Полупроводниковые вентили. Схемы выпрямления переменного тока

Известно, что полупроводниковые материалы (германий, кремний) относятся к четвертой группе периодической системы Менделеева и имеют на своей внешней оболочке четыре валентных электрона. Кристаллическая решетка полупроводников построена таким образом, что каждый из атомов окружен четырьмя другими атомами. Связь между ближайшими атомами, осуществляемая валентными электронами, называется парноэлектронной.

Каждый валентный электрон имеет свое место в кристаллической решетке, но под воздействием внешних факторов любой из них может покинуть свою орбиту, превратившись в свободный электрон. Когда валентный электрон освобождается, на орбите образуется «дырка», которую можно рассматривать как положительный заряд. «Дырка» может быть занята другим свободным электроном. Движение «дырок» хаотическое. Если к полупроводнику приложить напряжение, движение электронов и «дырок» становится направленным, начинает протекать ток, обусловленный нарушением валентных связей химически чистого вещества. Величина этого тока очень маленькая из-за небольшого числа свободных электронов в полупроводнике.

Таким образом, полупроводники обладают собственной проводимостью, но в чистом виде их не применяют, так как они проводят ток в обоих направлениях. Если в кристалл полупроводника германия Ge, имеющего четыре валентных электрона, добавить небольшое количество вещества пятой группы (например, сурьмы Sb), то четыре из пяти электронов на внешней оболочке атома Sb образуют прочные парновалентные связи с четырьмя соседними атомами Ge. Пятый, «лишний» электрон оказывается свободным; их число зависит от соотношения смеси. Эти свободные электроны обусловливают примесную проводимость полупроводника, называемую электронной, или проводимостью типа n.

Аналогичное явление происходит при внесении в качестве примеси элемента третьей группы (например, индия In), атом которого имеет три валентных электрона, образующих три прочные парновалентные связи. Для четвертой связи не хватает одного электрона— образуется «дырка». Проводимость такого типа называется «дырочной», или проводимостью типа p.

Примесная проводимость существует наряду с собственной и значительно превышает ее.
При соединении двух полупроводниковых пластин, обладающих одна электронной, а вторая «дырочной» проводимостями, часть свободных электронов слоя n диффундирует (переходит) в слой p и заполняет здесь избыточные «дырки», одновременно оставляя в слое n не заполненные электронами места — «дырки». Этот процесс приводит к нарушению нейтральности слоев: слой р заряжается отрицательно, а слой n - положительно (рис. 1). На границе соединения возникает разность потенциалов, препятствующая дальнейшему проникновению свободных электронов слоя n в слой p, т. е. создается электронно-дырочный переход типа n - p. Пластина в целом остается нейтральной. Если к пластине приложить внешнее напряжение (плюсом, например, к слою р, а минусом — к слою n), то под действием внешнего источника «дырки» слоя n устремятся к отрицательному полюсу источника, а свободные электроны слоя p — к положительному полюсу — потечет ток. Такое включение полупроводниковой пластины называется подключением в прямом правлении.

Рис. 1. Полупроводниковые приборы: а — образование электронно-дырочного перехода; б, в — включение в обратном и прямом направлениях

Если батарею включить плюсом к слою n, а минусом — к слою р, то оставшиеся свободные электроны слоя n устремятся к плюсу источника, а «дырки» слоя р — к минусу. На границе соединения возрастает запорная разность потенциалов, и очень небольшое число свободных электронов способно преодолеть барьер n - р - перехода. Такое включение полупроводника называется подключением в обратном направлении.

Таким образом, описанное устройство обладает односторонней проводимостью.

Диоды

Вентили (диоды) обладают резко выраженным свойством односторонней проводимости. Конструкция и вольт-амперная характеристика диода Д304 приведены на рис. 88,а, б. В полупроводниковую пластину типа n вплавляют столбик полупроводника типа р, и все это помещают в герметичный корпус. Проволочные выводы подсоединяют к полупроводникам типов n и р.

Рис. 2. Устройство и вольт-амперная характеристика диода Д304

По виду вольт-амперной характеристики можно судить о сопротивлении диода, которое не является постоянной величиной. При прямом напряжении диод обладает небольшим сопротивлением (характеристика крутая), при обратном — сопротивление велико (характеристика пологая). С увеличением обратного напряжения ток в обратном направлении увеличивается очень медленно до определенного значения напряжения U_F. При дальнейшем увеличении U_R происходит пробой диода, и обратный ток резко возрастет при небольшом увеличении обратного напряжения — диод выходит из строя. Поэтому допустимое обратное напряжение не должно превышать 75—80% напряжения U_F, при котором наступает
пробой.

Полупроводниковые диоды используют для выпрямления переменного тока и в логических схемах вычислительных машин. Схемы одно- и двухполупериодного выпрямления, выпрямления трехфазного переменного тока приведены на рис. 3, I, а их характеристика - на рис. 3, II.

Схемы выпрямления переменного тока

Наиболее простой (всего один диод) является однополупериодная схема выпрямления однофазного переменного тока (см. рис. 3,а). Ток в нагрузке протекает только в течение одной половины периода. В течение второй половины периода к диоду приложено напряжение обратной полярности и ток в нагрузке не протекает. Среднее значение выпрямленного в такой схеме напряжения U_d определяется из выражения U_d=0,45 U. Однако применяют схему одиополупериодного выпрямления очень редко, так как выпрямленный ток имеет большую амплитуду и низкую частоту пульсаций, что требует применения дорогостоящих сглаживающих фильтров.

Рис. 3. Схемы выпрямления переменного тока

Для двухполупериодного выпрямления однофазного тока применяют однотактную схему на двух диодах и трансформаторе со средней точкой (см. рис. 3,б) и мостовую схему на четырех диодах (см. рис. 3,в). В обоих случаях ток в нагрузке протекает в течение всего периода в одном направлении. Среднее значение выпрямленного в такой схеме напряжения U_a определяется из выражения U_d=0,9 U.

Как правило, мостовая схема собирается на полупроводниковых диодах, а однотактная — на кенотронах либо газотронах.

Для выпрямления трехфазного тока чаще всего применяют одно- и двухтактные мостовые схемы. В однотактной схеме (см. рис. 3, г) фазная обмотка трансформатора нагружена током только одного направления, протекающим в течение одного полупериода. В таких схемах обязательно имеется вывод от нулевой точки вторичной обмотки трансформатора. Среднее значение выпрямленного в такой схеме напряжения U_d можно определить из выражения U_d = 1,05 U.

Двухтактные схемы (см. рис. 3, д) нагружают фазные обмотки трансформатора в течение всего периода. Среднее значение выпрямленного напряжения U_d можно определить из выражения U_d = 2,1 U.

Иногда диоды используют в работе на участке характеристики, где при широком изменении тока напряжение остается практически постоянным. Такие диоды, называемые стабилитронами, используют для поддержания постоянства напряжения на нагрузке, которая включается параллельно стабилитрону.

В обозначении диодов имеется буква Д, например: Д223, КД202. В обозначении стабилитронов имеется буква С, например: 2С920, КС620 и т. д.