ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Полупроводниковые аппараты Основные характеристики полупроводниковых приборов и их использование в тепловозных аппаратах из "Бесконтактные электрические аппараты тепловозов " Принцип действия полупроводниковых приборов. Полупроводниками называются материалы, занимающие по электрическим свойствам промежуточное положение между проводниками и изоляторами. Полупроводники составляют основу современной электроники и получили широкое применение в автоматике, вычислительной технике, радиотехнике, подвижном составе и т. д. Из полупроводниковых материалов главным образом кремний и германий используются для изготовления полупроводниковых приборов. [c.5] В обычных условиях полупроводниковые материалы, имеющие кристаллическое строение, характеризуются закономерным и упорядоченным расположением атомов в так называемой кристаллической решетке. Связь между атомами в решетке образуется внешними (валентными) электронами, которые взаимодействуют не только с ядром своего атома, но и с ядрами соседних атомов. [c.5] Электропроводность в полупроводниковых материалах может возникнуть при нагревании их и воздействии лучей света. Это объясняется искажением кристаллической решетки атома и отрывом от нее слабо связанных электронов. Такого рода электропроводность полупроводников в обычных условиях в миллионы раз меньше электропроводности металлов. [c.5] Полупроводники в определенных условиях приобретают электропроводность, не уступающую электропроводности металлов. Такие условия создаются, если в кристалл чистого полупроводника вводится примесь с определенной электронной структурой. При введении в материал полупроводника примесей (сурьма, фосфор и т. д.), в атомах которых электронов содержится больше, чем в атомах полупроводника, в нем увеличивается число свободных электронов. Так как электроны — это основные носители электричества, то полупроводник приобретает проводимость, называемую электронной проводимостью, или проводимостью типа п (от первой буквы слова negative — отрицательный). В этом случае полупроводники называются отрицательными, или полупроводниками типа п. [c.5] Количество дырок в полупроводнике увеличивается, если в него ввести примеси (индий и др.), в атомах которых меньше электронов, чем в атомах полупроводника. При этом дырки будут основными носителями электричества, а электроны — неосновными. Полупроводник приобретает дырочную проводимость, или проводимость типа р, и называется положительным, или полупроводником типа р (от первой буквы слова positive — положительный). [c.6] При соединении двух пластинок кремния или германия с различным типом проводимости на границе их раздела у каждой пластины образуется слой противоположно заряженных ионов, которые в граничных слоях (электронно-дырочном переходе, или р—п-переходе) создают электрическое поле с разностью потенциалов С/ пер. Это поле представляет собой повышенное сопротивление (или потенциальный барьер) для основных носителей электричества. Толщина электронно-дырочного перехода составляет доли микрона и колеблется в зависимости от изменения внешних и внутренних факторов (наличие внешнего электрического поля, света, температуры, количества примесей и т. д.). [c.6] Два полупроводника, образующих электронно-дырочный переход, резко проявляют свои свойства при подключении к источнику тока. Подадим плюс на полупроводник с проводимостью типа п и минус — на полупроводник с проводимостью типа р (рис. 1,а). При этом из отрицательного полупроводника электроны уйдут на положительный полюс, а из положительного — дырки на отрицательный полюс, значительно возрастает ширина р—fi-перехода, а значит, и его сопротивление. Приложенное к переходу сз ммарное напряжение внешнего источника /внИ внутреннего потенциала i/перпре-пятствует движению основных носителей электричества. В результате ток /обр, протекающий в цепи, будет мал. Напрял ение и ток, соответствующие подключению полупроводника по такой, схеме [п — плюс, р — минус), называют обратным напряжением и обратным током. [c.6] Таким образом, система из двух полупроводников с проводимостью разного типа, образующая р—п-переход, обладает односторонней проводимостью и используется для вентильного управления электрическими цепями. [c.7] Каждый из этих полупроводниковых приборов подразделяется на большое количество типов, классов и групп в зависимости от конструктивного выполнения, мощности, габарита, диапазона рабочих частот и других основных параметров. [c.7] Для эксплуатации важны также перегрузочная способность и температурный режим диодов. Основные параметры диода (вентиля) указываются