Стабилитрон и его графическое обозначение на схемах

Полупроводниковые диоды

Диод – двухэлектродный полупроводниковый прибор с одним p–n-переходом, обладающий односторонней проводимостью тока, предназначен для выпрямления переменного тока.

Существует много различных типов диодов – выпрямительные, импульсные, туннельные, обращенные, сверхвысокочастотные диоды, а также стабилитроны, варикапы, фотодиоды, светодиоды и др.

1. Выпрямительные диоды

Работа выпрямительного диода объясняется свойствами электрического p–n-перехода.

Вблизи границы двух полупроводников образуется слой, лишенный подвижных носителей заряда и обладающий высоким электрическим сопротивлением, – так называемый запирающий слой. Этот слой определяет контактную разность потенциалов (потенциальный барьер).

Если к p–n-переходу приложить внешнее напряжение, создающее электрическое поле в направлении, противоположном полю электрического слоя, то толщина этого слоя уменьшится и при напряжении 0,4 - 0,6 В запирающий слой исчезнет, а ток существенно возрастет (этот ток называют прямым).

При подключении внешнего напряжения другой полярности запирающий слой увеличится и сопротивление p–n-перехода возрастет, а ток, обусловленный движением неосновных носителей заряда, будет незначительным даже при сравнительно больших напряжениях.

Прямой ток диода создается основными, а обратный – неосновными носителями заряда. Положительный (прямой) ток диод пропускает в направлении от анода к катоду.

На рис. 1 показаны условное графическое обозначение и характеристики выпрямительных диодов. Два вывода диода: анод А и катод К не обозначаются и на рисунке показаны для пояснения.

На вольт-амперной характеристике диода обозначена область электрического пробоя, когда при небольшом увеличении обратного напряжения ток резко возрастает.

Электрический пробой является обратимым явлением. При возвращении в рабочую область диод не теряет своих свойств. Если обратный ток превысит определенное значение, то электрический пробой перейдет в необратимый тепловой с выходом прибора из строя.

Рис. 1. Полупроводниковый выпрямительный диод: а – вольт-амперная характеристика, б – условное графическое изображение

Промышленностью в основном выпускаются германиевые (Ge) и кремниевые (Si) диоды.

Кремниевые диоды обладают малыми обратными токами, более высокой рабочей температурой (150 - 200 °С против 80 - 100 °С), выдерживают большие обратные напряжения и плотности тока (60 - 80 А/см2 против 20 - 40 А/см2). Кроме того, кремний – широко распространенный элемент (в отличие от германиевых диодов, который относится к редкоземельным элементам).

К преимуществам германиевых диодов можно отнести малое падение напряжения при протекании прямого тока (0,3 - 0,6 В против 0,8 - 1,2 В). Кроме названных полупроводниковых материалов, в сверхвысокочастотных цепях используют арсенид галлия GaAs.

Полупроводниковые диоды по технологии изготовления делятся на два класса: точечные и плоскостные.

Точечный диод образуют Si- или Ge-пластина n-типа площадью 0,5 - 1,5 мм2 и стальная игла, образующая p–n-переход в месте контакта. В результате малой площади переход имеет малую емкость, следовательно, такой диод способен работать в высокочастотных цепях. Но ток через переход не может быть большим (обычно не более 100 мА).

Плоскостной диод состоит из двух соединенных Si- или Ge-пластин с разной электропроводностью. Большая площадь контакта ведет к большой емкости перехода и относительно низкой рабочей частоте, но проходящий ток может быть большим (до 6000 А).

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

– максимально допустимый прямой ток Iпр.max,

– максимально допустимое обратное напряжение Uобр.max,

– максимально допустимая частота fmax.

По первому параметру выпрямительные диоды делят на диоды:

– малой мощности, прямой ток до 300 мА,

– средней мощности, прямой ток 300 мА - 10 А,

– большой мощности – силовые, максимальный прямой ток определяется классом и составляет 10, 16, 25, 40, - 1600 А.

