідності, в яких сплавленням з алюмінієм або дифузією у кремній атомів алюмінію або бору створено шар з електропровідністю р- типу.

Кремнієвий диск з р-п переходом припаюють між молібденовими пласти­нками (рис. 13.2,а), які мають приблизно такий же коефіцієнт лінійного розши­рення, як і кремній, і гарну теплопровідність. Електрод, що приєднується до шару напівпровідника з електропровідністю и-типу, є катодом K, а електрод, що приєднується до шару з електропровідністю p-типу - анодом А. Отримана в такий спосіб двошарова монокристалічна р-и структура міститься в нерозбір-ному герметичному металоскляному або керамічному корпусі, який захищає її від зовнішніх впливів (вологи, бруду, механічних ушкоджень).

На рис. 13.3 зображені ВАХ крем­нієвого діода на номінальний струм 200 А.

На зворотній гілці розрізняють три характерних ділянки: перша ділянка ОА порівняно невелика, вентиль має ще малу провідність і через перехід проходить невеликий струм Ізвор, вимірюваний міліамперами; на другій ділянці АБ при знач­

ному збільшенні зворотної напруги струм Ізвор досягає насичення і зростає незнач­но; третя ділянка БВ характерна тим, що при певних значеннях зворотної напруги струм Ізвор різко зростає і наступає пробій р-п переходу. Величина напруги ип, при якій зворотна гілка різко вигибається, називається пробивною напругою.

Для нормальної роботи вентиля припустиму (номінальну) зворотну на­пругу изворн беруть удвічі меншою порівняно з пробивною напругою ип.

Кремнієві силові вентилі випускають на струми від 10 до 1000 А і зворот­ні напруги від 100 до 1500 В.

Германієві діоди в порівнянні з кремнієвими мають менше пряме падін­ня напруги, а також менші значення припустимих зворотних напруг (500 -600 В в порівнянні з 700 - 1500 В у кремнієвих діодів). Зворотний струм цих ді­одів на порядок більший, ніж у кремнієвих.

Селенові діоди припускають значно менші щільності прямого струму 50­60 мА/см і менші значення зворотної напруги 40-50 В, ніж германієві і кремні­єві, що допускають щільності прямого струму 40-80 А/см і значення зворотної напруги 400-1200 В.

Для підвищення значення извордоп широко використовують послідовне з'єднання селенових елементів в одному випрямному стовпчику, при цьому не потрібне застосування дільників напруги, як для германієвих і кремнієвих діо­дів. Характерною рисою селенових випрямлячів є більша перевантажувальна здатність (оскільки вони мають значну теплову інерцію) у порівнянні з германі­євими і кремнієвими, а також менша чутливість до короткочасних перенапруг.

Відзначені властивості селенових діодів є стимулом до застосування їх у випрямлячах на низькі напруги і великі струми: зарядні пристрої, гальванічні й електролітичні установки та ін.

ВАХ напівпровідникових діодів залежать від температури р-п переходу. Із зростанням температури у всіх типів діодів мають місце зниження прямого падіння напруги при тих же прямих струмах, значне збільшення зворотного струму, супроводжуване невеликим збільшенням пробивної напруги в кремніє­вих і селенових діодів.

13.1.3. Керовані діоди - тиристори. Основним елементом керованих ді­одів або, як їх частіше називають, тиристорів є кремнієвий диск з електронним типом електропровідності, в якому спеціальними технологічними методами створюється чотиришарова напівпровідникова структура, де чергуються шари з різними типами електропровідності (р-п-р-п). У результаті виходить монокрис-талічна структура з трьома р-п переходами 771 - П2 - П3, включеними послідов­но (рис. 13.4,а).

Напівпровідникова структура тиристора монтується в металоскляний або в керамічний корпус, основа якого має шпильку з різьбленням і є зовнішнім ви­водом анода, а катодом - гнучкий мідний вивід з наконечником. Керуючий еле­ктрод виводиться убік катода (рис. 13.4,в) або міститься в металокерамічному таблетковому корпусі круглої форми, що герметизують холодним зварюванням.

