Полупроводниковые приборы

Лекция 2.

Цель лекции: рассмотреть вопросы: назначение и классификация; полупроводниковые диоды; транзисторы; тиристоры.

НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ

Полупроводниковыми приборами называются электронные уст­ройства, действие которых основано на электронных процессах в полупроводниках. В электронике полупроводниковые приборы используются для обработки электрических сигналов, а также для преобразования одних видов энергии в другие. Полупроводниковые приборы разделяют на дискретные и интегральные.

Дискретные полупроводниковые приборы, выполняемые в виде отдельных устройств, различают по назначению, принципу действия, типу используемого полупроводникового материала, конструкции и технологии, виду характеристик, областям применения. К основным классам таких дискретных приборов относят: электропреобразова­тельные приборы (диод, транзистор, тиристор и другие); оптоэлектронные приборы, преобразующие световые сигналы в электрические и наоборот (фоторезистор, фотодиод, фототранзистор, полупровод­никовый лазер, излучающий диод и т.д.); термоэлектрические, преоб­разующие тепловую энергию в электрическую и наоборот (термоэле­мент, термоэлектрический генератор, терморезистор и т.п.); магнито­электрические приборы (например, измерительный преобразователь на основе эффекта Холла); пьезоэлектрические и тензометрические приборы, реагирующие на изменение давления или механическое сме­щение и другие воздействия.

Интегральные полупроводниковые приборы являются активными элементами монолитных интегральных схем, которые строятся по обычным принципам схемотехники. Монолитные интегральные схемы состоят из интегральных диодов, транзисторов, резисторов, конденсаторов и соединений между ними. Элементы интегральных схем создаются в едином технологическом цикле на одном кристалле полупроводника. Если же пассивные элементы изготавливают отдель­но на диэлектрической подложке, а активные элементы устанавливают в схему в виде дискретных бескорпусных полупроводниковых при­боров, то интегральная схема называется гибридной.

Интегральные схемы классифицируют по областям использования (цифровые и аналоговые). Цифровые включают в себя логические, счетно-преобразовательные и интегральные схемы памяти. Аналого­вые интегральные схемы охватывают приборы усиления, источники вторичного питания, сверхвысокочастотные схемы.

В зависимости от применяемого полупроводникового материала различают германиевые, кремниевые, арсенид-галлиевые и другие приборы. Первые полупроводниковые приборы были изготовлены на основе селена Se и закиси меди Сu₂0Это были простейшие приборы — выпрямительные диоды. С изобретением транзистора (1949 г.) широкое распространение получил германий Ge, который, начиная с 90-х годов, почти полностью вытеснен кремнием Si. Приобретают важное значение, особенно в оптоэлектронике, раз­личные двойные, тройные и более сложные соединения (GaAs, СаР, CdS, SiP и др.), обладающие полупроводниковыми свойст­вами.

По конструктивным и технологическим признакам полупровод­никовые приборы разделяют на точечные и плоскостные. Послед­ние в свою очередь делятся на сплавные, диффузионные, мезапланарные, планарные и др. Основой технологии большей части полупроводниковых приборов является планарная технология, включающая в себя процессы: защиты поверхности полупроводника тонкой пленкой диэлектрика, чаще всего окиси кремния SiO₂; фотолитографии; диффузии примесей и ионного легирования; на­несения тонких металлических пленок. Полупроводниковые при­боры выпускают в металлокерамических или пластмассовых кор­пусах, защищающих приборы от внешнего воздействия. Исключе­ниями являются бескорпусные приборы.

В зависимости от мощности преобразуемых сигналов различают полупроводниковые приборы малой мощности (обычно на токи до 10 А) и силовые полупроводниковые приборы (СПП).

В 1990 г. во всем мире промышленность выпускала примерно 30 млрд дискретных полупроводниковых приборов и примерно такое же количество интегральных схем, в составе которых на­считывалось примерно 100 тысяч типов приборов различного на­значения. Эти приборы могут работать на самых низких частотах (порядка долей Гц) и в миллиметровом диапазоне до 100 Гц в Диапазоне рабочих мощностей от микроватт до десятков и сотен киловатт.

Малые размеры, масса и потребляемая мощность, высокая надеж­ность и механическая прочность способствовали очень быстрому рас­пространению полупроводниковых приборов и развитию полупроводниковой электроники. Этот процесс захватил железнодорожный транспорт, на котором полупроводниковые приборы позволяют со­здавать совершенные устройства преобразования энергии на электро­подвижном составе, в устройствах электроснабжения тяги, в СЦБ и связи, развивать новейшие информационные технологии.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Основу диодов составляет двухслойная монокристаллическая полупроводниковая структура с электронно-дырочным переходом или контакт металл—полупровод­ник. Принцип действия диодов определяется свойством односторон­ней проводимости р— n -перехода.

Основные электричес­кие, тепловые, механические и другие свойства приборов определяют­ся параметрами и их характеристиками. Параметры силовых полу­проводниковых приборов могут быть предельно допустимыми и характеризующими.

