Мириленко Андрей Петрович, к.т.н. кафедра Электротехники Электротехника и

Полупроводниковые элементы. Полупроводниковые выпрямители.

с исследованиями, разработкой, изготовлением и применением электронных, ионных и полупроводниковых

устройств.

=

В истории развития электроники можно выделить четыре основных этапа:
электронных ламп (с 1904 г.),
транзисторов (с 1947 г.),
интегральных схем (с 1958 г.),
функциональных устройств с использованием объемных эффектов (с 1980 г.)

и четыре главные области применения:
электросвязь,
радиоэлектронная аппаратура широкого применения,
вычислительная техника
промышленная электроника.

трубки: осциллографические кинескопы, дисплеи и др.);
2. ионные электровакуумные или газоразрядные

приборы, принцип действия кото¬рых основан на взаимодействии электронов с ионной плазмой (тиратроны, игнитроны, ионные разрядники, газоразрядные стабилитроны);
полупроводниковые приборы, у которых движение зарядов происходит в твёрдом теле полупроводников

Основными классами полупроводниковых приборов являются:
1. диоды, биполярные и полевые транзисторы, тиристоры, фотоэлектронные и оптоэлектронные приборы;
2. приборы, выполненные в виде интегральных микросхем разной степени интеграции и представляющие собой совокупность нескольких взаимосвязанных компонентов (транзисторов, диодов, резисторов и др.), изготовленных в едином технологическом цикле на полупроводниковых или диэлектрических подложках.

=

все вещества условно разделяют на проводники, полупроводники и диэлектрики. Проводники

(металлы) имеют удельную элек­трическую проводимость σ=107-103 См/м, полупро­водники σ=103- -10-8 См/м и диэлектрики σ=10-8-10-15 См/м.
Полупроводниковые материалы разделя­ют на собственные и примесные.

Собственными полупроводниками называются полу­проводники, не содержащие примесей, влияющих на их электропроводность.
К ним относят¬ся многие элементы четвертой группы таблицы Менделеева.

В предельно чистом по составу полупроводнике при абсолютно нулевой температуре электрическая проводимость равна нулю, полупроводник обладает свойствами идеального диэлектрика. Отрыв валентных электронов от атома может быть осуществлен при воздействии теплоты, сильного электрического поля, излучения и т. д.

валентного электрона, условно назвали дыркой, а процесс образования пары зарядов

электрон— дырка— генерацией подвижных зарядов. Генерация зарядов одновременно сопровождается их рекомбинацией — восстановлением разрушенных связей..

Внешнее электрическое поле упорядочивает движение, причем электроны и дырки перемещаются в противоположных направлениях, создавая ток через кристалл одного направления. Различают электронную (n-типа) и дырочную (р-типа) электропроводности.

полупроводника атомов элементов иной валентности. Примеси с валентностью, большей четырех,

дающие избыток свободных электронов, называются донорными; примеси с валентностью, меньшей четырех, увеличивающие количество дырок, называются акцепторными.

Электропроводность полупроводника с донорной примесью называется электронной или электропроводностью п-типа. Кроме мышьяка часто используются фосфор, сурьма и другие элементы.
Для получения резко выраженной дырочной электропроводности (р-типа) в полупроводник вводится какой-либо из трехвалентных элементов бор, алюминий, индий и др.

тонкий приконтактный слой между двумя частями полупроводникового кристалла, одна из

которых обладает электронной, а другая — дырочной электропроводностью.

имеющим два вывода: анод А и катод К
При включении

p-n ­перехода под прямое напряжение Uпр сопротивление p-n­ пере­хода Rпр снижается, а ток Inp возрастает. При обратном напряжении Uобр обратный ток Ioбp неосновных носителей заряда оказывается во много сотен или тысяч раз мень­ше прямого тока. При напряжении U > Uo6p.max (см. точку а на вольт­амперной ха­рактеристике (ВАХ) диода (рис. 4.5)) начинается лавинообразный процесс нараста­ния обратного тока Io6p

обладает неодинаковой электрической проводимостью в прямом и обратном направлениях его

включения. Поэтому полупроводниковые диоды используют в схемах выпрямления переменного тока.
Так как напряжение на полностью открытом диоде не превышает 0,5…0,7 В, то для приближенных расчетов диод рассматривают как вентиль: открыт — закрыт, имеющий ВАХ, изображенную на рис. 4.6

В зависимости от назначения и свойств различают выпрямительные диоды, стабилитроны, импульсные диоды, варикапы, диоды Шоттки, светодиоды, фотодиоды и т. п.

(выпрямления) пере¬менного тока в постоянный ток. Как правило, это плоскостные

диоды средней и боль¬шой мощности.

Выпрямительные диоды

Основные параметры выпрямительных диодов:
I np − прямой ток;
U пр — прямое напряжение;
I np.max − максимальный допустимый прямой ток;
U обр.mах — максимальное допустимое обратное напряжение;
I oбp − обратный ток, который нормируется при определенном обратном напря­жении.

напряжения Рабочим участком ВАХ стабилитрона является участок обратной её ветви,

Стабилитроны

при изменении входного напряжения U ±∆U= =±Uб+ Uст изменяется в ос­новном напряжение ±Uб = RбI на балластном резисторе Rб, напряжение Uн на нагруз­ке Rн почти не изменяется

напряжение на стабилитроне;
динамическое сопротивление на участке стаби­лизации
минимальный и максимальный токи стабилизации (от 5 мА до 5 А);
температурный коэффициент напряжения на участке стабилизации

использования их ёмкости, управляемой обратным напряжением Uo6p
Варикапы

которых используются свойства потенциального барьера (барьера Шоттки) на контакте металл

— полупроводник.
Используются в качестве высокоскоростных импульсных диодов.

