Полупроводниковый "плоскостной" диод представляет собой тонкую (менее 0,1мм) монокристаллическую пластинку германия Ge или кремния Si, содержащую два слоя, один из которых имеет дырочную (р-типа), а второй – электронную (n – типа) проводимость, как показано на рис.1. Эти два слоя разделены плоской и резкой границей, по обе стороны которой спонтанно формируется область шириной , практически не содержащая носителей тока – дырок в р-слое и свободных электронов в n-слое.
Проводимость ее очень мала. Она называется р-n-переходом (или электронно-дырочным переходом) и является основным элементом полупроводникового диода. В кристалл четырехвалентного Ge (либо Si) вводят примесные атомы: акцепторы (трехвалентный индий, бор) для получения р-слоя, доноры (пятивалентный мышьяк, фосфор или сурьма) для получения n-слоя. Концентрация примеси мала (порядка 10-5 – 10-7%).
Ее атомы размещаются в узлах кристалла достаточно далеко друг от друга, чтобы, не испытывая взаимного влияния, иметь один общий энергетический примесный уровень. Примесные уровни находятся в "запрещенной зоне" полупроводника на "расстоянии" либо от "потолка" валентной зоны В.З. в р-слое (акцепторный уровень), либо от "дна" зоны проводимости З.П. в n-слое (донорный уровень).
В каждом слое вблизи примесного уровня расположен "уровень Ферми". Энергия активации примеси Ширина запрещенной зоны . Полупроводниковые диоды подразделяются по многим признакам. Прежде всего следует различать точечные, плоскостные и поликристаллические диоды. У точечных диодов линейные размеры, определяющие площадь p-n перехода, такого же порядка как толщина
перехода, или меньше ее. У плоскостных диодов эти размеры значительно больше толщины перехода. Точечные диоды имеют малую емкость p-n перехода и поэтому применяются на любых частотах вплоть до СВЧ. Но они могут пропускать токи не более единиц или нескольких десятков миллиампер. Плоскостные диоды в зависимости от площади перехода обладают емкостью в десятки пикофарад и более. Поэтому их применяют на частотах не более десятков килогерц. Допустимый ток в плоскостных диодах бывает от десятков миллиампер до сотен ампер и больше. Основой точечных и плоскостных диодов являются пластинки полупроводника, вырезанные из монокристалла, имеющего во всем своем объеме правильное кристаллическое строение. В качестве полупроводниковых веществ для точечных и плоскостных диодов применяют чаще всего германий и кремний, а в последнее время также и арсенид галлия и карбид кремния.
Поликристаллические диоды имеют p-n переход, образованный полупроводниковыми слоями, состоящими из большого количества кристаллов малого размера, различно ориентированных друг относительно друга и поэтому не представляющих собой единого монокристалла. Эти диоды бывают селеновыми, меднозакисные (купроксные) и титановые. Принцип устройства точечного диода показан на рисунке 3(а). В нем тонкая заостренная проволочка (игла) с нанесенной на нее примесью приваривается при помощи импульса
тока к пластинке полупроводника с определенным типом электропроводности. При этом из иглы в основной полупроводник диффундируют примеси которые создают в нем область с другим типом проводимости. Это процесс наз. формовкой диода. Таким образом, около иглы получается мини p-n переход полусферической формы. Следовательно, принципиальной разницы между точечными и плоскостными диодами нет.
В последнее время появились еще так называемые микро плоскостные или микросплавные диоды, которые имеют несколько больший по плоскости p-n переход, чем точечные диоды(б). Плоскостные диоды изготавливаются, главным образом, методами сплавления диффузии. Для примера на рисунке 4.а) показан принцип устройства сплавного германиевого диода. В пластинку германия n-типа вплавляют при температуре около 500 градусов каплю индия, которая сплавляясь с германием, образует слой германия p-типа. Область с электропроводностью p-типа имеет более высокую концентрацию примеси, нежели основная пластинка сравнительно высокоомного германия, и поэтому является эмитером. К основной пластинке германия и к индию припаиваются выводные проволочки, обычно из никеля. Если за исходный материал взят высокоомный германий p-типа, то в него вплавляют сурьму и тогда получается эмитерная область n-типа. Следует отметить, что сплавным методом получают так называемые резкие или
ступенчатые p-n переходы, в которых толщина области изменения концентраци примесей значительно меньше толщины области объёмных зарядов, существующих в переходе. Типы диодов. По назначению полупроводниковые диоды подразделяются на выпрямительные диоды малой, средней и большой мощности, импульсные диоды и полупроводниковые стабилитроны. Выпрямительные диоды малой мощности. К ним относятся диоды, поставляемые промышленностью на прямой
ток до 300мА. Справочным параметром выпрямительных диодов малой мощности является допустимый выпрямительный ток (допустимой среднее значение прямого тока), который определяет в заданном диапазоне температур допустимое среднее за период значение длительно протекающих через диод импульсов прямого тока синусоидальной формы при паузах в 180 (полупериод) и частоте 50 Гц. Максимальное обратное напряжения этих диодов лежит в диапазоне от десятков до 1200В. Выпрямительные диоды средней мощности.