2. Импульсные диоды применяются в маломощных схемах с импульсным характером подводимого напряжения. Отличительное требование к ним – малое время перехода из закрытого состояния в открытое и обратно (типичное время 0,1 - 100 мкс).

3. Стабилитрон предназначен для стабилизации, т.е. поддержания постоянства напряжения в цепях питания радиоэлектронной аппаратуры. Внешний вид одной из конструкций наиболее распространенных среди радиолюбителей стабилитронов и его графическое обозначение показаны на (рис.2). По устройству и принципу работы кремниевые стабилитроны широкого применения аналогичны плоскостным выпрямительным диодам. Но работает стабилитрон не на прямом участке вольт — амперной характеристики, как выпрямительные или высокочастотные диоды, а на обратной ветви вольт — амперной характеристики, где незначительное обратное напряжение вызывает значительное увеличение обратного тока через прибор. Разобраться в сущности действия стабилитрона вам поможет его вольт — амперная характеристика, показанная на (рис. 2, а). Здесь (как и на рис. 2) по горизонтальной оси отложены в некотором масштабе обратное напряжение Uобр., а по вертикальной оси вниз — обратный ток Iобр. Напряжение на стабилитрон подают в обратной полярности, т. е. включают так, чтобы его анод был соединен с отрицательным полюсом источника питания. При таком включении через стабилитрон течет обратный ток Iобр. По мере увеличения обратного напряжения обратный ток растет очень медленно — характеристика идет почти параллельно оси Uобр. Но при некотором напряжении Uобр. р — n переход стабилитрона пробивается и через него начинает течь значительный обратный ток. Теперь вольт — амперная характеристика резко поворачивает и идет вниз почти параллельно оси Iобр. Этот участок и является для стабилитрона рабочим. Пробой же р — n перехода не ведет к порче прибора, если ток через него не превышает некоторого допустимого значения.

Стабилитрон и его графическое обозначение на схемах

а) б)

Рис. 2. Вольт - амперная характеристика стабилитрона (а) и схема параметрического стабилизатора напряжения (б)

На (рис. 2,б) приведена схема возможного практического применения стабилитрона. Это так называемый параметрический стабилизатор напряжения. При таком включении через стабилизатор V течет обратный ток Iобр., создающийся источником питания, напряжение которого может изменяться в значительных пределах. Под действием этого напряжения ток Iобр., текущий через стабилитрон, тоже изменяется, а напряжение на нем, а значит, и на подключенной к нему нагрузке Rн остается практически неизменным — стабильным. Резистор R ограничивает максимально допустимый ток, текущий через стабилитрон. Параметры стабилитрона: напряжение стабилизации Uст., ток стабилизации Iст., минимальный ток стабилизации Icт.min и максимальный ток стабилизации Icт.max. Параметр Uст. — это то напряжение, которое создается между выводами стабилизатора в рабочем режиме. Наша промышленность выпускает кремниевые стабилитроны на напряжение стабилизации от нескольких вольт до 180 В. Минимальный ток стабилизации Iст. min — это наименьший ток через прибор, при котором начинается устойчивая работа в режиме пробоя (на рис. 2, а — штриховая линия Iст.min), с уменьшением этого тока прибор перестает стабилизировать напряжение. Максимально допустимый ток стабилизации Iст.max — это наибольший ток через прибор, при котором температура его р — n перехода не превышает допустимой (на рис. 2, а — штриховая линия Icт.max) — Превышение тока Iст.max ведёт к тепловому пробою р — n перехода и, естественно, к выходу прибора из строя.

4. Фотодиод - полупроводниковый фотоэлектрический прибор с внутренним фотоэффектом, обратный ток которого зависит от освещенности р-n перехода. Существуют два режима работы фотодиодов:

- без внешнего источника электропитания (режим фотогенератора);

- с внешним источником электропитания (режим фотопреобразователя).

В первом режиме используется фотогальванический эффект. Воздействие светового потока на p – n переход через отверстие в корпусе приводит к созданию на зажимах фотодиода (при разомкнутой внешней цепи) разности потенциалов, называемой фото - э.д.с. У селеновых и кремниевых фотодиодов фото - э.д.с. достигает 0,5 - 0,6 В, у диодов из арсенида галлия - примерно 0,8 - 0,9 В.

