Полупроводниковые выпрямители

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ МАЛОЙ И СРЕДНЕЙ  МОЩНОСТИ

Полупроводниковый вентиль

Полупроводниковые выпрямителиПолупроводниковый вентиль представляет собой контактное соединение двух полупроводников, один из которых с электронной проводимостью, а другой — с дырочной (рис. 13-16), например германий типа р и германий типа, п.

Вследствие большей концентрации электронов в полупроводнике п по сравнению с полупроводником р будет происходить диффузия электронов из первого полупроводника во второй. Аналогично будет происходить диффузия дырок в полупроводнике п.

Рис. 13-16. Полупроводниковый вентиль.

В пограничном слое полупроводника п возникнет положительный заряд, в пограничном слое полупроводника р — отрицательный заряд.

Включение вентиля в прямом направлении

Между разноименными заряженными слоями образуется электрическое поле напряженностью Епер, препятствующее дальнейшей диффузии, которая прекратится при равенстве сил электрического поля и сил, вызывающих диффузию. Тонкий пограничный слой, обедненный основными носителями зарядов, обладающий большим сопротивлением, называют запирающим слоем или р-п переходом.

Рис. 13-17. Включение вентиля в прямом направлении.

Включение вентиля в обратном направлении

Соединив положительный зажим источника питания с металлическим электродом полупроводника р, а отрицательный зажим — с электродом полупроводника п, получим внешнее электрическое поле, направленное навстречу полю р-п перехода, под действием которого электроны и дырки будут двигаться навстречу друг другу (рис. 13-17):

При таком движении электронов и дырок число основных носителей заряда в переходном слое возрастает, толщина переходного слоя уменьшается, а сопротивление его падаем Таким образом, в цепи установится ток, называемый прямым (Iпр), который будет значительным даже при относительно небольшом напряжении.

Устройство меднозакисного вентиля

Рис. 13-18. Включение вентиля в обратном направлении.

Присоединив к вентилю источник питания в обратном направлении (рис. 13-18), получим внешнее поле одного направления с полем р-п перехода и, следовательно, усиливающим его. Теперь поле еще больше будет препятствовать прохождению основных носителей зарядов через запирающий слой.

Кроме того, внешнее поле вызовет движение электронов в п полупроводнике и дырок в р полупроводнике в стороны, противоположные от запирающего слоя. Это повлечет за собой увеличение толщины запирающего слоя и возрастание его сопротивления. Ток, называемый в этом случае обратным Iобр, весьма мал и во многих случаях практики может считаться равным нулю.

Таким образом, контактное соединение двух полупроводников с разными проводимостями обладает явно выраженной односторонней проводимостью, т. е. является вентилем.

Отношение токов при одинаковых напряжениях

Ʀв = Iпр/Iобр

называется коэффициентом выпрямления.

Вольт-амперная характеристика меднозакисного вентиля

Рис. 13-19. Устройство меднозакисного вентиля.

Меднозакисный вентиль

Меднозакисный вентиль (рис. 13-19) состоит из медного диска 1, на который наносится слой закиси меди 2. К последнему прилегает для получения хорошего контакта свинцовый диск 3, а за ним расположен тонкий большого диаметра латунный диск — радиаторный, предназначенный для отвода тепла.

Слой закиси меди (CuО2) получается при термической обработке меди в атмосфере кислорода. Наружный слой закиси меди 2‘, полученный при избытке кислорода, обладает р проводимостью.

Схема устройства селенового вентиля

Слой закиси 2‘, прилегающий к медной шайбе, полученный при недостатке кислорода, обладает п проводимостью. Между двумя слоями закиси меди возникает р-п переход.

Допустимое напряжение на вентиле не более 8—10 в, так как при обратном напряжении 20—30 в он пробивается. Для выпрямления при больших напряжениях несколько вентилей монтируются на болте, образуя столбик выпрямителя.

Рис. 13-20. Вольт-амперная характеристика меднозакисного вентиля.

Для улучшения охлаждения устанавливаются радиаторные шайбы с тем, чтобы температура не поднималась выше 55° С, так как иначе вентиль может потерять вентильные свойстваВольт-амперная характеристика вентиля дана на рис. 13-20.

Селеновый вентиль

Столбик селенового вентиля

Этот вентиль (рис. 13-21) состоит из алюминиевого или стального диска 1, покрытого с одной стороны полупроводящим слоем кристаллического селена 2, обладающего дырочной проводимостью, который служит одним электродом. Другим электродом 4 служит нанесенный на селен слой сплава олово, кадмий и висмутк которому прилегает латунная пружинящая шайба 5. Электроды отделены друг от друга запирающим слоем.