Таблетковий корпус діода за допомогою притискного пристрою з'єдну­ється з охолоджувачами з алюмінієвих сплавів, забезпечуючи електричні і тер­

мічні контактні з'єднання структури корпуса й охолоджувачів, які мають розви­нену поверхню. Струмовідвід від анода і катода тиристора здійснюється безпо­середньо з охолоджувачів за

При включенні тиристора до електричного кола з регульованим джере­лом постійного струму (рис. 13.5), полярність якого можна змінювати, зв'язок між струмом, що проходить через тиристор у прямому і зворотному напрямках,

биває статична ВАХ (рис. 13.6). Якщо коло керуючого електрода тиристора не підключене до джерела ик, а напру­га між анодом і катодом не перевищує припустимого значення напруги пере­микання ипер, то незалежно від поляр­ності прикладеної напруги идж між анодом і катодом струм практично не протікає.

Дійсно, якщо на анод тиристора подається негативний потенціал, а на

і напругою між анодом і катодом від-

катод - позитивний, то до середнього переходу П2 (рис. 13.5) буде прикладена пряма напруга ипр, а до переходів П1 і П3, що з'єднані послідовно, зворотна на­пруга ипер. Тиристор буде замкненим. Через нього і у зовнішньому колі прохо­дить невеликий зворотний струм Ізвор, що відповідає зворотній гілці ВАХ тири­стора. Якщо ж до анода і катода тиристора прикласти потенціали з протилеж­ною полярністю, то до переходу П2 буде прикладена зворотна напруга, що зно­ву визначає закритий стан тиристора.

Перехід тиристора із закритого стану у відкритий може бути здійснений двома способами:

1) подачею на анод тиристора прямої напруги, що перевищує напругу пе­ремикання ипер (рис. 13.6), при цьому різко зменшується його опір (тиристор відкривається) і збільшується струм, значення якого обмежується опором зов­нішнього кола. Однак таке відкривання по аноду (напругою) для тиристорів не допускається;

2) подачею на керуючий електрод позитивного імпульсу напруги ик при прямій напрузі на аноді тиристора. Під дією ик через перехід П3 буде проходи­ти невеликий струм /к, що нейтралізує дію закритого переходу П2, і тиристор відкривається при меншому значенні ипер. У напрямку від анода до катода ти­ристора буде проходити прямий струм /пр, значення якого практично обмежу­ється тільки опором зовнішнього кола Rn, оскільки падіння напруги у відкрито­му тиристорі до-сить мале і не перевищує 0,5 - 1,2 В.

Такий процес відкриття тиристора відбувається дуже швидко (не більше 15 - 20 мкс). Із зростанням /к знижується напруга перемикання ипер тиристора і відкритому стану приладу відповідає ВАХ звичайного некерованого діода. Як­що змінити полярність напруги, прикладеної між анодом і катодом тиристора, то раніше відкритий перехід П2 протягом 25 - 250 мкс (залежно від потужності тиристора) відновлює свої замикаючі властивості і тиристор знову готовий до роботи.

При живленні тиристора від джерела постійного струму його замикаючі властивості можна відновити тільки шляхом розриву анодного кола або за до­помогою спеціальних пристроїв короткочасно створити на аноді негативну на­пругу. При живленні від джерела змінної напруги тиристор закривається під час негативної напівхвилі напруги.

13.1.4. Напівпровідникові тріоди - транзистори є електронними прила­дами, заснованими на властивостях двох розташованих досить близько один від одного електронно-діркових p-n-переходів. Наявність трьох шарів з різною провідністю спричиняє на межах їхнього розділу два p-n-переходи, що характе­ризуються динамічною рівновагою.

