книги / Электронные приборы контроля и автоматизации нефтехимического производства

а электропроводность имеет двоякий характер: электронный и ды­ рочный.

О ткрытие ды рочной электропроводности имело больш ое зна­ чение в использовании пол упроводн иков для нуж д техники.

Описанный механизм электропроводности полупроводников характерен для совершенно чистого вещества строго определен­ ного состава, когда кристаллическая решетка без дефектов. Только в этом случае носители тока появляются парами: свобод­ ный электрон п дырка.

Примесная электропроводность полупроводников. Картина совершенно изменяется, когда в веществе присутствует хотя бы самое незначительное количество примесей других веществ. Чужеродные атомы, заменяя в кристаллической решетке атомы

Свободный Дырка

Рис. ,‘И . Возникновение примесной проводимости при наличии донорной (а) и акцепторной (6) при­ месей.

основного вещества, в зависимости от свойств будут либо осво­ бождать свои валентные электроны, либо, паоборот, связывать электрон, забирая его от атомов основного вещества. В первом

вкоторой один атом заменен атомом примеси, атомом пятивалент­ ного фосфора (Р). Четыре валентных электрона фосфора входят

вковалентную связь с соседними атомами, а пятый электрон

остается лишним, не связанным прочно с кристаллической ре­ шеткой. Этот л и ш н и й электрон легко покидает свой атом и пе­ редвигается внутри кристаллической решетки, т. е. становится свободным. В результате появляется один свободный электрон, но не пара электрон—дырка, так как в этом случае дырка не обра­ зуется. Атом фосфора, отдавая один валентный электрон, стано­ вится ионом и может присоединить свободный электрон. Но электроны от соседних атомов германия переходить не будут, так как связь их с кристаллической решеткой значительно проч­

нее, чем притяжение иона фосфора. Таким образом, в этом слу­ чае носителями тока будут только свободные электроны (несвя­ занные). Вещество имеет чисто электронную проводимость. При­ месь фосфора к германию является донорной п сообщает ему электронную проводимость.

На рис. 31, б показана кристаллическая решетка германия, в которой находится примесный атом трехвалентпого металла индия (In). У атома примеси не хватает одного валентного элект­ рона для образования ковалентной связи со всеми четырьмя со­ седними атомами германия, т. е. появляется одна незаполненная связь — дырка. Наличие незаполненной связи вызовет эста­ фетное движение связанных электронов кристалла, но свободных электронов не будет, вещество будет иметь только дырочную электропроводность. Примесь индия к германию является ак­ цепторной и сообщает ему дырочную проводимость.

Очевидно, что в полупроводниках, имеющих примеси, будут одновременно проходить процессы, характерные для чистого полупроводника (с образованием пары электрон—дырка и появле­ нием так называемой собственной проводимости) и для полупро­ водника с примесью (с образованием одних электронов или одних дырок и появлением так называемой примесной проводи­ мости). Однако при нормальной температуре, как правило, преобла­ дает примесная проводимость, так как энергия активации при­ месных атомов всегда во много раз меньше энергии активации основных атомов. Например, энергия активации АЕ большинства примесей в германии не превышает 0,015 эв, в то время как для атомов германия эта величина равна 0,75 эв. Примесная прово­ димость характерна для полупроводников при самых низких температурах, близких к абсолютному нулю. Собственная же проводимость становится заметной при значительно более высо­ ких температурах.

Работа большинства полупроводниковых приборов нарушается при наступлении собственной проводимости вещества. Поэтому для изготовления этих приборов выгодны полупроводники, у ко­ торых собственная проводимость начинает заметно сказываться при возможно более высокой температуре. Например, известно, что германиевые полупроводниковые приборы могут успешно работать при температурах до 80—100° С, а кремниевые до 150— 200° С. Это объясняется тем, что при указанных температурах значительно возрастает собственная проводимость. В рабочих же режимах этих полупроводников электропроводность дости­ гается проводимостью примесного характера.

Для появления примесной проводимости достаточно незначи­ тельного количества примеси. Примесь в количестве приблизи­ тельно одной миллионной доли процента, т. е. содержание на 100 миллионов атомов основного полупроводника одного атома примеси, резко изменяет величину и характер электропроводности вещества. Такое незначительное количество примеси не может быть обнаружено никакими химическими способами анализа,

52

В настоящее время в технике используют в основном полу­ проводниковые выпрямители трех типов: купроксные (медноза­ кисные), селеновые и германиевые. Для всех этих выпря.мителей характерны: простота устройства и обслуживания, отсутствие вращающихся н вибрирующих частей, длительный срок службы и надежность, высокая механическая прочность, постоянная го­ товность к действию, небольшие вес и размеры, отсутствие нака­ ливаемого катода, высокий коэффициент полезного действия.

Эти качества выгодно отличают полупроводниковые выпрями­ тели от кенотронных, газотронных, ртутных, механических и др. Однако полупроводниковые выпрямители имеют н недостатки, например зависимость параметров от температуры, изменение параметров от времени (старение), значительные трудности при создании выпрямителей, рассчитанных на высокие напряжения при значительных токах, т. е. выпрямителей большой мощности.

