Объясните устройство германиевого выпрямителя кратко

Обновлено: 04.07.2024

И ещё вопросик
Обьясните устройство и принцип работы би полярного транзистора, какие два типа биполярных транзисторов существуют?

Ну, во-первых, принципы работы одинаковы что для германиевых, что для кремниевых, что для арсенид-галлиевых или скажем селеновых ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ диодов.

Основой такого диода является электронно-дырочный переход (p-n переход, от p=positive и n=negative). Обычно сформированный в монокристалле легтрованием или сплавлением (плоскостные диоды) , хотя бывают и гетеропереходы, но это - экзотика.

Полупроводниковый диод представляет собой нелинейный (имеющий нелинейную волтампрную характеристику) прибор. Ток в т. н. прмом направлении при том же напряжении в сотни раз выше, чем в обратном. Динамическое (оно вообще говоря зависит от напряжения = нелинейность) прямое сопротивление имеет величину десятков ом для маломощных и единиц и меньше для мощных.

Обратный ток при обратном напряжении до сотен вольт у
диодов небольшой мощности составляет лишь единицы или десятки
микроампер. Это соответствует обратному сопротивлению до сотен килоом
и больше.

Главное отличие конкретно германиевых диодов от например кремниевых в значении прямых напряжений, при которых они открываются и практически не оказывают заметного сопротивления текущим через них токам. Германиевые диоды открываются при прямом напряжении 0,1. 0,15 В, а кремниевые — при 0,6. 0,7 В.

Физические причины такого поведения диода, т. е. физически основы его работ на пальцах можно объяснить так:
При прямом напряжении, т. е. когда к области полупроводника с p-проводимость (дырочной) приложен "плюс", а к электронной ("n") - минус,
положительно заряженные носители - дырки и отрицательно заряженные электроны движутся навстречу друг к другу, благополучно достигают области перехода, на котором благополучно "рекомбинируют", т. е. электроны проваливаются в "дырки". Ток идёт. При обратном напряжении и дырки и электроны растаскиваются электричесим полем от перехода, новым взятся неоткуда, и диод "заперт" - в области перехода носителей заряда просто нет! (т. н. обеднённая область) .
Небольшой ток утечки течёт конечно и при этом - за счёт тепловой генерации носителей.
Диод остаётся запертым и при маленьком прямом напряжении - существует порожек за счёт разной энергии электронов и дырок - зависит от материала полупроводника.

Биполярные транзисторы состоят из трёх слоёв полупроводника с разной проводимостью, полученных в МОНОКРИСТАЛЛЕ послойным легированием. Сплавлением тоже, хотя микросплавная и мезапланарная технология для транзисторов достаточно хитры.
Поскольку слоёв три, может сущствовать два типа транзисторов, в зависимости от того, какие слои крайние (эммитер и коллектор) и какая проводимость тонкого срднего управляющего слоя - так называемой базы.
Эти типы p-n-p и n-p-n.

Транзистор является УСИЛИЕЛЬНЫМ прибором, обеспечивающим усиление тока за счёт того, что маленький ток, текущий через относительно большое сопротивление эммитерного перехода (с базы в эммитер) вызывает резкое падение сопротивления для тока, текущего с коллектора в эммитер через оба перхода (само слово транзистор переводится как "преобразовтель сопротивлений"). Таким образом получается, что маленький ток базы может управлять большим коллекторным током, причём в некотрой области - почти линейно, т. е. транзистор для большик сигналов - ключевой элемент (включён-выключен) , а для малых сигналов может рассматриваться как линейный усилитель, имющий некоторый коэффииент силения по току (то коллектора пропорционален току базы) - аудиофилы, не бейте меня, я знаю, что это с некорой небольшой точностью :-) .

Физические причины на пальцах, не привлекая квантовую теорию твёрдого тела рассказать сложно. Ну вроде бы так:
Рассмотрим n-р-n транзистор, у которого эммитер заземлён, а на коллекторе - положительное напряжение. Легко видеть, что оллекторный переход n-p закрыт (на нём обратное напржение) и ток не идёт. Теперь подадим плюс на базу. Потечёт ток через эммитерный переход, но база -ТОНКАЯ (это принципиально) , и в обеднённю область коллекторного перехода буду

В настоящее время подавляющее большинство судов оборудуется электрическими станциями переменного тока. Однако в некоторых случаях бывает необходим и постоянный ток.

Постоянный ток применяется для питания цепей возбуждения электрических машин, для зарядки аккумуляторов, для некоторых элементов автоматического управления (электромагнитное реле времени) и в некоторых других случаях.

Получение для указанных целей постоянного тока осуществляется, главным образом, с помощью выпрямителей, преобразующих переменный ток в постоянный.

