Полупроводниковые диоды

В пограничном слое двух полупроводников с различным характером электропроводности при одном направлении тока дырки и электроны движутся навстречу друг другу, и при их встрече происходит рекомбинация. В цепи, таким образом, протекает ток (рис. 12.4 а).

Если изменить направление тока на обратное (рис.12.4 б), то изменится и направление движения дырок и электронов. Носители зарядов при этом не приближаются к граничной поверхности полупроводников, а удаляются от нее.

а) б)

Рис. 12.4

В результате в пограничной области образуется слой, лишенный свободных носителей зарядов. Постоянный ток через этот слой проходить не может. В реальных условиях очень малый ток проходит через этот слой вследствие наличия в полупроводнике, наряду с примесной, некоторой собственной электропроводности. Однако сопротивление цепи в этом случае (рис. 12.4 б) во много раз больше, чем в предыдущем случае (рис. 12.4 а).

Электронно-дырочный, или p-n, переход представляет собой электрический переход между p и n зонами полупроводника. Электронный прибор с таким переходом называется полупроводниковым диодом. Он обладает односторонней проводимостью. Все полупроводниковые диоды по конструктивному исполнению делят на точечные и плоскостные. Точечный диод состоит из пластины германия или кремния с электропроводностью n-типа и вплавленной в нее стальной проволочкой (рис. 12.5 а). У точечного диоды линейные размеры p-n - перехода много меньше его толщины. Из-за малой площади контакта пря-

а) б)

Рис. 12.5

мой ток таких диодов, а также их межэлектродная емкость сравнительно малы, поэтому их используют в основном для выпрямления тока в слаботочных устройствах сверхвысокой частоты. Вольт–амперные характеристики точечных диодов приведены на рис. 12.5 б.

В плоскостных диодах p-n - переход образован двумя полупроводниками с различными токами электропроводности, причем линейные размеры перехода много больше его толщины. Площадь перехода колеблется в широких пределах: от долей мкм² до нескольких см², поэтому прямой ток плоскостных диодов составляет от единиц до тысяч ампер. Конструкция и вольт-амперные характеристики плоскостных диодов показаны на рис. 12.6 а, б.

а) б)

Рис.12.6

Основными параметрами диодов являются: прямой максимальный ток диода , прямое напряжение , максимально допустимое обратное напряжение , обратный ток диода .

Стабилитроны

Стабилитрон представляет собой специальный полупроводниковый диод, напряжение электрического пробоя которого очень слабо зависит от протекающего через него тока. Стабилитрон служит для стабилизации напряжения в различных электронных устройствах (например, блоках питания). Вольт-амперная характеристика стабилитрона приведена на рис. 12.7.

Из характеристики видно, что напряжение стабилизации слабо изменяется при достаточно больших изменениях тока стабилизации . Это свойство стабилитрона используют для получения стабильного напряжения в стабилизаторах напряжения.

Одним из основных параметров, учитываемых при выборе стабилитронов, является напряжение стабилизации (пробоя). В справочных данных указывается номинальное напряжение стабилизации для определенного тока. В настоящее время отечественной промышленностью серийно выпускаются стабилитроны с напряжением стабилизации в диапазоне 5…300 В и с допусками на разброс номинального напряжения 5, 10, 15 %. Наличие разброса ограничивает применение некоторых схем включения стабилитронов и приводит иногда к усложнению схем.

Напряжение стабилизации зависит также от температуры стабилитрона. Количественно эта зависимость выражается температурным коэффициентом напряжения , представляющим собой отношение изменения напряжения стабилизации к изменению температуры стабилитрона, приведенное к одному вольту, %/°C

, (12.1)

где и – напряжения стабилизации при температурах и .

Дополнительными характеристиками стабилитрона являются динамическое сопротивление на участке стабилизации , минимальный и максимальный ток стабилизации.

Параметры схем со стабилитронами выбираются так, чтобы длительный средний ток через них был меньше максимально допустимого Значение тока ограничено допустимой по тепловому режиму мощностью рассеяния и представляет собой отношение этой мощности к напряжению стабилизации. Кратковременно же стабилитрон способен выдерживать токи, значительно большие Значение температурного коэффициента возрастает с увеличением напряжения стабилизации. Поэтому в ряде случаев целесообразно заменить один высоковольтный стабилитрон цепочкой низковольтных, соединенных последовательно.

Конструктивно стабилитроны выполняются аналогично выпрямительным диодам.

Тиристоры

Тиристоры представляют собой кристаллическую структуру из четырех слоев чередующихся электронной и дырочной проводимостей (рис. 12.8) с тремя электродами: анодом А, катодом К и управляющим электродом УЭ, отходящими от слоев p₁, n₂ и n₁ соответственно (тиристор с N-управля-ющим электродом). Полупроводниковым материалом для изготовления тиристоров является кремний.

Напряжение питания тиристора является обратным напряжением для электронно-дырочного перехода П₂. Соответственно ток (при = 0) тиристора, представляющий собой обратный ток перехода П₂, является прямым током для переходов П₁ и П₃. Тиристор имеет релейную проходную характеристику (рис. 12.9).

Напряжение питания подается на тиристор таким образом, что переходы П₁ и П₃ открыты, а П₂ закрыт. Вследствие этого ток через тиристор не протекает. Если повышать напряжение , то ток тиристора будет незначительно увеличиваться, пока не достигнет определенного значения.