Принципиально все полупроводниковые выпрямительные элементы устроены одинаково: имеется слой полупроводника с электронно-дырочпым переходом п система металлических кон­ тактов для подключения. Различаются они веществами, которые используются в качестве полупроводника н электродов, и кон­ струкцией.

Ниже будут рассмотрены устройство основных полупровод­ никовых выпрямителей, их параметры, особенности применения. Наиболее существенны следующие параметры: величина номи­ нального нагрузочного тока, величина рабочего обратного напря­ жения, допустимый диапазон температуры п изменение парамет­ ров прн ее повышении, собственная емкость выпрямительных элементов, коэффициент полезного действия.

Купроксные выпрямители. Купроксный выпрямитель пред­ ставляет собой медную основу (в виде шайбы пли прямоуголь­ ника), покрытую закисью меди СигО. Закись меди является ды­ рочным полупроводником. Вблизи меди в ее закиси образуется слой электронного полупроводника, на границе которого с за­ кисью меди и происходит выпрямление. Одним электродом выпря­ мительного элемента служит медная основа, вторым — слой се­ ребра, нанесенного на закись меди.

Для купроксных выпрямителей номинальная плотность тока равна 50—60 ма/см2. В зависимости от размеров выпрямитель­ ного элемента рабочий выпрямленный ток может изменяться от долей миллиампера до нескольких ампер. Рабочее обратное на­ пряжение равно 8 в. Для получения более высокого напряжения выпрямительные элементы соединяют последовательно, помещая несколько шайб или прямоугольников на одном стяжном болте, от которого они изолированы. Собственная емкость приблизи­ тельно 60 пф/мм2.

Характерные особенности купроксных элементов: выпрямле­ ние начинается уже при напряжениях порядка нескольких мил­ ливольт; возможность получения путем искусственного старения высокой стабильности параметров во времени; отсутствие фор­

55

мовки и расформовки, т. е. при длительных перерывах в работе не происходит временных изменений параметров купроксных выпрямителей.

Поэтому до последнего времени купроксные выпрямители были незаменимыми в измерительных схемах. Сейчас в этой области применяются и германиевые диоды.

Параметры купроксных выпрямителей сильно изменяются в зависимости от температуры, что является их крупнейшим не­ достатком. Верхний допустимый предел температуры для обычных выпрямителей составляет 55—60° С.

Большая собственная емкость купроксных выпрямительных элементов исключает их применение при высоких частотах. Они

На рис. 34 показана конструкция селенового элемента. Круглая шайба элемента вместе с круглой контактной пружиной и кон­ тактными лепестками стянута болтом, который изолирован от шайбы и контактов.

Селеновый выпрямитель, как и каждый выпрямитель, харак­ теризуется силой выпрямленного тока, который он может дать при нормальных температурных условиях, и величиной рабо­ чего обратного напряжения, т. е. такого напряжения, которое можно приложить к выпрямителю в непроводящем, обратном на­ правлении без опасности пробоя выпрямителя.

Максимальный выпрямленный ток зависит от величины ра­ бочей поверхности шайбы. Допустимая плотность тока в нормаль­ ных температурных условиях равна приблизительно 25 ма на 1 см2 поверхности шайбы. Рабочее обратное напряжение не зависит от размера шайбы, оно сильно зависит от технологии из­ готовления селеновых выпрямительных элементов. Промышлен­ ные селеновые элементы имеют следующую шкалу рабочих об­

56

новые выпрямители обычно употребляются в виде набора не­ скольких выпрямительных элементов, стянутых одним болтом, так называемых селеновых столбиков. Промышленность выпу­ скает самые разнообразные селеновые столбики (до 600 различных типо-размеров), отличающиеся типом, размером и количеством шайб, а также их расположением в зависимости от того, для ка­ кой схемы выпрямления они предназначены. При необходимости стандартные столбики можно переделывать, изменяя количество и расположение шайб. Кроме того, выпускаются селеновые табле­ точные столбики на малые токи (1 и 6 ма) и напряжения до 1000 в. Они выполнены в виде пластмассовых трубок, внутри ко­ торых герметично заделаны круглые элементы-таблетки, соста­

леновых выпрямителей. Для них характерно также явление расформовки, т. е. возрастание обратного тока при

длительном нахождении выпрямителя в обесточенном состоянии. После подачи напряжения обратный ток уменьшается до нормы в течение нескольких минут.

Гарантированный срок службы для селеновых выпрямителей на алюминиевой основе (тип АВС) составляет 10 000 час., на сталь­ ной основе (тип ВС) 5000 час. При этом сроком службы считается такое время, по истечении которого выпрямленное напряжение снижается на 10%. Практически в большинстве случаев такое снижение напряжения не означает полный износ выпрямителя.

Собственная емкость селеновых выпрямительных элементов составляет примерно 0,02 мкф/см2, что является значительной величиной и препятствует использованию их на высоких частотах.

Коэффициент полезного действия селеновых выпрямителей в однофазных схемах равен 45—65%.

Германиевые выпрямители. Германиевые диоды изготовляются точечные и плоскостные (силовые).