Диоды Шоттки

Светодиоды — это излучающие полупроводниковые приборы (индикаторы), предназначенные для непосредственного преобразования электрической энергии в энергию некогерентного светового излучения.
Световые импульсы выдаются при рекомбинации зарядов.

Поэтому основными полупроводниковыми материалами, применяемыми для изготовления серийных светодиодов, являются фосфид галлия (GaP), твёрдые растворы (GaAsP, GaAlP) и карбид кремния (SiC) с шириной запрещённой зоны более 2 эВ.

Светодиоды

преобразования электрических сигналов, а также переключения электрических импульсов в электронных

цепях различных устройств.
Различают биполярные транзисторы, в которых используются кристаллы n-и p-типа, и полевые (униполярные) транзисторы, изготовленные на кристалле германия или кремния с одним типом проводимости.

Биполярные транзисторы — это полупроводниковые приборы, выполненные на кри­сталлах со структурой p-n-p-типа (а) или n-p-n­типа (б) с тремя выводами, связан­ными с тремя слоями (областями): коллектор (К), база (Б) и эмиттер (Э)

Биполярные транзисторы

для смещения эмиттерного и коллекторного переходов. Толщина базы должна быть

меньше длины свободного пробега носителей заряда.
Эмиттер Э — наружный слой, источник носителей заряда с высокой концентрацией носителей, значительно большей, чем в базе.
Коллектор К, принимает заряды

Биполярные транзисторы

Каждый из переходов транзистора — эмиттерный (Б-Э) и коллекторный (Б-К) можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают три режима работы транзистора:
режим отсечки — оба p-n­ перехода закрыты, при этом через транзистор проте­кает сравнительно небольшой ток I0 , обусловленный неосновными носителя­ми зарядов;
режим насыщения — оба p-n­ перехода открыты;
активный режим — один из p-n­ переходов открыт, а другой закрыт.

ток стока (С) че¬рез полупроводниковый канал п¬ или р ¬типа

управляется электрическим полем, воз¬никающим при приложении напряжения между затвором (З) и истоком (И).

Полевые транзисторы

p-n¬переходами, обладающий способностью принудительного переключения из одного устойчивого состояния (отсечки)

в другое (насыщения).
Тиристоры подразделяются на диодные (динисторы), имеющие два вывода (анод А и катод К), и триодные (тринисторы), имеющие три вывода (анод А, катод К и управляющий электрод У

несколь¬ко элементов (резисторов, конденсаторов, диодов, транзисторов) соединены между собой и

образуют определенный функциональный узел (логический элемент, усилитель, генератор, стабилизатор напряжения и т. д.), изготовленный на общей основе (подложке) в едином технологическом процессе.

В зависимости от числа компонентов в единице объёма различают ИМС большой степени интеграции (более 103.107 элементов в 1 см3), средней (2*102…103 элемен¬тов в 1 см3) и малой степени интеграции (менее 2'102 элементов в 1 см3).
В зависимости от функционального назначения ИМС подразделяют на аналого¬вые (линейно¬импульсные) и цифровые (логические).

(сетевого) u1 и выходного (выпрямленного) Uн напряжений выпрямителя, он электрически

отде­ляет питающую сеть от цепи нагрузки Н. Блок вентилей В выполняет функцию вып­рямления переменного тока. Для уменьшения пульсаций выпрямленного тока в цепи нагрузки Н применяют сглаживающий фильтр СФ. В случае управляемого выпрями­теля необходим блок управления БУ, содержащий систему управления вентилями и систему автоматического регулирования уровня выходного напряжения.
В неуправляемые выпрямители встраивают блок стабилизации СТ, поддерживаю­щий номинальный уровень выходного напряжения или тока нагрузки при колебани­ях напряжения сети.

Выпрямители

и управляемые (Uн = var);
• однополупериодные и двухполупериодные;
• однофзные и

многофазные (чаще трехфазные);
• малой (до 1 кВт), средней (до 100 кВт) и большой (свыше 100 кВт) мощности;
• низкого (до 25 В), среднего (до 1000 В) и высокого (свыше 1000 В) напряжений.
Основные параметры выпрямителя:
• Uн.ср (Iн.ср) — среднее значение выпрямленного напряжения (тока) нагрузки;
• Um.ог — амплитуда основной гармоники выпрямленного напряжения;
• qn = Um.ог/Uн.ср — коэффициент пульсации выпрямленного напряжения;
• S — мощность трансформатора (в вольтамперах — В•А или в киловольтампе¬рах — кВ•А);
• Iпр.ср — прямой средний ток вентиля;
• Uпр.ср — среднее напряжение (меньше 2,5 В) на вентиле при токе Iпр.ср;
• Uобр.max и Iпр.max — максимальные допустимые обратное напряжение и прямой ток вентиля.

входного сигнала за счет энергии внешнего источника питания посредством усилительных

элементов (полупроводниковых приборов, электронных ламп и др.).

максималь­ного значения входного напряжения к минимальному на линейном участке ab

амп­литудной характеристики

ключенного по схеме с общим эмиттером