Полупроводниковый диод (вентиль)

 

Полупроводниковый диод в стеклянном корпусе. На фотографии виден полупроводник с контактами, подходящими к нему (рис. 8.3).

Так как между областями р - и n - типов значительная разница в концентрации дырок и электронов, происходит диффузия дырок в область n, а электронов в область р. Полупроводниковые диоды используют свойство односторонней проводимости p-n перехода - контакта между полупроводниками с разным типом примесной проводимости, либо между полупроводником и металлом (Диод Шоттки).

Рисунок 8.3

Полупроводниковый диод представляет собой контактное соединение двух полупроводников, один из которых с дырочной, а другой с электронной проводимостью (от др. - греч. Δις-два и –од, означающего путь) (рис. 8.4).

В тонком пограничном слое у n -типа возникнет положительный заряд, а у р -типа отрицательный заряд. Между зарядами возникает разность потенциалов (потенциальный барьер) и образуется электрическое поле Е_п, которое препятствует дальнейшему диффузному перемещению основных носителей. На границе двух полупроводников возникает слой, обладающий большим сопротивлением.

Этот слой называют запирающим слоем или р-n -переходом.

Вследствие теплового движения в электрическое поле р-n -перехода попадают неосновные носители заряда.

Движение неосновных носителей заряда под действием сил поля р-n -перехода направлено встречно диффузионному току основных носителей и называется дрейфовым или тепловым током.

При отсутствии внешнего поля дрейфовый ток уравновешивается диффузионным и суммарный ток через р-n -переход равен нулю.

 

Рисунок 8.4

 

Соединим плюс источника с полупроводником n -типа, а минус – с р -типа, получим внешнее поле, направленное согласно полю р-n -перехода Е_в и усиливающее его. Через диод будет проходить малый обратный ток. При изменении полярности источника питания внешнее поле будет направлено встречно полю р-n -перехода. В цепи установится прямой ток, который будет значительным даже при относительно небольшом напряжении питания.

Диоды широко используются для преобразования переменного тока в постоянный (точнее, в однонаправленный пульсирующий).

По конструктивному принципу диоды разделяют на точечные и плоскостные. Точечные рассчитаны на токи до нескольких сотен миллиампер, а плоскостные – до нескольких ампер, в том числе силовые – до нескольких тысяч ампер.

По назначению диоды разделяются на следующие:

· выпрямительные диоды (как разновидность выпрямительных – силовые), которые предназначены для выпрямления переменного тока низкой частоты (рис. 8.5, а). В качестве выпрямительных диодов используют плоскостные диоды, допускающие большие выпрямительные токи;

· высокочастотные диоды, предназначенные для выпрямления переменного тока в широком диапазоне частот, а также для детектирования. В качестве высокочастотных диодов применяют диоды точечной конструкции;

· импульсные диоды, которые применяют в схемах генерирования и усиления импульсов микросекундного и наносекундного диапазонов;

· туннельные диоды (рис. 8.5, в), применяемые в качестве усилителей и генераторов высокочастотных колебаний;

· светодиоды (рис. 8.5, е), которые используют в качестве световой индикации наличия тока и которые имеют разные цвета свечения;

· стабилитроны (рис. 8.5, б), предназначенные для стабилизации уровня напряжения при изменениях значения протекающего через них тока;

· варикапы (рис. 8.5, г) – полупроводниковые диоды, емкость которых можно изменять в широких пределах;

· фотодиоды (рис. 8.5, д), которые являются источниками тока, преобразующими световую энергию в электрическую, причем сила тока пропорциональна освещенности фотодиода.

Маркировка диодов.

Маркировка полупроводниковых диодов, рассчитанных на сравнительно небольшие токи (до 10 А) состоит из шести буквенных и цифровых элементов:

· первый элемент обозначает исходный материал: К или 2 – кремний; Г или 1 – германий; А или 3 - арсенид галлия.

· второй буквенный элемент обозначает тип прибора: Д – диоды выпрямительные; А – сверхвысокочастотные диоды; В – варикапы; И – туннельные диоды; С – стабилитроны; Л - светодиоды.

· третий, четвертый, пятый элементы – цифры, характеризующие некоторые электрические параметры прибора, в частности мощность рассеяния.