Наибольшее значение в современных судовых электрических установках имеют сухие полупроводниковые выпрямители.

Полупроводниками называется особая группа веществ, обладающих электрической проводимостью, меньшей, чем у проводников электрического тока, но большей, чем у изоляторов.

К этой группе веществ относятся окислы, сернистые соединения и сплавы некоторых металлов, а также селен, германий, кремний и

некоторые другие химические элементы. Наиболее часто на судах применяются меднозакисные (купроксные), селеновые, германиевые и кремниевые выпрямители.

Характерной особенностью полупроводников является их свойство резко изменять величину электрической проводимости под влиянием ряда внешних факторов: температуры, давления, освещения, наличия посторонних примесей и т. д. На этом свойстве основано применение полупроводников в установках температурной сигнализации, в радиотехнике и для других разнообразных целей.

Для нас наиболее существенным является то обстоятельство, что контакт между проводником (металлом) и полупроводником может обладать односторонней проводимостью. Этот факт и позволяет осуществить полупроводниковые выпрямительные устройства.

Любой полупроводниковый выпрямительный элемент состоит из двух основных частей: металлического электрода и полупроводниковой пластинки. На поверхности соприкосновения металла с полупроводником на последнем в результате технологической обработки или вследствие свойств применяемых материалов образуется тонкий, так называемый запорный слой. Процесс получения этого слоя технологической обработкой носит название формовки выпрямителя.

Сопротивление запорного слоя прохождению тока одного направления значительно (в тысячи раз) меньше, чем току противоположного направления. Первое направление тока называется пропускным, а второе — запорным.

Зависимость между напряжением, приложенным к выпрямительному элементу и током, протекающим через него, характеризует свойства выпрямительного элемента и называется вольт-амперной характеристикой. Примерная вольт-амперная характеристика полупроводникового выпрямителя дана на рис. 1.

Для практических целей обычно достаточно знать две точки вольт-амперной характеристики, расположенные на ветвях кривых, соответствующих пропускному и запорному направлениям. Значения величин, определяющих эти точки, называются параметрами выпрямителя.

Для пропускного направления параметром является падение напряжения при номинальном токе выпрямительного элемента, или (что все равно) величина тока при данном напряжении.

Параметром запорного направления служит величина обратного тока при номинальном напряжении выпрямителя.

При длительном хранении, а также в процессе работы параметры пропускного направления у некоторых типов выпрямителей изменяются в худшую сторону. Это явление носит название старения выпрямителя.

В процессе эксплуатации при длительном бездействии или под воздействием влаги селеновые выпрямители расформовываются и сопротивление запорного слоя току обратного направления сильно уменьшается. Поэтому селеновые выпрямители должны периодически подвергаться повторной формовке.

Кроме того, параметры большинства полупроводниковых выпрямителей сильно зависят от температуры. Поэтому в процессе эксплуатации необходимо тщательно следить за тем, чтобы температура выпрямительных элементов не превышала допустимую для них рабочую температуру. В ряде случаев для выполнения этого условия применяют искусственную вентиляцию (охлаждение) выпрямителей.

Каждый выпрямительный элемент может работать только в определенных пределах, допустимых для него значений тока и напряжения. Под рабочим напряжением понимается максимальное допустимое эффективное значение переменного напряжения на единичный выпрямительный элемент при работе выпрямителя в однофазной однополупериодной схеме (о чем будет сказано далее) на омическую нагрузку.

Поэтому для получения нужных значений выпрямленных токов и напряжений отдельные выпрямительные элементы — вентили—соединяют в параллельно и последовательно включаемые группы.

Отношение максимального мгновенного значения выпрямленного напряжения к минимальному его значению называется коэффициентом пульсации выпрямителя.

В зависимости от допустимой степени пульсации, рода нагрузки и требуемой мощности, применяют различные схемы включения выпрямителей. Так как выпрямленное напряжение связано с подводимым переменным напряжением вполне определенным соотношением (зависящим от схемы включения выпрямителя), то для получения стандартных значений выпрямленного напряжения переменное напряжение подводят через трансформатор.

На рис. 2 даны наиболее употребительные схемы выпрямления, а в табл. 1 — наименования этих схем и соотношения между электрическими параметрами для случая активной нагрузки и идеальных выпрямителей. Для конкретных, выпускаемых промышленностью, типов выпрямителей необходимо учесть падение напряжения в них.

Обозначения:

U — действующее значение переменного напряжения (при мостовых схемах линейное);
U_d_х — среднее значение выпрямленного напряжения при холостом ходе;
U₀ — амплитуда обратного напряжения;
I_d — среднее значение выпрямленного тока;
I_d_max — максимальное значение тока в цепи нагрузки;
I_1d —среднее значение выпрямленного тока в плече.