Предельно допустимое значение — это такое значение параметра прибора, превышение которого может привести к повреждению при­бора. Характеризующий параметр — это значение параметра, кото­рое отражает определенное свойство прибора. Все параметры приборов обозначаются буквами латинского алфа­вита: основные буквы прописные (для импульсных, средних, посто­янных и действующих значений) и строчные (для мгновенных значе­ний, изменяющихся во времени), индексы в основном прописными буквами (исключение составляют обозначения предельных значений max — максимальное, min — минимальное, crit — критическое и некоторых других).

Перечень основных параметров диодов и их обозначения приведе­ны ниже.

По напряжению

Urrm — предельное повторяющееся импульсное обратное напря­жение;

U_RSM — предельное неповторяющееся импульсное обратное напря­жение;

U_FM — импульсное прямое напряжение (характеризующее значе­ние);

U_T0 — пороговое напряжение (характеризующее значение).

По току

I_FAVmax — предельный максимально допустимый средний прямой ток;

I_FSM — предельный ударный неповторяющийся прямой ток;

Irrm — повторяющийся импульсный обратный ток (характеризую­щее значение).

По сопротивлению

r_Т — дифференциальное сопротивление (характеризующее значе­ние).

По коммутационным явлениям

Q_rr — заряд восстановления (характеризующее значение);

t_rr — время обратного восстановления (характеризующее значе­ние).

По тепловым явлениям

Т_jmax, Т_jmin — предельные температуры р—n-перехода соответственно максимально и минимально допустимые;

R_thjc — тепловое сопротивление "переход—корпус" (характеризую­щее зн Основной характеристикой диода является вольт-амперная харак­теристика (рис. 2.9), которая строится в импульсных (мгновенных) значениях ачение).

Рис. 2.9. Вольт-амперная характеристика и параметры таблеточного диода

Для преобразования средних значений однополупериодного сину­соидального тока I_FAV в импульсные амплитудные значения I_FM ис­пользуется соотношение

Импульсное прямое напряжение U_FM определяется при токе I_FAVm, умноженном на число к. Прямая ветвь ВАХ аппроксими­руется по точкам К и L.

Ток I_FAVmах — это максимальное допустимое среднее за период значение прямого тока, длительно протекающего через диод, опреде­ляется при заданной температуре корпуса Т_с, принимаемой равной 100—125 °С (для кремниевых диодов).

Ток I_FSM определяет допустимое значение одиночного импульса прямого тока синусоидальной формы длительностью 10 мс в аварий­ном режиме. Обычно I_FSM - (15 + 20) I_FAVmax

Температура полупроводниковой структуры Т_j для диодов обычно 140 °С. Для новых приборов Т_jmax = 190 °С

Условные обозначения силовых диодов

Буквы, ушибающие вид и подвид

Порядковый номер модификации конструкции

Цифра, кодирующая размер под ключ или. диаметр таблетки

Цифра, кодирующая исполнение корпуса диода

Средний прямой ток, А

Знак обратной проводимости

Класс

Группа по времени обратного восстановления

Пределы по импульсному прямому напряжению

Например, Д161-200Х-12-1,25-1,35 —диод штыревого исполнения с гибким выводом, номер модификации конструкции 1, размер шес­тигранника под ключ 32 мм, на максимально допустимый средний прямой ток 200 А, обратной полярности, 12-го класса, с ненормируемым временем обратного восстановления, с импульсным прямым на­пряжением 1,25—1,35 В

ТРАНЗИСТОРЫ

Транзистор (от англий­ского слова transfer of resistor — преобразователь сопротивления) представляет собой полностью управляемый полупроводниковый прибор, обладающий свойством усиления электрических сигналов. Широко применяются биполярные и полевые (униполярные) транзис­торы (рис. 2.16).

Биполярные транзисторы (рис. 2.17) — полупроводниковые прибо­ры с двумя взаимодействующими электронно-дырочными переходами и с тремя или более выводами (эмиттер, коллектор, база), усилитель­ные свойства которых обусловлены явлениями инжекции и экстра­кции неосновных носителей заряда. Работа транзистора зависит от носителей обеих полярностей (отсюда термин "биполярный"). По структуре полупроводникового кристалла транзистор может быть вы­полнен р—п—р- или п—р—n-типа (см. рис. 2.16, а).

Структура транзистора содержит области эмитте­ра Э, коллектора К и базы Б, разделенные эмиттерным П1 и коллек­торным П2 переходами. Исторически биполярный транзистор пред­ложен первым в 1949 г. В. Шокли. Первые транзисторы были, глав­ным образом, р—п—р-типа и изготавливались методами сплавной технологии. Большинство современных транзисторов типа п—р—n и изготавливаются они методами селективной диффузии через оксидные маски. Транзисторы п—р—n-типа выполняются на высокие зна­чения напряжения, на их основе созданы мощные переключающие приборы.