При замыкании выводов освещенного фотодиода на резистор ток, появляющийся в цепи, зависит от фото - э.д.с. и сопротивления резистора. Максимальный ток при одной и той же освещенности фотодиода возникает при сопротивлении, равном нулю, т.е. при коротком замыкании фотодиода. При больших световых потоках наступает насыщение и рост фото - э.д.с. прекращается. Фотодиоды, работающие в данном режиме, находят применение в солнечных батареях.

Если фотодиоды включить в цепь с источником электропитания в непроводящем направлении (рис.3) и обеспечить освещение, то при изменении интенсивности освещения происходит существенное изменение обратной ветви вольт характеристики и, как следствие, изменение величины обратного тока I.

Рис.3. Полупроводниковый фотодиод: схема включения (режим фотопреобразователя)

Когда фотодиод не освещен, в цепи проходит обратный темновой ток (5-10 мкА). При освещении фотодиода появляется дополнительное число электронов и дырок, что приводит к увеличению тока в цепи. Выходным сигналом в цепи обычно является напряжение , на резисторе . Фотодиод обладают высокой чувствительностью и используются в схемах автоматического контроля и регулирования.

5. Светодиод - полупроводниковый диод, в котором предусмотрена конструктивная возможность вывода светового излучения из области p – n перехода через отверстие в корпусе.

Принцип действия светодиода основан на интенсивной рекомбинации носителей зарядов и, как следствие этого, выделении лучистой энергии при протекании через p – n переход прямого тока. Светодиод изготавливают из карбида кремния и фосфида галлия, излучающего видимый свет в диапазоне от красного до голубого.

Светодиоды находят применение в цифровых буквенных и знаковых индикаторах систем автоматики.

 

Транзистор

Транзистором называется электропреобразовательный прибор с одним или несколькими p – n переходами, предназначенный для усиления мощности.

Широкое распространение имеют транзисторы с двумя p – n переходами. Транзисторы данного типа характерны наличием двух различных типов носителей заряда - дырок и электронов.

1.Биполярный транзистор - это транзистор с двумя p – n переходами. Для изготовления транзисторов данного типа применяют в основном кремний и германий. Два p – n перехода создают трехслойную полупроводниковую структуру из полупроводников с различными типами электропроводимости. В соответствии с чередованием областей с различными типами электропроводимости биполярные транзисторы подразделяются на два класса: типа p – n – p и типа n – p – n.

Транзисторы изготавливаются в металлических, пластмассовых корпусах и в бескорпусном исполнении (для микросхем)

Схематическое устройство и условное графическое обозначение биполярных транзисторов (типа n – p – n) приведены на рис.4, а.

 

Рис.4. Биполярный транзистор n – p – n: а) условное обозначение; б) и в) движение носителей заряда (электронов и дырок)

У биполярных транзисторов центральный слой называют базой (Б). Наружный слой, являющийся источником носителей зарядов (электронов или дырок), который главным образом и создает ток прибора, называют эмиттером (Э), а наружный слой, принимающий заряды, поступающие от эмиттера, называется коллектором (К).

Существуют три способа включения транзистора: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ), и общим коллектором (ОК). Различие в способах включения зависит от того, какой из выводов транзистора является общим для входной и выходной цепей. В схеме ОБ общей точкой входной и выходной цепей является база, в схеме ОЭ- эмиттер, в схеме ОК – коллектор.

Основной схемой включения биполярного транзистора является схема с общим эмиттером (рис.5, а). Для такой схемы входной ток равен току базы: = - . Малая величина входного (управляющего) тока обусловила широкое применение данной схемы.

Зависимость между током и напряжением во входной цепи транзистора при постоянном напряжении между коллектором и эмиттером называют входной (базовой) характеристикой транзистора (), а зависимость тока коллектора от напряжения при постоянных значениях тока базы - семейством его выходных (коллекторных) характеристик (). Входная и выходная характеристики биполярного транзистора средней мощности типа n – p – n приведены соответственно на рис.5, б, в.