В однополупериодной схеме выпрямитель выпрямляет только одну полуволну синусоиды, для другой (обратного направления) он заперт. В двухполупериодных схемах происходит выпрямление как прямой, так и обратной полуволны.

Первыми, по времени освоения, появились меднозакисные (купроксные) выпрямители, устройство которых схематически изображено на рис. 3.

Выпрямитель состоит из медного основания 1 (плюсовый электрод), покрытого слоем закиси меди 3, на которую нанесен второй (минусовый) электрод 4.

Минусовый электрод у выпрямителей малой мощности выполняется из серебра, а у более мощных состоит из двух слоев: меди и никеля, наносимых электрохимическим путем.

Между основанием 1 и слоем закиси меди 3 в результате особой технологической обработки возникает запорный слой 2.

Отдельные вентили выпускаются в виде дисков, шайб и прямоугольных пластин. Собранные выпрямители помещают в герметизированный корпус или покрывают водостойким лаком, так как на меднозакисные выпрямители влага оказывает вредное воздействие.

Допустимая плотность тока для купроксных выпрямителей составляет 50—60 ма/см 2 . Рабочее эффективное напряжение составляет 8— 10 в, пробивное напряжение 40— 70 в и к. п. д. порядка 55—65%.

Характерными особенностями купроксных выпрямителей является отсутствие необходимости в формовке, отсутствие явления расформовки, старение этих выпрямителей происходит независимо от того, работают ли они или бездействуют (при этом наиболее интенсивное старение происходит за первый год после изготовления выпрямителя и в дальнейшем почти не наблюдается). В связи с последним обстоятельством купроксные выпрямители, за исключением наиболее мощных, при их изготовлении подвергаются искусственному старению, после которого их параметры практически остаются стабильными.

Меднозакисные выпрямители могут работать при температуре окружающей среды от —25 до +55-60° С.

При электрическом пробое они не восстанавливаются и подлежат замене.

На судах этот тип выпрямителей используется в основном в электроизмерительных приборах.

Селеновые выпрямительные элементы выпускаются трех типов, конструкция которых схематически дана на рис. 4.

Элемент типа ВС (рис. 4, а) состоит из стального основания 1 с никелевым покрытием 2 (отрицательный электрод), слоя кристаллического селена 3 и положительного электрода 5, состоящего из сплава олова с кадмием. На поверхности селена, примыкающей к положительному электроду, в результате процесса формовки образуется запорный слой 4.

Выпрямители типа ABC отличаются от выпрямителей типа ВС тем, что отрицательным электродом у них служит алюминий, покрытый слоем висмута (рис. 4, б).

Выпрямители типа ТВС (рис. 48, в) собираются на алюминиевом основании 1 (положительный электрод), на которое наносится слой кристаллического селена 3, отрицательным электродом 5 у них служит алюминиевая фольга, покрытая слоем висмута 4. Запорный слой 2 в результате формовки выпрямителя возникает на поверхности селена, примыкающей к алюминиевому основанию 1. Как видим, полярность выпрямительных элементов типа ТВС противоположна полярности элементов типов ВС и ABC.

Селеновые выпрямительные элементы выпускаются в виде дисков, круглых шайб или квадратных пластин. Комплектные выпрямительные устройства, состоящие из дисковых элементов, собираются в пластмассовых трубках или металлических корпусах. Выпрямительные блоки из круглых шайб или квадратных пластин собираются на металлической изолированной шпильке, образуя так называемые выпрямительные столбы.

На рис. 5 дана схема сборки такого столба на шпильке 1, покрытой слоем изоляции 2. На шпильку надеваются выпрямительные элементы 3, имеющие для этой цели центральные отверстия. Между выпрямительными элементами расположены контактные шайбы 4, промежуточные шайбы 5 и радиаторные шайбы 6, служащие для отвода тепла. Вся сборка с концов изолируется шайбами 7 и стягивается гайками 8.

Отечественной промышленностью селеновые выпрямительные элементы выпускаются на рабочее напряжение от 12 до 36 в; пробивное напряжение для выпрямителей на стальной основе равно 50— 80 в, а на алюминиевой 80—100 в. Длительно допустимый ток при температуре окружающей среды 35° С и при естественном охлаждении составляет от 0,04 до 8 а на элемент в зависимости от размеров вентилей и схем их соединения. Плотность тока при этом находится в пределах 40—60 ма/см 2 .

При повышении температуры окружающей среды выше 35° С нагрузка должна быть снижена, но при искусственном охлаждении допустимую нагрузку можно увеличить. Так, принудительная вентиляция со скоростью воздушного потока 27—28 м/мин позволяет увеличить нагрузку на селеновый выпрямитель вдвое.