Рис. 12.8	Рис. 12.9

Происходит лавинообразный пробой внутреннего перехода, ток через тиристор резко возрастает, и тиристор открывается.

Напряжение включения может быть снижено, если в слой ввести дополнительные носители заряда от независимого источника энергии. В зависимости от тока управления можно получить семейство характеристик тиристора (рис. 12.9). Важными параметрами при выборе тиристора являются ток управления и максимальное обратное напряжение

Тиристоры маркируют буквами и цифрами, например, КУ202Н, 2У202Н, где К- или 2 – кремниевые; У-тиристоры; 202Н – обозначение параметров прибора (мощность, частота, напряжение, ток).

Иногда изготовляют тиристоры с симметричной ВАХ. Это достигается встречным соединением двух одинаковых четырехслойных структур или специальных пятислойных структур с четырьмя p-n-переходами. На рис. 12.10 показана структура симметричного тиристора (симистора), предназначенного для работы в цепях переменного тока. Симистор состоит из пяти слоев чередующихся электронной и дырочной

Рис. 12.10 проводимостей. Металлические слои М ( ) обеспечивают выключение одного из р-n переходов (П₃ или П₄) в зависимости от направления ЭДС ( ) источника питания. Поэтому при каждом из направлений основного (прямого) тока ( ) функционируют три перехода, как у обычного тиристора.

Возможность работы симистора в цепи переменного тока и управления переменным током является важной для практики его применения. Симистор может управляться и постоянным током.

Холлотроны

Холлотрон представляет собой магнитно-полупроводниковый прибор, действующий на основе гальваномагнитного эффекта возникновения ЭДС в кристалле проводника или полупроводника, находящемся в магнитном поле, при прохождении по нему электрического тока на основе эффекта Холла. По существу эффект возникновения ЭДС является особым случаем явления электромагнитной индукции. Электродвижущая сила Холла, как и в электромеханическом генераторе, возникает вследствие взаимодействия движущихся электронов с магнитным полем. Разница состоит лишь в том, что электроны проводника обмотки электромеханического генератора перемещаются относительно магнитного поля вместе с проводником за счет механической энергии, а электроны твердого тела, в котором возникает ЭДС Холла, перемещаются в его кристаллической решетке под воздействием электрической энергии.

В полупроводнике с электронной проводимостью в виде удлиненной пластинки прямоугольной формы при показанных на рис. 12.11 направлениях тока и магнитного поля , электроны отклоняются на боковую грань а и образуют на ней отрицательный заряд. Противоположная грань б заряжается положительно. Таким образом, ЭДС Холла обусловливается пространственно разделенными разноименными зарядами. Как и ЭДС электромеханического генератора , она определяется мгновенным значением магнитной индукции В, скоростью и геометрическими размерами полупроводника b в направлении ЭДС (длиной проводника обмотки генератора)

. (12.2)

Поскольку концентрация электронов в полупроводнике намного ниже, а подвижность выше, чем у проводников, то ЭДС в полупроводниках получается достаточной для технического использования гальваномагнитного эффекта Холла.

Холлотрон (рис. 12.12 а) состоит из магнитопровода 1 с обмоткой w возбуждения магнитного поля и полупроводникового элемента (пластины) 2прямоугольной формы (рис.12.12 б), расположенной в воздушном зазоре магнитопровода. Характеристики холлотронов определяются прежде всего свойствами и характеристиками полупроводниковых элементов, которые имеют четыре электрода. Токовые электроды 1 и 2 для создания равномерной плотности тока соприкасаются с пластиной по всей поверхности ее торцевых граней. Электроды Холла 3 и 4, наоборот, выполняются точечными, и располагают их на середине узких боковых граней.

Электродвижущая сила Холла зависит от размеров пластины, главным образом от ее толщины d. Уменьшение отношения длины пластины к ширине снижает ЭДС связи с усиливающимся влиянием токовых электродов, шунтирующих грани, между которыми возникает ЭДС. По мере снижения

а) б)

Рис. 12.12

уменьшается сопротивление пластины между токовыми электродами. Поэтому при сохранении поверхности пластины (условий теплоотдачи) может быть увеличен ток и соответственно ЭДС Холла. При неизменной мощности оптимальной в отношении значения ЭДС является квадратная пластина. При квадратной форме сопротивления и между токовыми электродами и между электродами Холла одинаковы. В целях снижения свойственной полупроводникам зависимости удельного сопротивления от магнитной индукции обычно используются пластины с соотношением = 2. Элементы Холла изготовляются в виде пластин, вырезанных из кристалла, или в виде пленок путем напыления полупроводникового вещества на изоляционную подложку, например, на тонкий слой слюды. На слюду обычно наклеивают и вырезанные из кристаллов пластины. Толщина пластин составляет несколько десятых долей миллиметра, а пленок – микроны. Однако подвижность электронов пленок значительно ниже подвижности электронов кристаллов.

Для изготовления холлотронов применяются следующие полупроводниковые вещества: антимонид (InSb) и арсенид (1пSb) индия, германий (Ge), теллурид (HgTe) и селенид (HgSe) ртути.

Основными количественными показателями полупроводниковых элементов холлотронов являются: коэффициент чувствительности по ЭДС и коэффициенты преобразования напряжения и мощности.