Силовые германиевые диоды, появившиеся в последние годы, вследствие своих преимуществ завоевали всеобщее признание. Конструкция диода схематично показана на рис. 35. Он предста­ вляет собой небольшой кристаллик германия (площадью около 2 мм2) с электронной проводимостью, с одной стороны которого создала дырочная проводимость путем введения индия. Внутри кристалла образуется электронно-дырочный переход, который и

57

определяет выпрямительные свойства диода. Кристалл германия припаивается оловом к медному стержню, который является одним из выводов, второй вывод делается от области кристалла, имею­ щей дырочную проводимость. Кристалл запрессовывают в пласт­ массу или помещают в герметичный корпус.

Параметры силовых германиевых диодов значительно превос­ ходят параметры купроксных и селеновых выпрямительных элементов: величина рабочего обратного напряжения измеряется сотнями вольт; плотность рабочего тока достигает нескольких десятков ампер на 1 см2 при небольшом падении напряжения; собственная емкость незначительна (для диодов типа ДГ-Ц не более 50 пф), что позволяет выпрямлять переменный ток частотой до 50 кгц.

Германиевые диоды позволяют выпрямлять значительные мощ­ ности при очень малых размерах выпрямителей. Например, сило­ вой диод типа ДГ-Ц при диаметре 0,7 см имеет длину (без выводов) 2,1 см.

Параметры германиевых диодов зависят от температуры: с ее повышением значительно увеличивается обратный ток. Поэтому без снижения нагрузки их можно использовать при температуре окружающего воздуха до 50° С, но при этих температурах необхо­ димо снизить амплитуду обратного напряжения. При температуре 70° С ток нагрузки нужно снизить в 2—3 раза при одновременном снижении амплитуды обратного напряжения в 3—4 раза. В табл. 1 приведены параметры силовых диодов типа ДГ-Ц при температу­ рах окружающего воздуха 20 и 50° С.

1 Диоды Д7 отличаются от диодов ДГ-Ц цельнометаллической сварной конструкцией н высокой влагоустойчивостыо.

Промышленностью выпускаются плоскостные германиевые диоды, рассчитанные па выпрямление больших токов. Диапазон рабочих температур от —00° до + 70’ С. Основные параметры приведены в табл. 2.

58

Кроме одинарных германиевых диодов, промышленность вы­ пускает выпрямительные германиевые столбы, основные пара­ метры которых при 20° С приводятся в табл. 3. Столбы Д 1001А, Д1002А и Д1003А содержат две изолированные ветви с одинако­ вым направлением проводимости. Параметры приводятся для каждой ветви.

Точечные германиевые диоды по конструкции сходны с плоско­ стными (рис. 36). В точечных диодах вторым электродом служит тонкая проволока (обычно вольфрамовая), имеющая заостренный

Рпс. 36. Устройство точечного германиевого диода.

конец, который касается германиевого кристалла. В месте кон­ такта металлического острия с полупроводником возникает элек­ тронно-дырочный переход, определяющий выпрямительное дей­ ствие точечного диода. По величинам выпрямленного тока и рабо­ чего обратного напряжения такие диоды значительно уступают

59

плоскостным. Однако они имеют малую собственную емкость и инерционность, что позволяет использовать их при самых высо­ ких частотах.

Кроме германиевых диодов, в настоящее время все большее применение находят кремниевые диоды. Преимущество их — воз­ можность использования в более широком диапазоне температур (до 150° С) и малая собственная емкость. Примером могут быть диоды типов Д202—Д205. Они имеют диапазон рабочих темпера-

*тур от —60 до +125° С. Основные электрические данные при­ ведены в табл. 4. Эти данные соответствуют температуре окружаю­ щей среды 4-125° С при наличии теплоотводящего шасси.

Из всех описанных выше полупроводниковых выпрямителей наиболее перспективными являются безусловно германиевые и кремниевые диоды. Совершенствование этих диодов идет по линии создания образцов с большим допустимым обратным напряже­ нием и большим рабочим током. Уже сейчас в лабораторных условиях созданы кремниевые диоды, которые выдерживают обратное напряжение свыше 5000 в на один элемент. Имеются образцы диодов с водяным охлаждением, позволяющие получить выпрямленный ток до 200 а при напряжении до 100 в. Огромные возможности, которые таят в себе германиевые и кремниевые диоды, объясняются высоким качеством электронно-дырочного перехода, получаемого в этих полупроводниках, т. е. наличием резкой границы между областями с электронной и дырочной проводимостями и отсутствием шунтов, снижающих вентильные свойства перехода.

Кремниевые стабилизаторы напряжения. В последние годы были разработаны полупроводниковые приборы — кремниевые диоды для стабилизации постоянных напряжений. Рабочий уча­ сток характеристики кремниевых стабилизаторов — область про­ боя. На рис. 37 приведена примерная вольтамперная характери­ стика кремниевого диода Д813, которая в области положительных напряжений (в проводящем направлении) и при небольших отри­ цательных напряжениях ничем не отличается от характеристик обычных полупроводниковых диодов. При достижении отрица­ тельным напряжением определенной величины (в данном случае

60