· шестой элемент – буква (от А до Я), обозначающая последовательность разработки.

Например, КД215А – кремниевый выпрямительный диод, КС211Б – кремниевый стабилитрон с напряжением стабилизации 11 В, средней мощности.

Полупроводниковые диоды, рассчитанные на токи от 10 А до 2000 А и более часто называют силовыми неуправляемыми вентилями и маркируют буквой В (вентиль), после которой проставляется число, указывающее значение прямого номинального тока. В качестве силовых в основном используют кремниевые диоды, которые делятся на группы, классы и подклассы. Класс диода зависит от значения обратного номинального напряжения. Группа диода определяется значением падения напряжения в прямом направлении при номинальном токе I_ном. Группы обозначаются буквами от А до Е.

Например, падение напряжения группы А равно 0,4 – 0,5 В. Каждая группа делится на три подгруппы, отличающиеся значением падения напряжения (для группы А: 0,4 – 0,42 В; 0,44 – 0,46 В; 0,48 – 0,5 В). Например, В200-8-54 – вентиль кремниевый, номинальный ток 200 А, 8-й класс (обратное номинальное напряжение 800 В), падение напряжения при номинальном токе 0,54 В (группа Б).

Устройство диодов. В плоскостных диодах основным элементом является пластика из кремния или германия, в которой методом сплавления или диффузии создан плоский по форме р–n - переход. Для защиты диода от внешней среды пластинку полупроводника вместе с припаянными к ней выводами устанавливают в металлический корпус, который затем герметизируют. В верхней части корпуса монтируют стеклянный изолятор, через который проходит выводная трубка. Для лучшего отвода тепла в некоторых плоскостных диодах применяют специальные охладители.

Контрольные вопросы

 

1. Дайте определение полупроводникового диода.

2. Как возникает электрическое поле в диоде.

3. Дайте определение дрейфового тока.

4. Классификация диодов по конструктивному признаку.

5. Классификация диодов по конструктивному признаку по назначению.

6. Устройство диодов.

Транзисторы

Транзистором называется полупроводниковый прибор с двумя р-n -переходами, предназначенный для усиления и генерирования электрических колебаний и представляющий собой пластинку кремния или германия, состоящую из трех областей.

 

	Рисунок 8.6 Дискретные транзисторы в различном конструктивном оформлении

 

Две крайние области всегда имеют одинаковый тип проводимости, а средняя – противоположный (рис. 8.7). Отсюда два типа транзисторов р-n-р или n-р-n. Физические процессы, происходящие в транзисторах двух типов, аналогичны, различие заключается в полярности включения источников питания.

Смежные области, отделенные друг от друга р-n -переходами, называются эмиттер, коллектор и база.

Эмиттер – область, испускающая носители зарядов.

Коллектор – область, собирающая носители зарядов.

База - средняя область (основание).

К эмиттеру прикладывается напряжение эмиттер-база в прямом направлении, а к коллектору (база-коллектор) - в обратном. Под действием электрического поля большая часть носителей зарядов из эмиттера через р-n -переход переходит в очень узкую базу (инжекция). В базе незначительная часть носителей зарядов, перешедших из эмиттера, объединяется со свободными носителями зарядов противоположной полярности, убыль которых пополняется новыми носителями из внешней цепи, образующими ток базы.

Рисунок 8.7.

Большая часть носителей зарядов приблизится ко второму р-n -переходу и втягивается в коллектор (экстракция), увеличивая ток коллектора. Если увеличить напряжение эмиттер-база, то увеличится ток эмиттера и ток коллектора. Iэ=Iб+Iк.

Транзистор может находится в трех состояниях:

· заперт – если потенциал базы равен или меньше потенциала эмиттера (режим отсечки);

· открыт - выше потенциала эмиттера, при этом транзистор реагирует на изменение потенциала базы;

· насыщен – наступает момент, когда увеличение напряжения базы не приводит к увеличению тока коллектора.

Возможны три схемы включения: с общим эмиттером, с общим коллектором, с общей базой.

Биполярным транзистором называется полупроводниковый прибор с двумя р–n - переходами и тремя выводами.

Транзисторы применяются для усиления электрических сигналов и колебаний, генерирования электрических сигналов и колебаний и в качестве бесконтактного ключевого элемента.