В электронных системах управления исключительную роль играют полупроводниковые приборы. За последние три десятилетия они полностью вытеснили электровакуумные приборы. В любом полупроводниковом приборе имеется один или несколько электронно-дырочных переходов.
Электронно-дырочный переход (или n–p-переход) – это граница соприкосновения двух полупроводников с разными типами проводимости (рис. 1.1).
В полупроводнике n-типа основными носителями свободного заряда являются электроны, их концентрация значительно превышает концентрацию дырок (nn >> np). В полупроводнике p-типа основными носителями являются дырки (np >> nn). При контакте двух полупроводников n- и p-типов начинается процесс диффузии: дырки из p-области переходят в n-область, а электроны, наоборот, из n-области в p-область. В результате в n-области вблизи зоны контакта уменьшается концентрация электронов и возникает положительно заряженный слой. В p-области уменьшается концентрация дырок и возникает отрицательно заряженный слой. Таким образом, на границе полупроводников образуется двойной электрический слой, электрическое поле которого препятствует процессу диффузии электронов и дырок навстречу друг другу.
Запирающий слой – это пограничная область раздела полупроводников с разными типами проводимости, который достигает толщины порядка десятков и сотен межатомных расстояний. Объемные заряды этого слоя создают между p- и n-областями запирающее напряжение Uз, приблизительно равное 0,35 В для германиевых n–p-переходов и 0,6 В для кремниевых. Переход n–p обладает свойством односторонней проводимости.
Если полупроводник с n–p-переходом подключен к источнику тока так, что положительный полюс источника соединен с n-областью, а отрицательный – с p-областью, то напряженность поля в запирающем слое возрастает. Дырки в p-области и электроны в n-области будут смещаться от n–p-перехода, увеличивая тем самым концентрации неосновных носителей в запирающем слое. Ток через n–p-переход практически не идет. Напряжение, поданное на n–p-переход в этом случае называют обратным. Весьма незначительный обратный ток обусловлен только собственной проводимостью полупроводниковых материалов, то есть наличием небольшой концентрации свободных электронов в p-области и дырок в n-области.
Если n–p-переход соединить с источником так, чтобы положительный полюс источника был соединен с p-областью, а отрицательный с n-областью, то напряженность электрического поля в запирающем слое будет уменьшаться, что облегчает переход основных носителей через контактный слой. Дырки из p-области и электроны из n-области, двигаясь навстречу друг другу, будут пересекать n–p-переход, создавая ток в прямом направлении. Сила тока через n–p-переход в этом случае будет возрастать при увеличении напряжения источника.
Полупроводниковый диод. Способность n–p-перехода пропускать ток практически только в одном направлении используется в приборах, которые называются полупроводниковыми диодами.
Полупроводниковыми диодами называются полупроводниковые приборы с одним n–p-переходом.
Полупроводниковые диоды изготавливаются из кристаллов кремния или германия. При их изготовлении в кристалл c каким-либо типом проводимости вплавляют примесь, обеспечивающую другой тип проводимости.
Типичная вольтамперная характеристика кремниевого диода приведена на рис. 1.2.
Полупроводниковые диоды обладают многими преимуществами по сравнению с вакуумными диодами – малые размеры, длительный срок службы, механическая прочность. Существенным недостатком полупроводниковых диодов является зависимость их параметров от температуры. Кремниевые диоды, например, могут удовлетворительно работать только в диапазоне температур от –70 °C до 80 °C. У германиевых диодов диапазон рабочих температур несколько шире.
Полупроводниковые диоды используются в выпрямителях для преобразования переменного тока в постоянный.
Каждый диод имеет пороговое напряжение. Когда диод проводит ток, напряжение на диоде падает. Уровень порогового напряжения зависит от материала, из которого изготовлен диод. Для германия — 0.3 V, кремния — 0.7 V.
Рассеивание мощности на диоде вычисляется путем умножения порогового напряжения на прямой ток.
Pдиод = Uпорог. x I
Различают также светодиоды — особый диод, который излучает свет. Пороговое напряжение светодиода зависит от цвета и составляет приблизительно: Красный = 1.6 V Желтый = 2 V Синий = 4 V.
Классификация и система обозначений полупроводниковых диодов. Система условных обозначений современных типов диодов установлена отраслевым стандартом ГОСТ 11 336.919-81. В основу системы обозначений положен буквенно-цифровой код.
