Исследование полупроводниковых приборов

 

Цель работы

 

Ознакомиться с работой и основными характеристиками полупроводниковых приборов для источников питания постоянного тока: выпрямительного диода, стабилитрона и тиристора.

 

2. Полупроводниковые приборы источников
питания постоянного тока

2.1. Электронно-дырочный р-n – переход

Для изготовления полупроводниковых приборов используются полупроводниковые материалы – германий и кремний, которые по своему удельному электрическому сопротивлению занимают место между проводниками и диэлектриками. В исходном состоянии в них присутствуют подвижные носители заряда двух типов: отрицательные – электроны и положительные – дырки, концентрация которых одинакова. При введении в кристалл кремния атомов индия, бора или алюминия концентрация дырок становится выше концентрации электронов. Такой полупроводник называется полупроводником р-типа с дырочной проводимостью. При введении в кристалл атомов мышьяка, фосфора или сурьмы получаем полупроводник n-типа с электронной проводимостью.

Рис. 1.1. Образование р-n перехода

 

Если в одной половине кристалла кремния (рис.1.1) создать дырочную проводимость, а в другой – электронную, путем введения соответствующих примесей, то на границе областей с разными типами проводимостей возникает электронно-дырочный р-n переход, свойства которого используются для изготовления полупроводников приборов – диодов, стабилитронов и тиристоров.

2.2. Полупроводниковый диод

Полупроводниковый диод – это электронный прибор с одним р-n – переходом и двумя электродами: анодом (А) и катодом (К) (рис. 1.2а). В принципе работы диода используется свойство односторонней проводимости р-n перехода. В исходном состоянии диод закрыт запирающим электрическим полем Е_зап р-n перехода. При подведении к р-n переходу внешнего напряжения U=U_пр в прямом направлении (рис. 1.1), что соответствует прямой ветви вольтамперной характеристики (ВАХ) диода (рис. 1.3а), уменьшается толщина и сопротивление р-n перехода. При увеличении приложенного напряжения до U_пр > Е_зап диод открывается и в цепи возникает большой прямой ток I_пр (рис. 1.3а).

а) б)

Рис. 1.2. Схемные обозначения диода (а) и стабилитрона (б)

 

Пороговое напряжение U₀, при котором происходит открытие диода находится в пределах 0,2–0,4 В для германиевых диодов и U₀ =0,5–0,8 В для кремниевых диодов.

При подключении диода в обратном направлении (положительный потенциал на катоде, а отрицательный на аноде), запорное электрическое поле увеличивается на величину приложенного напряжения U, толщина и сопротивление р-n перехода резко возрастают и диод закрывается. Ток в обратном направлении I_обр очень мал, так как обусловлен движением неосновных носителей (рис. 1.3а).

 

 

Рис. 1.3. Вольтамперная характеристика диода (а) и стабилитрона (б)

 

В прямом направлении к диоду приложено небольшое напряжение U_пр, в обратном направлении напряжение на диоде, как правило, равно напряжению источника питания. Однако если обратное напряжение U_обр, приложенное к диоду, превысит определенное значение, называемое напряжением пробоя U_проб, то возникает электрический пробой р-n перехода, характеризующийся резким возрастанием обратного тока I_обр, при незначительном изменении обратного напряжения (рис. 1.3а).

Номинальные значения основных параметров диодов определяются по вольтамперным характеристикам и их значения приводятся в справочниках. К ним относятся:

максимальный прямой ток I_{пр max} – самый большой ток, который может длительное время протекать через диод, не повреждая его;

максимальное обратное напряжение U_{обр max} – наибольшее значение напряжения, которое диод может выдержать длительное время без пробоя в закрытом состоянии. По параметрам I_{пр max} и U_{обр max} производится выбор диода для выпрямительных устройств источников питания. Кроме того для диодов указывается I_{обр max} – максимальное значение обратного тока через диод, величина которого в зависимости от мощности диода находится в пределах нескольких мкА или мА; падение напряжения на диоде U_пр при включении диода в прямом направлении и токе I_{пр max} находится в пределах 0,3–0,6 В для германиевых диодов и 1–1,5 В для кремниевых диодов. В выпрямительных устройствах источников питания используются кремниевые диоды, так как они по сравнению с германиевыми имеют большие значения I_{пр max} и U_{обр max}. По мощности выпрямительные диоды подразделяются на маломощные (прямой ток I_пр до 0,3 А), средней (I_пр от 0,3 А до 10 А) и большой мощности (I_пр от 10 А до 1000 А и выше).

2.3. Полупроводниковый стабилитрон

Полупроводниковые стабилитроны изготавливаются на основе кремния с большой концентрацией примесей (на 2–3 порядка больше, чем у выпрямительных диодов). Благодаря этому образуется очень тонкий запорный слой и создаются условия для электрического пробоя р-n перехода при сравнительно небольших значениях приложенного напряжения. Условное обозначение стабилитрона приведено на рис. 1.2б, вольтамперная характеристика – на рис. 1.3б.

Номинальным режимом работы стабилитрона является режим с обратно-включенном р-n переходом. При этом на анод подается отрицательный потенциал, а на катод – положительный. Рабочим участком вольтамперной характеристики, т.е. областью стабилизации является участок обратной ветви, который почти параллелен оси токов (рис. 1.3б). В диапазоне от I_{ст. min} до I_{ст. max} небольшое увеличение напряжения ∆U_ст на р-n переходе приводит к большому увеличению тока. Электрический пробой является обратимым: при снятии внешнего напряжения р-n переход восстанавливает свои запирающие свойства. Прямая ветвь вольтамперной характеристики стабилитрона (рис. 1.3б) подобна прямой ветви характеристики диода (рис. 1.3а).