К. п. д. селеновых выпрямителей составляет 50—70% для однофазных схем и 60—80% для трехфазных.

Ценным свойством селеновых выпрямителей является их способность оставаться в работе после электрического пробоя, если при последнем не нарушен катодный слой.

При изготовлении германиевого выпрямителя пластинка чистого монокристаллического германия 1 (рис. 6) припаивается оловом к металлическому основанию выпрямителя 2. Затем на германиевую пластинку накладывается пластинка индия 3. В результате термической обработки индий диффундирует в германий, образуя запорный слой. К верхней поверхности пластинки индия припаивается гибкий токоотвод 4, соединяющийся с верхней контактной шпилькой 5, пропущенной через изолятор 6. Так как германий боится влаги, то выпрямитель заключается в металлический корпус 7, надетый на основание 1 и уплотненный прокладкой 8. В основание ввернута нижняя контактная шпилька 9.

Особенностью германиевых выпрямителей являются их малые размеры по сравнению с купроксными и селеновыми. Допускаемая плотность тока в германиевых выпрямителях в 1 500 раз больше, чем в селеновых, и в 4 000 раз больше, чем в купроксных. Однако малые размеры германиевых выпрямителей создают затруднения в отводе от них тепла. Наиболее эффективным методом отвода тепла является применение радиаторов с воздушным, водяным или масляным охлаждением.

Нормальный перегрев германиевого элемента при номинальной нагрузке не должен превышать 30° С при температуре окружающей среды 35° С. При повышении температуры окружающей среды до 50° С нагрузку следует снижать до 40% от номинальной.

К положительным свойствам германиевых выпрямителей относятся отсутствие необходимости в формовке, малое старение, длительная стабильность основных параметров и высокий к. п. д., составляющий 98—99%.

В настоящее время имеются германиевые выпрямительные элементы на ток до 200 а и обратное напряжение 200 в.

Комплектные германиевые выпрямители, собранные из отдельных элементов, выпускаются мощностью в несколько тысяч киловатт при токе до 100 000 а.

Наиболее перспективным типом полупроводниковых выпрямителей являются кремниевые выпрямители, конструкция которых аналогична конструкции германиевых.

Кремниевые выпрямители мало чувствительны к изменению температуры окружающей среды и могут работать в диапазоне температур от -65 до +250° С. Они допускают также более высокие плотности тока (до 200 а/см 2 при естественном охлаждении), имеют высокое допустимое обратное напряжение (до 200 в) и к. п. д., достигающий 99%.

Полупроводниковый диод самый простой полупроводниковый прибор, состоящий из одного PN перехода. Основная его функция - это проводить электрический ток в одном направлении, и не пропускать его в обратном. Состоит диод из двух слоев полупроводника типов N и P (Рисунок 1.2.1)

Рисунок 1.2.1 Строение диода

На стыке соединения P и N образуется PN-переход. Электрод, подключенный к P, называется анод. Электрод, подключенный к N, называется катод. Диод проводит ток в направлении от анода к катоду, и не проводит обратно.

Диод в состоянии покоя.

Диод находится в состоянии покоя, когда ни к аноду, ни к катоду не подключено напряжения (Рисунок 1.2.2).

Рисунок 1.2.2 Диод в состоянии покоя

В части N имеются в наличии свободные электроны – отрицательно заряженные частицы. В части P находятся положительно заряженные ионы – дырки. В результате, в том месте, где есть частицы с зарядами разных знаков, возникает электрическое поле, притягивающее их друг к другу.

Под действием этого поля свободные электроны из части N дрейфуют через PN переход в часть P и заполняют некоторые дырки. В итоге получается очень слабый электрический ток, измеряемый в наноамперах. В результате, плотность вещества в P части повышается и возникает диффузия (стремление вещества к равномерной концентрации), толкающая частицы обратно на сторону N.

Обратное включение диода.

Теперь рассмотрим, как у полупроводникового диода получается выполнять свою основную функцию – проводить ток только в одном направлении. Подключим источник питания - плюс к катоду, минус к аноду (рисунок 1.2.3)

Рисунок 1.2.3 Обратное включение диода

В соответствии с силой притяжения, возникшей между зарядами разной полярности, электроны из N начнут движение к плюсу и отдалятся от PN перехода. Аналогично, дырки из P будут притягиваться к минусу, и также отдалятся от PN перехода. В результате, плотность вещества у электродов повышается. В действие приходит диффузия и начинает толкать частицы обратно, стремясь к равномерной плотности вещества.

Как мы видим, в этом состоянии диод не проводит ток. При повышении напряжения, в PN переходе будет все меньше и меньше заряженных частиц.

Прямое включение диода.

Меняем полярность источника питания – плюс к аноду, минус к катоду.