Допустимое напряжение на селеновый вентиль составляет 20—40 в, при обратном напряжении 60—80 в вентиль пробивается.

Рис. 13-21. Схема устройства селенового вентиля.

На рис. 13-22 показан столбик селенового вентиля, а на рис. 13-23 — его вольт-амперная характеристика.

Вольт-амперная характеристика селенового вентиля

Германиевые и кремниевые вентили

В германиевых и кремниевых диодах используются явления, происходящие в р-п переходах между областью кристалла германия (кремния) с р проводимостью и областью с п проводимостью.

Рис. 13-22. Столбик селенового вентиля.

Эти вентили изготовляются точечными и плоскостными.

Точечный германиевый диод типа Д1Г (рис. 13-24) состоит из стеклянного (или металлостеклянного) баллона диаметром около 3 мм и длиной 10 мм, в который впаяны два проволочных вывода.

Германий точечный вентиль

На конце одного из них укреплен кристалл германия 17 с п проводимостью, на конце другого — тонкая заостренная проволочка индия 2. 

Рис. 13-23. Вольт-амперная характеристика селенового вентиля.

Запирающий слой (р-п переход) образуется (рис. 13-24, а) при формовке — пропускании импульсов тока, под действием которых атомы индия диффундируют в кристалл: германия, образуя в кристалле полусферическую область с дырочной проводимостью.

Вольт-амперная характеристика точечного германиевого вентиля

На границе этой полусферы и возникает р-п переход.

Максимальный выпрямленный ток этого вентиля 16 ма, максимально допустимое обратное напряжение 50 в. Вольт-амперная характеристика вентиля дана на рис. 13-25.

Рис. 13-24. Германий точечный вентиль.

Плоскостный вентиль состоит из пластины германия 1 (рис. 13-26) с примесью сурьмы или мышьяка, обладающей электронной проводимостью, и индиевой пластины 2.

При изготовлении индиевая пластина, расположенная на поверхности германия, нагревается до температуры плавления индия.

Германиевый плоскостной вентиль

При этом атомы индия диффундируют в германий, образуя область 2а с дырочной проводимостью. На границе создается переход типа р-п.

Рис. 13-25Вольт-амперная характеристика точечного германиевого вентиля.

На рис. 13-26, б показано устройство одного из плоскостных германиевых вентилей типа Д-7.

Вольт-амперная характеристика плоскостного вентиля

В металлическом корпусе 5 длиной около 20 мм укреплен токосниматель 4 с расположенным на конце кристаллом германия 1. Электрод из индия соединен с одним из выводов 7 проводником 3, проходящим через изолятор 6.

Максимальное допустимое обратное напряжение 50 б, выпрямленный ток 300 ма. На рис. 13-27 дана вольтамперная характеристика вентиля.

Рис. 13-26. Германиевый плоскостной вентиль типа Д-7

Силовые германиевые и кремниевые вентили изготовляются на номинальные токи до 1 000а.

Кремниевый диод

Рис. 13-27. Вольт-амперная характеристика плоскостного вентиля.

Рис. 13-28. Кремниевый диод типа ВК-100.

Рис. 13-29. Однополупериодное выпрямление.

Рис. 13-30. Двухполупернрдное выпрямление.

На рис. 13-28 показан кремниевый диод типа ВК-100 с воздушным охлаждением на номинальный ток 100 а.

Рис. 13-31. Мостовая схема выпрямителя.

На рис. 13-29 и 13-30 даны схемы одно- и двухполупериодного выпрямления переменного тока, аналогичные схемам с ламповыми вентилями (рис. 13-3 и 13-5). Мостовая двухполупериодная схема показана на рис. 13-31. Для увеличения выпрямленного напряжения и тока в каждую из ветвей схемы можно, включать по нескольку вентилей, соединенных между собой последовательно-параллельно или группами.

Однополупериодное выпрямление Двухполупериодное выпрямление

Коэффициент полезного действия меднозакисных выпрямителей составляет 50—60%, селеновых — 80—90%, германиевых и кремниевых более 90%.

Выпрямители нашли самое широкое применение для питания электролизных ванн и зарядки аккумуляторных батарей, для питания электродвигателей и аппаратов в измерительной технике, в автоматике, радиотехнике и т. д.

Мостовая схема выпрямителя

Статья на тему Полупроводниковые выпрямители