Основные нелинейные элементы в электрических цепях

Среди большого числа нелинейных элементов в электротехнике наиболее широкое применение находят силовые полупроводниковые диоды, стабилитроны и тиристоры. Рассмотрим физические принципы работы этих элементов, их характеристики и параметры.

Рис. 2.1.3.

Полупроводниковые диоды Полупроводниковым диодом называется полупроводниковый прибор с одним электронно-дырочным переходом и двумя выводами. Электронно-дырочный переход (сокращенно /7−77-переход) представляет собой переходный слой между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электропроводимость /7-типа, другая 77-типа. Такой переход можно получить в едином кристалле полупроводника путем легирования донорными и акцепторными примесями. Например, для находящих широкое применение полупроводниковых элементов IV группы германия и кремния, имеющих четыре валентных электрона, донорными примесями являются элементы V группы (мышьяк, сурьма и фосфор), а акцепторными примесями — элементы III группы (индий, галлий и бор). При внесении донорной примеси пятые валентные электроны становятся лишними в системе ковалентных (парных) связей: они слабо связаны с узлами кристаллической решетки и под действием теплового движения могут оторваться от ядра и стать электронами проводимости (проводимости л-типа). При внесении акцепторной примеси в системе ковалентных связей не хватает электронов: на каждый атом акцепторной примеси приходится одна насыщенная связь, недостающий валентный электрон может быть захвачен у соседнего атома основного полупроводника. При этом трехвалентный атом примеси превращается в отрицательный ион (расположенный в узле кристаллической решетки), а в соседнем четырехвалентном атоме образуется вакантное место — дырка, которая под действием теплового движения или внешнего напряжения может перемещаться между узлами кристаллической решетки благодаря ионизации атомов полупроводника и захвату электронов атомами примеси. Так возникает дырочная проводимость (проводимость /7-типа).

При контакте двух областей полупроводника с различными типами проводимости (рис. 2.2.1,а) происходит диффузия электронов из «-области, где их концентрация высока, в /7-область с низкой концентрацией электронов, аналогично дырки диффундируют из /7-области в 77-область. Таким образом, через переход протекает суммарный диффузионный ток свободных носителей, (/_адф = /_рдвф + /_пд)ф). При переходе электронов в /7-область и дырок в 77-область происходит их рекомбинация с основными носителями, т. е. переходная область становится обедненной основными носителями и вследствие этого обладает малой проводимостью. В то же время при переходе электронов из 77-области там остается нескомпенсированный отрицательный заряд ионизированных доноров, а при диффузии дырок из^{-области} — нескомпенсированный отрицательный заряд ионизированных акцепторов. У границы раздела р и л областей образуется переходный слой противоположных по знаку зарядов с некоторой объемной плотностью (рис. 2.2.1,6). Толщина перехода не превышает десятых долей микрометра. Эти заряды на границе перехода образуют электрическое поле, направленное из л-области в p-область, т. е. между этими областями возникает потенциальный барьер (рис. 2.2.1,в), препятствующий дальнейшему переходу электронов в p-область и дырок в я-область. Лишь немногие дырки и электроны, тепловая энергия которых достаточно велика, могут преодолеть возникший потенциальный барьер, поэтому диффузионный ток уменьшается. Наряду с диффузионным током через переход протекает небольшой ток неосновных носителей: небольшое число электронов, имеющихся в /^-области, и дырок в л-области в результате теплового движения подходит к переходу и увлекается полем объемных зарядов, так как для неосновных носителей это поле является прямым. Ток неосновных носителей, или тепловой ток (I_s), направлен противоположно диффузионному и в отсутствие внешнего напряжения равен ему, так что результирующий ток через переход равен нулю.

Рис. 2.2.1.

Если к полупроводниковому диоду приложить обратное напряжение (рис. 2.2.2,а), то потенциальный барьер увеличится, количество основных носителей, способных преодолеть потенциальный барьер, уменьшится и соответственно уменьшится ток диффузии. Под действием обратного напряжения основные носители будут двигаться от контактной области в глубь р и л областей, и в результате ширина обедненного запирающего слоя увеличится по сравнению с равновесным состоянием. Сопротивление диода при обратном напряжении большое и может составлять от нескольких десятков до сотен килоомов.

Рис. 2.2.2.