Рисунок 1.2.4 Прямое включения диода

В таком положении, между зарядами одинаковой полярности возникает сила отталкивания. Отрицательно заряженные электроны отдаляются от минуса и двигаются сторону pn перехода. В свою очередь, положительно заряженные дырки отталкиваются от плюса и направляются навстречу электронам. PN переход обогащается заряженными частицами с разной полярностью, между которыми возникает электрическое поле – внутреннее электрическое поле PN перехода. Под его действием электроны начинают дрейфовать на сторону P. Часть из них рекомбинируют с дырками (заполняют место в атомах, где не хватает электрона). Остальные электроны устремляются к плюсу батарейки. Через диод пошел ток I_D.

1.2.1 Выпрямительные диоды

Выпрямительный диод — это полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования переменного тока в постоянный.

В основе работы выпрямительных диодов лежит свойство односторонней проводимости рn-перехода, которое заключается в том, что последний хорошо проводит ток (имеет малое сопротивление) при прямом включении и практически не проводит ток (имеет очень высокое сопротивление) при обратном включении.

Основными параметрами выпрямительных полупроводниковых диодов являются:

прямой ток диода I_пр, который нормируется при определенном прямом напряжении (обычно U_пр=1…2В);
максимально допустимый прямой ток I_пр.мах диода;
максимально допустимое обратное напряжение диода U_{обр.мах}, при котором диод еще может нормально работать длительное время;
постоянный обратной ток I_обр, протекающий через диод при обратном напряжении, равном U_{обр.мах};
средний выпрямленный ток I_вп.ср, который может длительно проходить через диод при допустимой температуре его нагрева;
максимально допустимая мощность P_мах, рассеиваемая диодом, при которой обеспечивается заданная надежность диода.

Для сохранения работоспособности германиевого диода его температура не должна превышать +85°С, кремниевые диоды могут работать при температуре до +150°С.

Вольт-амперная характеристика германиевого и кремниевого диода представлена на рисунке 1.2.1.1

Рисунок 1.2.1.1 Вольт-амперная характеристика германиевого и кремниевого диода: а−германиевый диод; б−кремниевый диод

Падение напряжения при пропускании прямого тока у германиевых диодов составляет U_пр=0,3…0,6В, у кремниевых диодов U_пр=0,8…1,2В.

Большие падения напряжения при прохождении прямого тока через кремниевые диоды по сравнению с прямым падение напряжения на германиевых диодах связаны с большей высотой потенциального барьера рn- переходов, сформированных в кремнии. С увеличением температуры прямое падение напряжения уменьшается, что связано с уменьшением высоты потенциального барьера. При подаче на полупроводниковый диод обратного напряжения в нем возникает незначительный обратный ток, обусловленный движением не основных носителей заряда через рn-переход. При повышении температуры рn-перехода число не основных носителей заряда увеличивается за счет перехода части электронов из валентной зоны в зону проводимости и образования пар носителей заряда электрон-дырка. Поэтому обратный ток диода возрастает. В случае приложения к диоду обратного напряжения в несколько сотен вольт внешнее электрическое поле в запирающем слое становится настолько сильным, что способно вырвать электроны из валентной зоны в зону проводимости (эффект Зенера). Обратный ток при этом резко увеличивается, что вызывает нагрев диода, дальнейшей рост тока и, наконец, тепловой пробой (разрушение) рn-перехода.

Большинство диодов может надежно работать при обратных напряжениях, не превышающих (0,7…0,8) U_проб. Допустимое обратное напряжение германиевых диодов достигает − 100…400В, а кремниевых диодов − 1000…1500В.

Выпрямительные диоды применяются для выпрямления переменного тока (преобразования переменного тока в постоянный); используются в схемах управления и коммутации для ограничения паразитных выбросов напряжений, в качестве элементов электрической развязки цепей и т.д.

1.2.2 Полупроводниковый стабилитрон

Полупроводниковый стабилитрон — это полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя слабо зависит от тока и который используется для стабилизации напряжения.

В полупроводниковых стабилитронах используется свойство незначительного изменения обратного напряжения на рn-переходе при электрическом (лавинном или туннельном) пробое. Это связано с тем, что небольшое увеличение напряжения на рn-переходе в режиме электрического пробоя вызывает более интенсивную генерацию носителей заряда и значительное увеличение обратного тока.

Низковольтные стабилитроны изготовляют на основе сильнолегированного (низкоомного) материала. В этом случае образуется узкий плоскостной переход, в котором при сравнительно низких обратных напряжениях (менее 6В) возникает туннельный электрический пробой. Высоковольтные стабилитроны изготавливают на основе слаболегированного (высокоомного) материала. Поэтому их принцип действия связан с лавинным электрическим пробоем.