а) б) в)

Рис.5. Включение биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером Схемы включения биполярного транзистора: а) с ОБ; б) с ОЭ; в) с ОК

2. Полевые (униполярные) транзисторы - в отличие от биполярных транзисторов управление выходным током осуществляется не входным током, а электрическим полем, создаваемым входным напряжением. Делятся на транзисторы с управляющим p–n-переходом ли переходом металл — полупроводник (барьер Шоттки), и с изолированным затвором или транзисторы МДП (МОП) (метал — диэлектрик — полупроводник). Устройство полевого транзистора с управляющим p-n переходом проще биполярного.

А) Полевой транзистор с управляющим p-n переходом — это полевой транзистор, затвор которого изолирован (то есть, отделён в электрическом отношении) от канала p-n переходом, смещённым в обратном направлении. Такой транзистор имеет два невыпрямляющих контакта к области, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда, и один или два управляющих электронно-дырочных перехода, смещённых в обратном направлении. При изменении обратного напряжения на p-n переходе изменяется его толщина и, следовательно, толщина области, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда. - Прибор, в котором электрическое поле, возникающее от приложения напряжения между затвором и истоком, управляет через канал током. В полевом транзисторе носители заряда (электроны или дырки) одного знака проходят по полупроводниковому каналу. Канал - это полупроводниковая область в транзисторе, сопротивление которой зависит от потенциала на затворе. Электрод, из которого в канал входят основные носители заряда, называют истоком (И), а электрод, через который основные носители заряда уходят из канала, - стоком (С). Электрод, служащий для регулирования попе речного сечения канала, носит название затвора (З).

Полевые транзисторы изготовляют из кремния и в зависимости от электропроводности исходного материала подразделяют на транзисторы с каналами p - и n - типов.

Полевой транзистор с затвором в виде p – n перехода - полупроводниковый прибор, в котором проводимостью канала можно управлять, подавая напряжение на закрытый p – n переход. Структурная схема и схема включения полевого транзистора с каналом n- типа и затвором в виде p – n перехода приведены на рис.6, а, б.

В транзисторе с каналом n - типа основными носителями заряда в канале являются электроны, которые движутся вдоль канала от истока с низким потенциалом к стоку с более высоким потенциалом образуя ток стока . Между затвором и истоком приложено напряжение, запирающее p – n переход, образованный n - областью канала и p - областью затвора. Таким образом, в полевом транзисторе с каналом n - типа полярности приложенных напряжений следующие: .

В транзисторе с каналом p - типа основными носителями заряда в канале являются дырки, которые движутся в направлении понижения потенциала, поэтому , а .

а) б)

Рис.6. Структурная схема (а) и схема включения (б) полевого транзистора с каналом n-типа и затвором в виде p – n перехода:1 - ввод истока; 2 - затвор; З - канал; 4 - вывод затвора; 5 - вывод стока

Б). Полевой транзистор с изолированным затвором - это полевой транзистор, затвор которого отделён в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика. В кристалле полупроводника с относительно высоким удельным сопротивлением, который называют подложкой, созданы две сильнолегированные области с противоположным относительно подложки типом проводимости. На эти области нанесены металлические электроды — исток и сток. Расстояние между сильно легированными областями истока и стока может быть меньше микрона. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем (порядка 0,1 мкм) диэлектрика. Так как исходным полупроводником для полевых транзисторов обычно является кремний, то в качестве диэлектрика используется слой двуокиси кремния SiO₂, выращенный на поверхности кристалла кремния путём высокотемпературного окисления. На слой диэлектрика нанесён металлический электрод — затвор. Получается структура, состоящая из металла, диэлектрика и полупроводника. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором часто называют МДП (МОП) -транзисторами.

Полевой транзистор можно включать по одной из трех основных схем: с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ) (рис. 7).