При увеличении обратного напряжения (и < 0) число носителей, способных преодолеть тормозящее поле, уменьшается и диффузионный ток по экспоненциальному закону стремится к нулю:

?^диф ^—дифо ji’j') Протекает только ток неосновных носителей /_г

При прямом напряжении (и > 0) внешнее поле Е, направленное навстречу собственному полю р-п-перехода (рис. 2.2.2,б), уменьшает потенциальный барьер и облегчает диффузию основных носителей, диффузионный ток экспоненциально возрастет:

д"ф = д"фо ^ехр (+ Теоретическая вольт-амперная характеристика полупроводникового диода, которую с учетом знака напряжения U можно записать аналитически единым образом для прямой и обратной ветви.

представлена на рисунке 2.2.3.

Эта характеристика не отражает явлений электрического и теплового пробоев, которые наблюдаются у реальных диодов при больших обратных напряжениях. Электрический пробой возникает при достаточно сильном обратном поле Е ~10⁶ В/м, сообщающем носителям энергию, достаточную для ионизации нейтральных атомов. При электрическом пробое происходит резкое возрастание обратного тока при малом изменении обратного напряжения. При тепловом пробое рост обратного тока сопровождается увеличением температуры, что приводит, в свою очередь, к увеличению обратного тока и мощности потерь, в результате чего происходит лавинообразное нарастание температуры и необратимое разрушениер-п-пс- рехода.

Рис. 2.2.4.

Рис. 2.2.3.

Вольт-амперные характеристики полупроводниковых диодов существенно зависят от температуры окружающей среды. Примеры этой зависимости представлены на рисунке 2.2.4. (Обратите внимание на то, что масштабы для прямого и обратного напряжений не одинаковы).

Вольт-амперная характеристика наглядно показывает одностороннюю проводимость диода: диод практически заперт при обратном напряжении (большое обратное сопротивление), и по нему протекает существенный прямой ток при прямом напряжении (малое прямое сопротивление). Это позволяет широко использовать полупроводниковые диоды для выпрямления переменного тока. При этом используются диоды с относительно большой площадью р-пперехода, что позволяет получить достаточно большие токи в нагрузке. Основными параметрами выпрямительных диодов являются: максимальная плотность прямого тока (•/"""") или максимально допустимый выпрямленный ток (/_прт"); максимально допустимое обратное напряжение (U^ _т>х); постоянная допустимая мощность рассеяния (Р_рт«У, межэлектродная емкость С; максимально допустимая рабочая частота (f_ppej) диапазон рабочих температур.

Для германиевых диодов J_ppma * 100 А/см² при прямом напряжении до 0,8 В; максимально допустимое обратное напряжение для этих диодов U_т«= 400 В; рабочий диапазон температур 60…75°С. У кремниевых диодов J„_pдоходит до 200 А/см² при U“. _m» = 1… 1,2 В; _ш= 800 В и выше; рабочий диапазон температур 60…150°С.

Стабилитроны.

Рис. 2.2.5.

Стабилитроном называется полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя слабо зависит от тока в заданном диапазоне его изменения. Стабилитроны предназначены для стабилизацции напряжения. В германиевых диодах электрический пробой быстро переходит в тепловой, поэтому в качестве стабилитронов применяют устойчивые к тепловому пробою кремниевые диоды с повышенной концентрацией носителей зарядов. Вольтамперная характеристика стабилитрона представлена на рисунке 2.2.5. Рабочий участок стабилитрона — область электрического пробоя между значениями обратного тока

/ и /.

^лст max ^г ст max*.

Основные параметры стабилитронов: 1) напряжение стабилизации U" — значение напряжения на стабилитроне при протекании заданного тока стабилизации; 2) максимальный и минимальный токи стабилизации /_стт" и /_а", (Максимальный ток определяется допустимой мощностью рассеяния (/_стпшх я P"JU_a),

минимальный ток — стабильностью во времени электрического пробоя); 3) дифференциальное сопротивление — величина, определяемая отношением приращения напряжения стабилизации на ста;

cLU"

билитроне к вызвавшему его малому приращению тока г_ст = -^— .

Чем меньше г_ст, тем лучше стабилизация. Максимальный ток стабилитронов различных типов колеблется от 20 мА до 2 А. Дифференциальное сопротивление на рабочем участке у различных типов стабилитронов составляет от 1 до 70 Ом.

Тиристоры В современных выпрямителях и инверторах широко используются специальные полупроводниковые приборы — тиристоры — кремниевые управляемые вентили. Они обладают рядом ценных свойств: способностью переходить из непроводящего в проводящее состояние под действием относительно слабого сигнала, высоким КПД и малыми габаритами.

Тиристор представляет собой четырехслойную структуру, состоящую из двух слоев полупроводника р-типа (легированного акцепторной примесью) и двух слоев полупроводника л-типа (легированного донорной примесью) (рис. 2.2.6).

Рис. 2.2.6.