Для расчета схем стабилизации используется только обратная ветвь вольтамперной характеристики (рис. 1.4). При этом используются основные параметры полупроводниковых стабилитронов (рис. 1.4): номинальное напряжение стабилизации U_ст.н при номинальном токе стабилизации I_ст.н; минимально допустимый I_ст.min и максимально допустимый I_ст.max токи стабилизации; максимально допустимая мощность P_max, рассеиваемая на р-n переходе; дифференциальное (динамическое) сопротивление в рабочей точке . Чем меньше R_диф, тем выше качество стабилизации.

 

 

Рис.1.4. Обратная ветвь вольтамперной характеристики стабилитрона

 

Схема параметрического стабилизатора напряжения приведена на рис. 1.5. Уравнения Кирхгофа для данной схемы запишутся в следующем виде:

I_вх=I_ст+I_н; U_вх=U_б+U_ст; U_ст=U_н.

При увеличении входного напряжения U_вх возрастает ток в цепи I_вх. Но так как напряжение на нагрузке U_н=U_ст, то все избыточное напряжение падает на резисторе R_б. При этом ток нагрузки I_н не изменяется, а увеличение I_вх приводит к увеличению тока через стабилитрон I_ст. Если изменилась нагрузка, например уменьшилось сопротивление резистора R_н (рис. 1.5), то это приведет к увеличению тока нагрузки I_н.

 

Рис. 1.5. Схема параметрического стабилизатора напряжения

Но при неизменном входном напряжении U_вх=const должно сохраняться постоянство входного тока I_вх=I_ст+I_н=const, следовательно увеличение тока I_н влечет за собой уменьшение на такое же значение тока стабилитрона I_ст.

Промышленностью выпускаются стабилитроны с напряжением стабилизации от 0,7 до 180 В и максимальным током стабилизации от 10 мА до 2,5 А.

2.4. Полупроводниковый тиристор

Тиристорами называются управляемые полупроводниковые приборы, имеющие четырехслойную структуру типа p-n-p-n с тремя переходами П1, П2, П3 (рис. 1.6а), способными под действием сигнала управления переходить из закрытого (непроводящего) состояния в открытое (проводящее).

Материалом для изготовления тиристора служит кремний. В источниках питания используются триодные тиристоры (их называют просто тиристорами или тринисторами). На рис 1.6б показано схемное обозначение рассматриваемого тиристора, который имеет три вывода во внешнюю цепь.

а) б)

Рис. 1.6. Структура (а) и схемное обозначение (б) триодного тиристора

 

Электроды прибора называются: А – анод, К – катод, УЭ – управляющий электрод. Вольтамперная характеристика (ВАХ) тиристора приведена на рис. 1.7. Тиристор работает как управляемый электронный ключ, который замыкается при определенных условиях и имеет два устойчивых состояния: открытое с высокой проводимостью и закрытое с низкой проводимостью.

Для открытия тиристора необходимо выполнение двух условий:

1) наличие положительного потенциала на аноде;

2) подача управляющего импульса U_у положительной полярности на управляющий электрод.

Положительное напряжение питания U_п, подаваемое на анод (рис. 1.6а), открывает переходы П1 и П3, а переход П2 закрыт и все напряжение U_п падает на тиристоре. В схеме выполняется второй закон Кирхгофа: U_п=U_т, где U_т –падение напряжения на тиристоре, т.е. на закрытом переходе П2. Ток в цепи тиристора практически отсутствует: I_т=I_пр≈0 (участок 1 на вольтамперной характеристике рис. 1.7).

Для открытия перехода П2 в область Р2 управляющим импульсом U_у (рис. 1.6а) вводятся добавочные носители заряда. В результате ток через тиристор I_пр возрастает, напряжение на тиристоре падает, происходит переключение тиристора из закрытого состояния в открытое (участок 2 вольтамперной характеристики рис.1.7).

Рис. 1.7. Вольтамперная характеристика тиристора

После переключения напряжение на тиристоре снижается до U_т=U_пр=0,5–1,5 В, а основная часть напряжения питания U_п выделяется на нагрузке R_н. Участок 3 на вольтамперной характеристике соответствует открытому состояния тиристора и является рабочим. Для участка 3 второй закон Кирхгофа запишется в виде: U_п=U_пр+U_н.

Как снижается напряжение включения U_вкл при росте тока управления I_у показывает семейство кривых на вольтамперной характеристике (рис. 1.7).

Важнейшей особенностью тиристора является то, что после его включения открытое состояние сохраняется вне зависимости от наличия сигнала на управляющем электроде. Выключить тиристор можно при смене полярности напряжения питания U_п или прерыванием анодного тока I_пр.

При приложении к тиристору обратного напряжения U_обр прибор все время находится в закрытом состоянии, поскольку переходы П1 и П3 находятся под обратным напряжением. Обратная ветвь ВАХ тиристора (участок 4 на рис. 1.7) аналогична обратной ветви ВАХ полупроводникового диода. Во избежание пробоя тиристора при обратном включении необходимо, чтобы обратное напряжение было меньше U_{обр. max}.

При расчете управляемых источников питания выбор тиристора производится по его основным параметрам:

1) максимальное значение прямого тока I_{пр. max};

2) максимальное значение обратного напряжения U_{обр. max};

3) значение управляющего тока включения I_у (наименьшее значение тока управления I_у, при котором открывается тиристор);

4) напряжение прямого включения U_вкл (напряжение при котором происходит открытие тиристора);

5) время включения t_вкл. и время выключения t_выкл. тиристора.

По мощности тиристоры подразделяются на три группы: малой мощности – I_пр.<0,3 А, средней – 0,3 А< I_пр < 10 А, большой – I_пр.>10 А.