Основные параметры стабилитронов:

Рисунок 1.2.2.1 Условно графическое обозначение стабилитрона а) не симметричный стабилитрон б) симметричный стабилитрон

Вольт-амперная характеристика стабилитрона на рисунке 1.2.2.2

Рисунок 1.2.2.2 Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Стабилитроны используют для стабилизации напряжений источников питания, а также для фиксации уровней напряжений в различных схемах.

Существуют также двухсторонние (симметричные) стабилитроны, имеющие симметричную ВАХ относительно начала координат. Стабилитроны допускают последовательное включение, при этом результирующее стабилизирующее напряжение равно сумме напряжений стабилитронов: Uст = Uст1 + Uст2 +…

1.2.3 Туннельный диод

Туннельный диод — это полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на вольт-амперной характеристике при прямом напряжении участка отрицательного дифференциального сопротивления.

Туннельный диод изготовляется из германия или арсенида галлия с очень большой концентрацией примесей, т.е. с очень малым удельным сопротивлением. Такие полупроводники с малым сопротивлением называют вырожденными. Это позволяет получить очень узкий рn-переход. В таких переходах возникают условия для относительно свободного туннельного прохождения электронов через потенциальный барьер (туннельный эффект). Туннельный эффект приводит к появлению на прямой ветви ВАХ диода участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Основные параметры туннельных диодов:

Пиковый ток I_п – прямой ток в точке максимума ВАХ;
ток впадины I_в − прямой ток в точке минимума ВАХ;
отношение токов туннельного диода I_п/I_в;
напряжение пика U_п – прямое напряжение, соответствующее пиковому току;
напряжение впадины U_в − прямое напряжение, соответствующее току впадины;

Туннельные диоды используются для генерации и усиления электромагнитных колебаний, а также в быстродействующих переключающих и импульсных схемах.

Вольт-амперная характеристика туннельного диода и его УГО представлена на рисунке 1.2.3.1

Рисунок 1.2.3.1 Вольт-амперная характеристика туннельного диода и его УГО

1.2.4 Обращенный диод

Обращенный диод — диод на основе полупроводника с критической концентрацией примесей, в котором проводимость при обратном напряжении вследствие туннельного эффекта значительно больше, чем при прямом напряжении.

Принцип действия обращенного диода основан на использовании туннельного эффекта. Но в обращенных диодах концентрацию примесей делают меньше, чем в обычных туннельных. Поэтому контактная разность потенциалов у обращенных диодов меньше, а толщина рn-перехода больше. Это приводит к тому, что под действием прямого напряжения прямой туннельный ток не создается. Прямой ток в обращенных диодах создается инжекцией не основных носителей зарядов через рn-переход, т.е. прямой ток является диффузионным. При обратном напряжении через переход протекает значительный туннельный ток, создаваемый перемещение электронов сквозь потенциальный барьер из р-области в n-область. Рабочим участком ВАХ обращенного диода является обратная ветвь. Таким образом, обращенные диоды обладают выпрямляющим эффектом, но пропускное (проводящее) направление у них соответствует обратному включению, а запирающее (непроводящее) – прямому включению.

Вольт-амперная характеристика обращенного диода и его УГО представлена на рисунке 1.2.4.1

Рисунок 1.2.4.1 Вольт-амперная характеристика обращенного диода и УГО

Обращенные диоды применяют в импульсных устройствах, а также в качестве преобразователей сигналов (смесителей и детекторов) в радиотехнических устройствах.

1.2.5 Варикапы

Варикап — это полупроводниковый диод, в котором используется зависимость емкости от величины обратного напряжения и который предназначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой емкостью. Полупроводниковым материалом для изготовления варикапов является кремний.

Основные параметры варикапов:

номинальная емкость С_в– емкость при заданном обратном напряжении (С_в=10…500 пФ);
коэффициент перекрытия по емкости (отношение емкостей варикапа при двух заданных значениях обратных напряжений.)

Варикапы широко применяются в различных схемах для автоматической подстройки частоты, в параметрических усилителях.

На рисунке 1.2.5.1 представлена вольт-амперная характеристика варикапа и его УГО

Рисунок 1.2.5.1 Вольт-амперная характеристика варикапа и УГО

1.2.6 Светоизлучающие диоды

Светодиодами называются маломощные полупроводниковые источники света, основой которых является излучающий рп-переход. Свечение рn-перехода вызвано рекомбинацией носителей заряда. При подаче прямого напряжения электроны из n-области проникают в p-область, где рекомбинируют с дырками и излучают освободившуюся энергию в виде света.

Светодиоды изготавливаются из карбида кремния, арсенида или фосфида галлия. Свечение может быть весьма интенсивным и лежит в инфракрасной, красной, зеленой и синей частях спектра. Светодиод начинает испускать свет, как только подается прямое напряжение, причем с ростом тока интенсивность свечения увеличивается.