Рис. 2,16. Классификация (а) я условное графическое обозначение (6) транзисторов

Полевые транзисторы — полупроводниковые приборы, усилитель­ные свойства которых обусловлены потоком основных носителей за­ряда, протекающих через проводящий канал и управляемых электри­ческим полем. Работа транзисторов зависит от носителей заряда одной полярности (отсюда термин "униполярные"). Название "поле­вой" произошло от управляющего электрического поля. Полупровод­никовый кристалл содержит канал, который имеет три или четыре вывода: исток И, сток С, затвор 3 и подложка П (рис. 2.18). Через исток носители втекают в канал, через сток — вытекают из канала. Затвор является управляющим электродом.

Характерной особенностью полевых транзисторов является боль­шое входное сопротивление. Но транзисторы этого типа имеют боль­шее напряжение в открытом состоянии и, следовательно, имеют более высокие потери от тока в канале, что ограничивает их мощность

Структурная Схема буквенно-цифрового обозначения транзисторов

ТИРИСТОРЫ

Структурная схема классификации тиристоров

Тиристор — это полупроводниковый прибор, с двумя устойчивы­ми состояниями, имеющий три р—л-перехода или более, который может переключаться из закрытого состояния в открытое (процесс отпирания) и из открытого состояния в закрытое (процесс запирания).

Вольт-амперная статическая характеристика тиристора

При малых токах I_A а₁, и а₂ малы из-за рекомбинации инжектирован­ных неосновных носителей заряда, но с ростом тока они быстро увеличиваются. Когда ток /_с = 0 при напряжении переключения U_BR, устанавливается процесс регенерации (a₁ + a₂=l) и начинается бы­стрый рост тока i_T При токе I_L происходит переключение (отпирание) структуры в открытое состояние. Процесс отпирания характеризуется неустойчивой частью ВАХ, отмеченной штриховыми линиями. На этом участке ВАХ справедливо соотношение (2.26) при а₁ + а.₂=1. В результате наступает резкое уменьшение прямого напряжения и_ти ток /_т ограничивается лишь внешним сопротивлением анодной электри­ческой цепи. При некотором прямом токе πI_ТАV прямое падение на­пряжения U_T составляет примерно 1 В. При токе I_G > О переключение происходит при меньших значениях анодного напряжения. Ток управ­ления, при котором прямая ветвь тиристорной ВАХ становится по­добной диодной прямой ветви ВАХ, называется током управления спрямления.

Снижение прямого тока открытого тиристора при I_G = О менее некоторого критического значения I_Н, называемого током удержа­ния, приводит к прекращению регенерации, и тиристор запирается, переходя в закрытое состояние. Таким образом, для перевода обыч­ного незапираемого тиристора из открытого состояния в закрытое необходимо выполнить по крайней мере три условия: уменьшить ток управления до нуля, снизить анодный ток до значения, меньшего тока удержания, и поддерживать тиристор в данном состоянии в течение времени выключения, необходимого для рекомбинации накопивших­ся неосновных носителей зарядов в области центрального перехода. Повторяющиеся напряжения в обратном U_RSM и прямом U_DSM на­правлениях тиристора меньше соответственно напряжений пробоя U_BR

и переключения U_BF.. Этим напряжениям соответствуют обратный ток I_RSM и ток утечки I_DSM, соизмеримые с обратным током р—n-перехода.

Таким образом, статическая ВАХ тиристора (см. рис. 2.41) содер­жит четыре характерных участка: / — обратная ветвь ВАХ, аналогич­ная диодной обратной ветви; II — прямая ветвь ВАХ в закрытом состоянии тиристора (блокирование прямого напряжения); III — не­устойчивая часть переключения из закрытого в открытое состояние; IV — прямая ветвь ВАХ в открытом состоянии тиристора.

Важнейшими параметрами тиристоров являются следующие.

Параметры по напряжению:

V_DRM — повторяющееся импульсное напряжение в закрытом со­стоянии;

U_RRM — повторяющееся импульсное обратное напряжение;

U_dsm и U_rsm — неповторяющиеся импульсные прямое и обратное напряжения;

U_D и U_R — постоянные напряжения в закрытом состоянии и об­ратном направлении;

U_TM — импульсное напряжение в открытом состоянии;

U_t(to) — пороговое напряжение;

(du_T/dt)_сгit — критическая скорость нарастания в закрытом состоя­нии;

U_GT и U_GD — соответственно отпирающее и неотпирающее напря­жения на управляющем электроде.

Параметры по току

I_TAV— средний ток в открытом состоянии;

I_DRM, I_RRm — повторяющийся импульсный ток в закрытом состо­янии и обратный ток;

I_tsm — ударный неповторяющийся ток в открытом состоянии;

I_GT и I_GD — отпирающий и неотпирающий токи управляющего электрода;

Параметры по сопротивлению и мощности потерь

r_т — дифференциальное сопротивление в открытом состоянии;

P_RSM — ударная мощность потерь в обратном непроводящем со-стоянии.

Параметры по коммутационным явлениям _l

t_qt; t_q — время включения и выключения и

t_rr; Q_rr — соответственно время и заряд обратного восстановления.

Температурные и тепловые параметры

Т_j — эффективная эквивалентная температура перехода;

R_thjc — тепловое сопротивление переход -корпус.

Предельно допустимыми параметрами являются U_DRM, U_RRM,

Структура буквенно-цифрового обозначения.

Дата добавления: 2014-01-07