Рис.7 – Схемы включения полевого транзистора: а) ОИ; б) ОЗ; в) ОС

На практике чаще всего применяется схема с ОИ, аналогичная схеме на биполярном транзисторе с ОЭ.

Условно- графические обозначения полевых транзисторов приведены на рисунке:

1. Полевой транзистор с управляющим p-n переходом

2. Полевой МДП (МОП) транзистор с изолированным затвором

Тиристор

–полупроводниковое устройство, обладающее тремя и более р-n переходами. Используется в электрических схемах в качестве ключа.

Тиристор – это четырехслойный полупроводниковый прибор, обладающий двумя устойчивыми состояниями: состоянием низкой проводимости (тиристор закрыт) и состоянием высокой проводимости (тиристор открыт). Перевод тиристора из закрытого состояния в открытое осуществляется под внешним воздействием электрического напряжения или тока на прибор.

Основными типами являются диодные (двухэлектродные) и триодные (трехэлектродные) тиристоры.

1 .В диодном тиристоре (динисторе), структура которого изображена на рис.8, а, переход прибора из закрытого состояния в открытое производится, когда напряжение между анодом и катодом достигает некоторой величины, являющейся номинальным параметром прибора - напряжением переключения .

а) б)

Рис.8. Диодный тиристор (динистор): а) структура; б) вольт - амперная характеристика

2. Триодным тиристором называется управляемый трехэлектродный переключатель, в котором переключение четырехслойной p ₁ – n ₁ – p ₂ – n ₂ – структуры в проводящее состояние (рис.9, а) производится подключением на один из слоев структуры (p ₂) напряжения управления. Таким образом, обеспечивается увеличение тока через переход n ₃ на величину .

а) б)

Рис.9. Триодный тиристор: а) структура, вольт - амперная характеристика; б) конструкция

3. Симметричные тиристоры (симисторы) позволяют управлять переключением цепи переменного тока в течение как положительного, так и отрицательного полупериодов приложенного переменного напряжения. На рис.10, а показано условное обозначение прибора в схемах и его вольт - амперная характеристика.

а) б)

Рис.10. Симметричный тиристор (симистор)

Выпрямитель

- статическое устройство, служащее для преобразования переменного тока источника электроэнергии в постоянный.

Выпрямитель состоит из трансформатора, вентильной группы и сглаживающего фильтра (рис. 11). Трансформатор Тр выполняет несколько функций: изменяет напряжение сети Uвх до значения U1 необходимого для выпрямления, электрически отделяет нагрузку Н от сети, преобразует число фаз переменного тока.

Вентильная группа ВГ преобразует переменный ток в пульсирующий однонаправленный. Сглаживающий фильтр СФ уменьшает пульсации выпрямленного напряжения (тока) до значения, допустимого для работы нагрузки. Трансформатор Тр и сглаживающий фильтр СФ не являются обязательными элементами схемы выпрямителя.

Рис. 11. Структурная схема выпрямителя

Основными параметрами, характеризующими качество работы выпрямителя, являются:

· средние значения выпрямленного (выходного) напряжения Uср и тока Iср,

· частота пульсаций fп выходного напряжения (тока),

· коэффициент пульсаций р, равный отношению амплитуды напряжения пульсаций к среднему значению выходного напряжения.

· внешняя характеристика - зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от среднего значения выпрямленного тока,

· к. п. д. η = Pполезн / Pпотр = Pполезн / (полезн + Ртр + Рвг + Рф), где Ртр, Рвг, Рф - мощность потерь в трансформаторе, в вентильной группе и сглаживающем фильтре.

Работа выпрямителя (вентильной группы) основана на свойствах вентилей - нелинейных двухполюсников, пропускающих ток в одном (прямом) направлении.

В качестве вентилей используют обычно полупроводниковые диоды. Вентиль, обладающий нулевым сопротивлением для прямого тока и имеющий бесконечно большое сопротивление для обратного тока, называют идеальным.

Схемы выпрямления

Самые распространенные схемы выпрямления и формы выходного напряжения при работе на активную нагрузку. В качестве вентилей везде изображены полупроводниковые диоды.