К этому типу относятся диоды, допустимое среднее значение прямого тока которых лежит в пределах 300мА-10мА. Большой прямой ток этих по сравнению с маломощными диодами достигается увеличением размеров кристалла, в частности рабочей площади p-n перехода. Диоды средней мощности выпускаются преимущественно кремниевыми. В связи с этим обратный ток этих диодов при сравнительно большой плоскости p-n перехода достаточно мал(несколько десятков микроампер). Теплота, выделяемая в кристалле от протекания прямого и обратного токов в диодах средней мощности, уже не может быть рассеяна корпусом прибора. Мощные (силовые) диоды. К данному типа относятся диоды на токи от 10А и выше. Промышленность выпускает силовые диоды на токи 10,16,25,40 и т.д. и обратные напряжения до3500 В. Силовые диоды имеют градацию по частоте охватывают частотный диапазон до десятков килогерц. Мощные диоды изготовляют преимущественно из кремния.
Кремниевая пластинка с p-n переходом, создаваемым диффузным методом, для таких диодов представляет собой диск диаметром 10-100мм и толщиной 0,3-0,6 мм. Транзистор, принцип действия, схема включения. Транзистор, или полупроводниковый триод, являясь управляемым элементом, нашел широкое применение в схемах усиления, а также в импульсных схемах. Отсутствие накала, малые габариты и стоимость, высокая надежность- таковы преимущества, благодаря которым
транзистор вытеснил из большинства областей техники электронный лампы. Биполярный транзистор представляет собой трехслойную полупроводниковую структуру с чередующимися типом электропроводности слоев и содержит два p-n перехода. В зависимости от чередования слоев существуют транзисторы типов p-n-p и n-p-n (рисунок ниже). Их условное обозначение на электронных схемах показано на том же рисунки.
В качестве исходного материала для получения трехслойной структуры используют германий и кремний. a. b. c. Рис. 5. 1. 2. 3. 4. Рис. 6. a. Вследствие односторонней проводимости полупроводникового диода ток в нагрузочном сопротивлении R (рис. 5(а)) протекает только в те полупериоды, когда р-n переход работает в пропускном направлении. В другие полупериоды есть только очень слабый ток неосновных носителей (рис. 6(2)). b. На рис. 5 (б) показана схема двухполупериодного выпрямителя. В каждый момент времени работает только один полупроводниковый диод, а именно тот, напряжение на котором соответствует пропускному направлению (рис. 6(3)). c. В схему на рис. 5 (в) включен сглаживающий фильтр, представляющий собой конденсатор емкостью С, включенный параллельно нагрузке R. Подбором С и R добиваются наилучшего выпрямления тока. Примерный график i(t) для схемы с фильтром приведен на рис.
6(4). Анисимов М.М. Физическая электроника часть 2 Предисловие глава 1 глава 2 глава 3 глава 4 глава 5 глава 6 глава 7 Литература 7. ВЫПРЯМИТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Выпрямителем называется устройство для преобразования напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока. Выпрямители используются для питания различных электронных устройств: усилителей низкой частоты, магнитофонов, телевизоров, радиоприемных устройств, устройств
промышленной электроники и т.д. Существует несколько схем выпрямителей. Однофазный однополупериодный выпрямитель (рис 7.1). В данной схеме используется полупроводниковый диод VD, обладающий нелинейной вольтамперной характеристикой (чаще всего кремниевый). Под действием синусоидального напряжения генератора в цепи нелинейного элемента возникает ток, приобретающий
форму последовательности импульсов, т.к. ток в цепи диода существует только в течение положительных полуволн входного напряжения (из-за односторонней проводимости диода). Диаграмма работы однополупериодного выпрямителя показана на рис.7.2. Полученную последовательность импульсов тока, как и любой периодический несинусоидальный сигнал можно представить в виде постоянно составляющей I0 и периодических (гармонических) составляющих с частотами,
кратными частоте приложенного напряжения U. C помощью разложения периодической функции в ряд Фурье, получаем: (7.1) где I0 – постоянная составляющая тока, I1m-амплитуда 1-й гармоники тока, I2m Inm-амплитуды токов высших гармоник. Разложение несинусоидального сигнала показано на рис.7.3, где Рис. 7.3 Разложение несинусоидального сигнала. 0-постоянная составляющая; 1-1-я гармоника тока; 2,3-высшие гармоники тока. Амплитуды высших гармоник, как правило, уменьшаются с ростом их номера. Для представления периодической последовательности импульсов можно наряду с временной диаграммой использовать и спектральную, которая позволяет наглядно сравнивать значения постоянной составляющей и амплитуд с частотой первой и высших гармоник. На рис.7.4a,б показаны спектры входного напряжения и тока, протекающего через диод. Среднее за период значение выпрямленного тока, т.е. постоянная составляющая