в его паспорте нли могут быть установлены из его вольт-амперной характеристики (рис. 2), представляющей собой график нелинейной зависимости тока, проходящего через прибор, от приложенного к нему напряжения при установившемся режиме и определенной температуре. Характеристика состоит из двух ветвей проводящего направления (справа от осп ординат) и непроводящего (слева от оси ординат). [c.8] Для большей наглядности масштабы обеих ветвей различны (прямой ток в амперах, а обратный в миллиамперах прямое падение напряжения в долях вольта, а обратное напряжение в вольтах). [c.8] Величина падения прямого напряжения Д[/пр зависит от типа диода, качества полупроводника и т. д. Значение этого параметра при поминальном прямом токе составляет для германиевых диодов 0,16—0,31 в и для кремниевых 0,4—0,75 в. В зависимости от величины Лi/пp при /ном диоды подразделяются на ряд групп, обозначаемых для германиевых и кремниевых диодов буквами русского алфавита (А, Б и т. д.). [c.9] Значение прямого тока /пр может изменяться в широких пределах в зависимости от условий охлаждения. Мощность на вентиле в прямом направлении, определяемая приближенно по формуле АЯ = /прЛ6 пр, должна быть рассеяна в виде тепла в окружающую среду. Для каждого типа диода устанавливается допустимый номинальный ток длительного режима, которому должно строго соответствовать наличие определенного охлаждения и теплоотводящих радиаторов. Превышение установленного /ном при соответствующем охлаждении приводит к перегрузке диода. Чем выше превышение /пр над / ном, тем меньшее время допустима работа диода в таком режиме. Например, для вентиля ВК-200 полуторакратная перегрузка допустима в течение 3 сек, двукратная — 0,8 сек, трехкратная — 0,2 сек. [c.9] Для предотвращения выхода вентилей из строя из-за перегрузки и теплового пробоя в выпрямительных схемах предусматривается их защита автоматическими выключателями, предохранителями и т. д. Защитные устройства выбираются таким образом, чтобы они отключали преобразовательную установку или ее элементы до выхода вентилей из строя. [c.9] В реальных условиях выход из строя полупроводникового диода произойдет не только при превышении /ном в прямом направлении, но также и при превышении некоторого максимального значения 7проб в обратном направлении. Для каждого диода установлено определенное номинальное обратное напряжение /обр. ном и соответствующий ему максимальный обратный ток, при которых он может работать длительное время без опасности пробоя. Обычно и обр. ном составляет около половины пробивного напряжения и проб (коэффициент запаса равен 2). [c.9] Основные параметры полупроводниковых диодов (вентилей) специального назначения. Лавинные диоды. Вольт-амперные характеристики этих диодов примерно такие же, как и характеристики простых диодов. Лавинные диоды при превышении пробивного напряжения i/проб не теряют своих вентильных свойств. Объясняется это тем, что обратный ток распределяется равномерно по поверхности электронно-дырочного перехода. В результате возникаюш,его при этом равномерного лавинного пробоя напряжение на диоде не падает, а электронно-дырочный переход может выделять энергию, примерно равную энергии, рассеиваемой при прохождении прямого тока. Следовательно, лавинные диоды способны выдерживать кратковременно обратное напряжение большой величины. [c.10] Применение лавинных вентилей в мощных силовых выпрямителях дает возможность уменьшить вероятность их отказов от перенапряжений без применения специальных средств защиты, а сами вентили выбирать с меньшим запасом по напряжению по сравнению с обычными вентилями на то же пробивное напряжение. [c.10] Симметричные диоды. Такой диод представляет собой два встречно включенных вентиля обычного типа, объединенных конструктивно в один прибор с одним общим слоем п-проводимости. Диод имеет три вывода два от крайних областей с р-проводимо-стью и один — от средней области с и-проводимостью. Применение симметричных вентилей позволяет изменять направление тока в электрических цепях без их переключения. [c.10] Опорные диоды (стабилитроны). Кремниевые вентили, для которых рабочим режимом является электрический пробой их электронно-дырочного перехода при обратном Напряжении i/крнт, могут выполнять функции опорных диодов или стабилитронов. В этом режиме прн изменении пропускаемого тока от / ин ДО /какс (рис. 3,а) напряжение на диоде практически не изменяется. Участок а—б вольт-амперной характеристики стабилитрона используется для стабилизации напряжения. Состояние пробоя не выводит диод из строя, если ток не превышает значения /ма-с. [c.10] Вернуться к основной статье