Транзистори діляться на дві групи - біполярні й уніполярні. До біполярних належать транзистори, струм у яких обумовлений носіями двох типів (електрона­ми й дірками). В уніполярних (їх ще називають польовими) транзисторах струм обумовлений носіями тільки одного знака (або електронами або дірками). Будову і принцип роботи транзистора розглянемо на прикладі біполярних транзисторів.

Біполярний транзистор являє собою тришарову структуру типу п-р-п (рис. 13.7) і типу р-п-р. На рис. 13.8,а і б показані умовні зображення цих тран­зисторів. Транзистор називається біполярним тому, що фізичні процеси в ньому пов'язані з рухом носіїв зарядів обох знаків (вільних дірок і електронів).


Середній шар транзистора називається базою Б, один крайній шар - коле­ктором К, а інший крайній шар - емітером Е. Кожний шар має вивід, за допо­могою якого транзистор включається до кола.

Можливі три варіанти схеми включення транзистора (табл. 13.1): з зага­льним емітером (ЗЕ), з загальною базою (ЗБ) і з загальним колектором (ЗК).

Незалежно від схеми включення транзистори можуть працювати в одно­му з чотирьох режимів, що відрізняються полярністю напруги на переходах емітер-база і колектор-база.

Нормальний активний режим, в якому перехід емітер-база включений в прямому напрямку, а перехід колектор-база - у зворотному;

Інверсний активний режим, в якому перехід емітер-база включений у зворотному напрямку, а перехід колектор-база - у прямому;

Таблиця 13.1 - Схеми включення транзисторів

з загальним емітером

з загальною базою

з загальним колектором

Подпись:


При цьому вихідна напруга ивих перебуває у протифазі з вхідною ивх. Для схеми транзистора з ЗБ коефіцієнти підсилення за струмом, напругою і потужністю знаходять з виразів

Включення транзистора за схемою із ЗБ застосовується звичайно на більш високих частотах, однак ця схема характеризується коефіцієнтом підси­лення за струмом меншим за одиницю k\ < 1. При цьому вихідна напруга ивих буде у фазі із вхідною напругою ивх.

Для схеми транзистора з ЗК коефіцієнти підсилення за струмом, напру­гою й потужністю знаходять з виразів:

Розглядаючи основні підсилювальні схеми, виходять з того, що робота транзистора відбувається на лінійних ділянках його характеристик, що відпові­дає малим вхідним сигналам, і при розрахунку коефіцієнтів підсилення транзи-сторно-резисторних підсилювачів, з огляду на умови роботи на середніх часто­тах, впливом вхідних, перехідних і вихідних ємностей зневажують.

Основними характеристиками транзисторів є статичні вхідна й вихідна характеристики, вигляд яких залежить від схеми включення транзистора.

Як приклад розглянемо ці характеристики для схеми з ЗЕ.

Під вхідною характеристикою транзистора розуміють залежність вхідно­го струму від вхідної напруги при постійній вихідній напрузі. Для схеми з ЗЕ це /б([/б) при [/к = const.

Під вихідною характеристикою розуміють залежність вихідного струму від вихідної напруги при постійному вхідному струмі. Для схеми з ЗЕ це Ік(ик) при Іб = const.

Статичні характеристики біполярного транзистора показані на рис. 13.9. Область робочих режимів транзистора на його характеристиках обмежена мак­симально допустимими значеннями струму Іктах, напруги икепіах і потужності розсіювання Ррозтах ~ икеІк, а також нелінійними викривленнями при малих значеннях струму колектора.

Основна позитивна якість біполярних транзисторів - висока швидкодія при досить великих струмах колектора. Наявність зовнішніх тепловідводів до­зволяє біполярним транзисторам працювати при потужності розсіювання до 50 Вт і струмах до 10 А. Їхній основний недолік - невеликий опір вхідного кола при включенні за схемою з ЗЕ (1 - 10 кОм).


Авторы: 239 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 268 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я