Основными параметрами светодиодов являются:

Р_излуч – полная мощность излучения (до 100 мВт).
U_np – постоянное прямое напряжение (порядка единиц вольт) при - const.
I_пр. – постоянный прямой ток (до 110 мА).
Цвет свечения.

Прямая ветвь ВАХ светодиода и его условное обозначение показаны на рисунке 1.2.6.1

Рисунок 1.2.6.1 ВАХ светодиода и его УГО

Светодиоды применяют в устройствах визуального отображения информации.

1.2.7 Фотодиоды

Фотодиод — это полупроводниковые приборы, принцип действия которых основан на внутреннем фотоэффекте, состоящем в генерации под действием света электронно-дырочных пар в рп-переходе, в результате чего увеличивается концентрация основных и неосновных носителей заряда в его объеме. Обратный ток фотодиода определяется концентрацией неосновных носителей и, следовательно, интенсивностью облучения. Вольт-амперные характеристики фотодиода (рисунок 1.2.7.1 (см. стр.28)) показывает, что каждому значению светового потока Ф соответствует определенное значение обратного тока. Такой режим работы прибора называют фотодиодным.

Полупроводниковый вентиль представляет собой контактное соединение двух полупроводников, один из которых с электронной проводимостью, а другой — с дырочной (рис. 13-16), например германий типа р и германий типа, п.

Вследствие большей концентрации электронов в полупроводнике п по сравнению с полупроводником р будет происходить диффузия электронов из первого полупроводника во второй. Аналогично будет происходить диффузия дырок в полупроводнике п.

Рис. 13-16. Полупроводниковый вентиль.

В пограничном слое полупроводника п возникнет положительный заряд, в пограничном слое полупро водника р — отрицательный заряд.

Между разноименными заряженными слоями образуется электрическое поле напряженностью Е_пер, препятствующее дальнейшей диффузии, которая прекратится при равенстве сил электрического поля и сил, вызывающих диффузию. Тонкий пограничный слой, обедненный основными носителями зарядов, обладающий большим сопротивлением, называют запирающим слоем или р- п переходом.

Рис. 13-17. Включение вентиля в прямом направлении.

Соединив положительный зажим источника питания с металлическим электродом полупроводника р, а отрицательный зажим — с электродом полупроводника п, получим внешнее электрическое поле, направленное навстречу полю р- п перехода, под действием которого электроны и дырки будут двигаться навстречу друг другу (рис. 13-17):

При таком движении электронов и дырок число основных носителей заряда в переходном слое возрастает, толщина переходного слоя уменьшается, а сопротивление его падаем Таким образом, в цепи установится ток, называемый прямым (I_пр), который будет значительным даже при относительно небольшом напряжении.

Рис. 13-18. Включение вентиля в обратном направлении.

Присоединив к вентилю источник питания в обратном направлении (рис. 13-18), получим внешнее поле одного направления с полем р- п перехода и, следовательно, усиливающим его. Теперь поле еще больше будет препятствовать прохождению основных носителей зарядов через запирающий слой.

Кроме того, внешнее поле вызовет движение электронов в п полупроводнике и дырок в р полупроводнике в стороны, противоположные от запирающего слоя. Это повлечет за собой увеличение толщины запирающего слоя и возрастание его сопротивления. Ток, называемый в этом случае обратным I_обр, весьма мал и во многих случаях практики может считаться равным нулю.

Таким образом, контактное соединение двух полупроводников с разными проводимостями обладает явно выраженной односторонней проводимостью, т. е. является вентилем.

Отношение токов при одинаковых напряжениях

называется коэффициентом выпрямления.

Рис. 13-19. Устройство меднозакисного вентиля.

Меднозакисный вентиль

Меднозакисный вентиль (рис. 13-19) состоит из медного диска 1, на который наносится слой закиси меди 2. К последнему прилегает для получения хорошего контакта свинцовый диск 3, а за ним расположен тонкий большого диаметра латунный диск 4 — радиаторный, предназначенный для отвода тепла.

Слой закиси меди (CuО₂) получается при термической обработке меди в атмосфере кислорода. Наружный слой закиси меди 2‘, полученный при избытке кислорода, обладает р проводимостью.

Слой закиси 2‘, прилегающий к медной шайбе, полученный при недостатке кислорода, обладает п проводимостью. Между двумя слоями закиси меди возникает р- п переход.

Допустимое напряжение на вентиле не более 8—10 в, так как при обратном напряжении 20—30 в он пробивается. Для выпрямления при больших напряжениях несколько вентилей монтируются на болте, образуя столбик выпрямителя.