Первый элемент обозначает исходный полупроводниковый материал, из которого изготовлен диод. Используются буквы или цифры:
Г или 1 – германий или его соединения;
К или 2 – кремний или его соединения;
А или 3 – соединения галлия;
И или 4 – соединений индия.
Второй элемент – буква, определяющая подкласс (или группу) прибора.
Третий элемент – цифра, определяющая функциональные возможности диода.
Четвертый элемент – число, обозначающее порядковый номер разработки диода.
Пятый элемент – буква, условно определяющая классификацию диодов по параметрам.
Дополнительно можно посмотреть фильмы 1.1 и 1.2.
Транзистор. Транзисторами – называются полупроводниковые приборы, которые предназначены для усиления и генерирования электрического сигнала. Подразделяются на 3 группы биполярные, полевые и комбинированные.
Биполярные транзисторы образуют группу с двумя n–p-переходами.
Обычно для создания транзисторов используют германий и кремний. Биполярные транзисторы бывают двух типов по проводимости: p–n–p-транзисторы и n–p–n-транзисторы.
1. Транзисторы (рис. 1.3). p–n–p-типа представляет собой небольшую пластинку с донорной примесью, то есть из полупроводника n-типа. В этой пластинке создаются две области с акцепторной примесью, то есть области с дырочной проводимостью.
Пластинку транзистора называют базой (Б), одну из областей с противоположным типом проводимости – коллектором (К), а вторую – эмиттером (Э). Обычно объем коллектора превышает объем эмиттера. В условных обозначениях разных структур стрелка эмиттера показывает направление тока через транзистор.
2. Транзисторы (рис. 1.4) n–p–n-типа в основе имеют пластинку с проводимостью p-типа, а созданные на ней две области – проводимостью n-типа.
Оба n–p-перехода транзистора соединяются с двумя источниками тока. Переход «эмиттер–база» включается в прямом (пропускном) направлении (цепь эмиттера), а переход «коллектор–база» – в запирающем направлении (цепь коллектора).
Пока цепь эмиттера разомкнута, ток в цепи коллектора очень мал, так как для основных носителей свободного заряда – электронов в базе и дырок в коллекторе – переход заперт.
При замыкании цепи эмиттера дырки – основные носители заряда в эмиттере – переходят из него в базу, создавая в этой цепи ток эмиттера Iэ. Но для дырок, попавших в базу из эмиттера, n–p-переход в цепи коллектора открыт. Большая часть дырок захватывается полем этого перехода и проникает в коллектор, создавая ток коллектора Iк. Для того, чтобы ток коллектора был практически равен току эмиттера, базу транзистора делают в виде очень тонкого слоя. При изменении тока в цепи эмиттера изменяется сила тока и в цепи коллектора.
Тиристор. Тири́стор — полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристалла полупроводника с тремя или более p-n-переходами и имеющий два устойчивых состояния. Тиристоры подразделяются на 2 группы: триодные тиристоры (тринисторы и семисторы) и диодные тиристоры (динисторы и оптототиристоры). Широкое распространение получили тринисторы. В отличие от диода, который является двухслойным (PN) трехслойного транзистора (PNP, NPN), тиристор состоит из четырех слоев (PNPN) и этот полупроводниковый прибор содержит три p-n перехода. Тринистор – это однонаправленный преобразователь переменного тока, то есть он проводит ток только в одном направлении, но в отличие от диода, устройство может быть сделано для работы в качестве коммутатора разомкнутой цепи. Другими словами, полупроводниковые тиристоры могут работать только в режиме коммутации.
Назначение тиристоров может быть самое различное, например, очень популярен самодельный сварочный инвертор на тиристорах, зарядное устройство для автомобиля (тиристор в блоке питания) и даже генератор. Из-за того, что сам по себе прибор может пропускать как низкочастотные, так и высокочастотные нагрузки, его также можно использовать для трансформатора для сварочных аппаратов (на их мосте используются именно такие детали). Для контроля работы детали в таком случае необходим регулятор напряжения на тиристоре.
Семистор – это двунаправленный тринистор, то есть он проводит ток только в обоих направлениях. Широко используется во всех электроинструментах с плавным пуском и регулировкой мощности, используется для управления двигателями на электрическом транспорте. Однако обладает высоким уровнем электрического шума и в последнее время заменяется комбинированными транзисторами (биполярными транзисторами с изолированным затвором).
Дополнительно можно посмотреть фильм 1.3.