I0 определяется соотношением: (7.2) где Ri-внутреннее сопротивление генератора; Rн – сопротивление нагрузки; Im-амплитуда импульса тока. Поэтому постоянное напряжение U0 на нагрузке Rн определяется выражением: (7.3) Важным параметром выпрямителя является коэффициент пульсаций Кп; где U1m – амплитуда первой гармоники напряжений;
U0 -постоянная составляющая напряжений. Т.к. для однополупериодной схемы амплитуда 1-й гармоники имеет значительную величину . Выпрямленное напряжение с такими значительными пульсациями, как правило, не пригодно для практических целей. Для уменьшения коэффициента пульсации используется двухполупериодные схемы выпрямителей. 2.Однофазный двухполупериодный выпрямитель. Подобный выпрямитель состоит из трансформатора, вторичная обмотка которого состоит из 2-х частей и 2-х
полупроводниковых диодов (рис.7.5). Наличие средней точки трансформатора приводит к тому, что напряжение на каждой половине вторичной обмотки w1 и w2 будет приложено к каждому из диодов VD1 и VD2. В течение положительного, для половины обмотки w1, полупериода диод VD1 открывается и возникает ток в цепи этого диода, протекающий через нагрузку. В течение отрицательного полупериода диод VD1 закрыт, и открывается диод VD2. В этом случае также возникает импульс тока через нагрузку. Таким образом, в цепи нагрузки ток протекает в течение обоих половин полупериода. Вследствие этого частота пульсаций тока в цепи нагрузки становится вдвое больше, чем частота синусоидального напряжения, приложенного к выпрямителю. Полученную последовательность импульсов можно представить в виде суммы постоянной составляющей I0 и суммы переменных составляющих с частотами, кратными удвоенному
значению частоты выпрямленного напряжения: Постоянная составляющая тока нагрузки I0 вдвое больше, чем при однополупериодном выпрямлении а постоянная составляющая напряжения на нагрузке U0 равна Kоэффициент пульсаций в двухполупериодной схеме значительно меньше, чем в однополупериодной (Кп=0,67). Недостатком подобной схемы выпрямителя является увеличенное число витков вторичной обмотки. 3. Мостовая схема выпрямителя (рис.7.7). В течение положительной полуволны входного напряжения открываются
диоды VD1 и VD3, и в цепи нагрузки возникает импульс тока. Отрицательная волна напряжения открывает диоды VD2 и VD4, что также приводит к протеканию импульса тока через нагрузку. Мостовая схема имеет характеристики, аналогичные предыдущей схеме. Достоинством мостовой схемы является меньшее число витков вторичной обмотки, чем в предыдущей схеме.
В настоящее время в схемах выпрямителя наиболее часто используют не отдельные диоды, а диодные сборки (КЦ 402, КД 405 и т.д.), состоящие из 4-х диодов, образующих мостовую схему. Сглаживающие фильтры. Для сглаживания (уменьшения) пульсаций выпрямленного напряжения применяют сглаживающие фильтры. В качестве подобных фильтров используются фильтры нижних частот, имеющие следующую частотную характеристику (рис.7.8); где К-коэффициент передачи фильтра; fc-частота среза. Подобная характеристика фильтра позволяет выделить постоянную составляющую из сложного спектра тока, протекающего через нелинейный элемент (диод). Существует несколько типов фильтров низших частот. 1. Емкостный фильтр (конденсатор) включается параллельно нагрузке. Для удовлетворительной работы фильтра необходимо, чтобы емкостное сопротивление фильтра Хс для основной (первой) гармоники было меньше сопротивления нагрузки (рис.7.9). (7.4) 2.
Индуктивный фильтр включается последовательно с сопротивлением нагрузки (рис.7.10). Для удовлетворительного сглаживания необходимо выполнить условие: (7.5) Эффективность использования такого фильтра (только индуктивности) очень низка, особенно в однополупериодной схеме, т.к. постоянная составляющая там очень мала. Поэтому индуктивность используется, как правило, в составе более сложных
Г-образных (рис.7.11а) и П-образных (рис.7.11б) фильтров. Подобные фильтры обеспечивают высокий коэффициент сглаживания , где Кnвх – коэффициент пульсаций на входе фильтра. Knвых -коэффициент пульсаций на выходе фильтра. Различие спектров тока однополупериодного и двухполупериодного выпрямителей (вдвое большая частота первой гармоники) и величина постоянной составляющей позволяют при использовании для них одинаковых
фильтров получать значительно меньший коэффициент пульсации при двухполупериодном выпрямлении. d.