Рис. 13-20. Вольт-амперная характеристика меднозакисного вентиля.

Для улучшения охлаждения устанавливаются радиаторные шайбы с тем, чтобы температура не поднималась выше 55° С, так как иначе вентиль может потерять вентильные свойства . Вольт-амперная характеристика вентиля дана на рис. 13-20.

Селеновый вентиль

Этот вентиль (рис. 13-21) состоит из алюминиевого или стального диска 1, покрытого с одной стороны полупроводящим слоем кристаллического селена 2, обладающего дыроч ной проводимостью, который служит одним электродом. Другим электродом 4 служит нанесенный на селен слой сплава олово, кадмий и висмут, к которому прилегает латунная пружинящая шайба 5. Электроды отделены друг от друга запирающим слоем.

Допустимое напряжение на селеновый вентиль составляет 20—40 в, при обратном напряжении 60—80 в вентиль пробивается.

Рис. 13-21. Схема устройства селенового вентиля.

На рис. 13-22 показан столбик селенового вентиля, а на рис. 13-23 — его вольт-амперная харак теристика.

Германиевые и кремниевые вентили

В германиевых и кремниевых диодах используются явления, происходящие в р-п переходах между областью кристалла германия (кремния) с р проводимостью и областью с п проводимостью.

Рис. 13 -22. Столбик селенового вентиля.

Эти вентили изготовляются то чечными и плоскостными.

Точечный германиевый диод типа Д1Г (рис. 13-24) состоит из стеклянного (или металлостеклянного) баллона диаметром около 3 мм и длиной 10 мм, в который впаяны два проволочных вывода.

На конце одного из них укреп лен кристалл германия 17 с п проводимостью, на конце другого — тонкая заостренная проволочка индия 2.

Рис. 13-23. Вольт-амперная характеристика селенового вентиля.

Запирающий слой (р-п переход) образуется (рис. 13-24, а) при формовке — пропускании импульсов тока, под действием которых атомы индия диффундируют в кристалл: германия, образуя в кристалле полусферическую область с дырочной проводимостью.

На границе этой полусферы и возникает р- п переход.

Максимальный выпрямленный ток этого вентиля 16 ма, максимально допустимое обратное напряжение 50 в. Вольт-амперная характеристика вентиля дана на рис. 13-25.

Рис. 13-24. Германий точечный вентиль.

Плоскостный вентиль состоит из пластины германия 1 (рис. 13-26) с примесью сурьмы или мышьяка, обладающей электронной проводимостью, и индиевой пластины 2.

При изготовлении индиевая пластина, расположенная на поверхности германия, нагревается до температуры плавления индия.

При этом атомы индия диффундируют в германий, образуя область 2а с дырочной проводимостью. На границе создается переход типа р- п .

Рис. 13-25 . Вольт-амперная характеристика точечного германиевого вентиля.

На рис. 13-26, б показано устройство одного из плоскостных германиевых вентилей типа Д-7.

В металлическом корпусе 5 длиной около 20 мм укреплен токосниматель 4 с расположенным на конце кристаллом германия 1. Электрод 2 из индия соединен с одним из выводов 7 проводником 3, проходящим через изолятор 6.

Максимальное допустимое обратное напряжение 50 б, выпрямленный ток 300 ма. На рис. 13-27 дана вольтамперная характеристика вентиля.

Рис. 13-26. Германиевый плоскостной вентиль типа Д-7

Силовые германиевые и кремниевые вентили изготовляются на номинальные токи до 1 000а.

Рис. 13-27. Вольт-амперная характеристика плоскостного вентиля.

Рис. 13-28. Кремниевый диод типа ВК-100.

Рис. 13-29. Однополупериодное выпрямление.

Рис. 13-30. Двухполупернрдное выпрямление.

На рис. 13-28 показан кремниевый диод типа ВК-100 с воздушным охлаждением на номинальный ток 100 а.

Рис. 13-31. Мостовая схема выпрямителя.

На рис. 13-29 и 13-30 даны схемы одно- и двухполупериодного выпрямления переменного тока, аналогичные схе мам с ламповыми вентилями (рис. 13-3 и 13-5). Мостовая двухполупериодная схема показана на рис. 13-31. Для увеличения выпрямленного напряжения и тока в каждую из ветвей схемы можно, включать по нескольку вентилей, соединенных между собой последовательно-параллельно или группами.

Коэффициент полезного действия меднозакисных выпрями телей составляет 50—60%, селеновых — 80—90%, германиевых и кремниевых более 90%.

Выпрямители нашли самое широкое применение для питания электролизных ванн и зарядки аккумуляторных батарей, для питания электродвигателей и аппаратов в измерительной технике, в автоматике, радиотехнике и т. д.

Статья на тему Полупроводниковые выпрямители