На границах слоев рил типа возникают р-п переходы П" П₂, П₃, обладающие односторонней проводимостью. Входной электрод — анод для тока, управляемого тиристором; выходной электрод — катод, т. е. проводящее направление тиристора от анода к катоду. Третий, управляющий электрод чаще всего расположен со стороны катода, но встречаются тиристоры и с анодным управляющим электродом. Иногда для тиристора применяют термины, употребляемые для транзисторов: внешний р-слой именуется коллектором, внешний л-слой — эмиттером, а слой, соединенный с управляющим электродом — базой.

Когда между анодом и катодом тиристора приложено в проводящем направлении не очень большое постоянное напряжение, то два внешних перехода П, и П, оказываются включенными в прямом проводящем направлении, а средний П₂ — в обратном, так что сопротивление запертого перехода П₂ во много раз превышает прямое сопротивление переходов П, и П,. Распределяясь прямо пропорционально сопротивлениям, практически все напряжение U, приложенное к тиристору, приходится на переход П₂. В таких условиях тиристор заперт. При повышении входного напряжения 0, ток мал и медленно нарастает — тиристор ведет себя как полупроводниковый диод под воздействием напряжения в непроводящем направлении.

С увеличением приложенного напряжения растет прямое напряжение на переходах П, и П₂ и через эти переходы начинают протекать токи. Поток электронов из области П₂ преодолевают переход П" область р₂ и переход П₂ (включенный для электронов в прямом направлении), что приводит к накоплению отрицательных зарядов в области п₂.

Поток дырок из областир_х преодолевает переход П" область w, и переход П₂ (включенный для дырок в прямом направлении), что приводит к накоплению положительных зарядов в области р₂.

Эти заряды создают электрическое поле, компенсирующее внешнее запирающее поле, приложенное к переходу П,. В результате переход П₂ открывается и напряжение на нем падает примерно до 1 В.

При обратном направлении входного напряжения тиристор запирается. По отношению к обратному напряжению переход П₂ включен в проводящем направлении, а переходы П, и П₃— в непроводящем. Между ними делится обратное напряжение, благодаря чему оно не может вызывать пробоя. В пределах вольт-амперной характеристики тиристора (рис. 2.2.7) следует различать три участка.

Рис. 2.2.7.

Участок I (от и = 0 до и = и"т) соответствует запертому состоянию тиристора. Участок II характеризуется отрицательным дифференциальным сопротивлением du/di и режим работы на этом участке неустойчив. Участок III при I > /_ул(ток удержания /_уд) соответствует открытому состоянию тиристора. Для различных целей изготовляются четырехслойные приборы, имеющие только два электрода — анод и катод. Такие приборы носят название д и н и с т о р о в; используются они главным образом в качестве бесконтактных ключей, отпирающих электрические цепи при определенном напряжении. Применение отпирающего электрода дает возможность регулировать напряжение отпирания тиристора. Положительное управляющее напряжение, воздействующее через этот электрод (см. рис. 2.2.6), вводит во внутренний слойр₂ дополнительные носители заряда — дырки, что 'и уменьшает напряжение отпирания (рис. 2.2.8).

Рис. 2.2.8.

При отрицательном значении (обратном направлении) управляющего тока напряжение отпирания возрастает, петля вольт-амперной характеристики расширяется. В результате становится возможным устойчивый режим работы при значительном напряжении и силе тока и, следовательно, возникает опасность термической перегрузки и разрушения тиристора. По этой причине обычно указывают наибольшее допустимое отрицательное значение управляющего тока.

В зависимости от мощности тиристора и его типа сила положительного управляющего тока составляет 10…80 мА, управляющее напряжение около 3 В.

Запереть тиристор трудно, так как управляющий электрод теряет свои управляющие свойства, как только прибор отпирается. Необходимы специальные меры, чтобы вновь его запереть. Два основных способа запирания — прерывание анодного тока и искусственная (принудительная) коммутация (переключение тиристора из запертого состояния в открытое и обратно с помощью управляющего электрода). Прерывание анодного тока происходит периодически, если тиристор включен в цепь переменного тока. Это так называемая естественная коммутация напряжением сети. Когда мгновенное значение переменного тока понижается до значения тока удержания, тиристор запирается. Во время следующего положительного полупериода, когда положительное значение напряжения достигает значения напряжения отпирания, прибор отпирается. Но в цепи постоянного тока (например, режим инвертора или управляемого ключа) для запирания тиристора необходимо наличие дополнительного устройства, осуществляющего искусственную (или принудительную) коммутацию. Это устройство прерывает цепь тока или закорачивает тиристор.