2. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ
Принцип действия полупроводниковых вентилей. Основными элементами выпрямителей и преобразователей являются нелинейные электрические элементы, упрощенные идеальные вольт- амперные характеристики которых (рис. 1) имеют два явно выраженных состояния: включенное, соответствующее высокой проводимости тока, и выключенное— для низкой проводимости тока элементом в электрической цепи. В настоящее время в преобразователях такими элементами преимущественно являются полупроводниковые вентили различных типов.
Принцип действия полупроводниковых вентилей основан на явлении односторонней проводимости границы раздела двух полупроводниковых структур, одна из которых имеет электронную (л-типа), а другая - дырочную (р-типа) электропроводность.
Область электропроводности л-типа характеризуется тем, что прохождение тока здесь происходит за счет переноса отрицательно заряженных электронов, избыточное количество которых создается вводом в монокристалл полупроводника донорных примесей, например сурьмы, мышьяка, фосфора. В области электропроводности р-типа прохождение тока обусловлено переносом заряженных "дырок" (дырка — это атом, у которого не хватает одного электрона и который, следовательно, обладает положительным зарядом, по абсолютному значению равным заряду электрона). Дырки получаются введением
Рис. 1. Упрощенная (идеальная) вольт-амперная характеристика нелинейного элемента (в) и его условное графическое обозначение (б)
в монокристалл полупроводника акцепторных примесей, например индия, бора, алюминия.
В качестве основных полупроводниковых материалов, с помощью которых получают структуры с различной электропроводностью, на практике наибольшее распространение получили кремний и германий.
Вместе с тем следует отметить, что вследствие теплового разрыва связей между атомами в примесных полупроводниках всегда наряду с основными носителями зарядов, концентрация которых большая, существуют также в каждом из слоев неосновные носители зарядов: дырки в полупроводниках /7-типа и электроны в полупроводниках р-типа, создаваемые путем перехода электронов основного материала из одного слоя в другой. В полупроводниках без примесей число электронов всегда равно числу дырок.
При контактировании двух полупроводниковых структур, одна из которых обладает электронной, а другая дырочной электропроводностью, основные носители заряда (дырки вр-области и свободные электроны в л-области) проникают (диффундируют) из одного слоя полупроводника в другой. В результате взаимной нейтрализации электронов и дырок (их рекомбинации) на границе раздела р- и л-областей образуется запирающий слой, называемый электронн о-д ырочным переходом (p-n-переход), обедненный носителями зарядов, т.е. возникает потенциальный барьер, препятствующий прохождению дырок из р-об ласт vi и электронов из области полупроводниковой пластины.
Основным свойством такого p-n-перехода является зависимость его сопротивления от полярности приложенного напряжения. Для присоединения к внешней цепи с наружных сторон p-n-слоев полупроводника создаются активные контакты с выводами (рис. 2).
Рассмотрим на примере двухслойного кристалла кремния процессы, происходящие в р-лпереходе при воздействии на него внешнего напряжения 1УИС. Если к р-области присоединить положительный полюс источника питания, а кл-области— отрицательный, то основные носители тока будут двигаться в пограничном слое навстречу друг другу (рис. 2,а). В результате сопротивления р-лперехода уменьшается и через границу раздела проходит прямой ток /пр, ограниченный практически только сопротивлением нагрузки /?н. Внешнее напряжение Uwc такой полярности называется прямым L/np или проводящим.
При изменении полярности приложенного напряжения (рис. 2,6) дырки в р-области и электроны вл-области полупроводника будут удаляться от границы раздела, что приводит к увеличению сопротивления p-n-перехода, а поток основных носителей заряда уменьшается до нуля. Через p-n-переход проходит незначительный ток, создаваемый неосновными носителями, для которых приложенная разность потенциалов является ускоряющей. Внешнее напряжение 1/ис такой полярности называется обратным U0 бр или запирающим, а обусловленный им небольшой ток — обратным током /0бр-
Таким образом, значение и направление тока, протекающего через р-n-переход двухслойной полупроводниковой структуры, зависят от значения и знака внешнего напряжения 1/ис, т.е. р-п-переход обладает выпрямляющими (вентильными) свойствами. Такую полупроводниковую структуру часто называют вентильным элементом.
Зависимость тока /, проходящего через p-n-переход, от приложенного к нему напряжения U называется вольт-амперной характеристикой перехода. Эта характеристика имеет две ветви (рис. 2,в): олна расположена в первом квадранте и соответствует проводящему направлению в p-n-переходе (прямому току /пр в нем), вторая — в третьем квадранте и характеризует запирающие свойства перехода. От характеристики идеального вентиля она отличается наличием некоторого падения напряжения на вентиле при прохождении прямого тока fnp и обратного тока в случае приложения обратного напряжения UDgp. Неуправляемые вентили — диоды. Диодами называются двухэлектродные элементы электрической цепи, обладающие односторонней проводимостью тока. В качестве исходных материалов для полупроводниковых диодов наибольшее применение получили кремний и германий.
Рис. 2. Прохождение тока через ру-переход полупроводникового вентиля: в - открытое (проводящее) состояние; б — закрытое (непроводящее) состояние; в — вольт-амперная характеристика p-n-перехода
Кремниевые диоды. Конструктивной основой для этих диодов являются тонкие диски (пластинки), вырезанные из монокристалла кремния с электронным типом электропроводности, в которых сплавлением с алюминием либо диффузией в кремний атомов алюминия или бора создается слой с электропроводностью р-типа. На границе раздела этого слоя с основным материалом образуется р-п- переход.
Кремниевый диск с р-/>переходом впаивается между молибденовыми пластинками (рис. З.а), обладающими примерно таким же коэффициентом линейного расширения, как и кремний, и хорошей теплопроводностью. Электрод, присоединяемый к слою полупроводника с электропроводностью р-типа, является анодом А, а электрод, присоединяемый к слою />типа, - катодом К. Полученная таким образом двухслойная монокристаллическая структура помещается в неразборный герметичный металлостеклянный или керамический корпус, предохраняющий ее от влияния воздействующих факторов окружающей среды — влаги, грязи, механических повреждений.
Рис. 3. Неуправляемый кремниевый вентиль — диод: в - устройство диода (схематическое); б иг- прямое и обратное включение диода; в - статические вольт-амперные характеристики при различных температурах р-п-перехода; д — форма исполнения p-n-перехода лавинного диода
Основные свойства полупроводникового вентиля наглядно отражает его вольт-амперная характеристика, по которой определяются номинальные данные вентиля, его нагрузочная способность, возможность параллельного и последовательного соединения их в схемах выпрямителей и преобразователей.
На рис. 3,в изображены статические вольт-амперные характеристики кремниевого диода на номинальный ток 200 А. Прямая ветвь /пр = f Шпр) содержит два характерных участка: на первом, частично совпадающем с осью абсцисс участке OA, вентиль имеет сравнительно большое сопротивление, и с ростом прямого напряжения ток /пр растет незначительно; на втором участке АБ при увеличении Unp > U0 сопротивление диода резко уменьшается, а прямой ток /пр возрастает до значений, определяемых сопротивлением нагрузки.
На обратной ветви различают три участка: первый ОВ сравнительно невелик, вентиль обладает еще малой проводимостью и через p-n-переход проходит небольшой ток /0бр« измеряемый миллиамперами; на втором участке ВГ при значительном увеличении обратного напряжения ток /0gp достигает насыщения и незначительно возрастает; третий участок ГД характеризуется резким возрастанием обратного тока при незначительном изменении С0бр/ и наступает пробой p-n-перехода.
Выход диода из строя связан вначале с электрическим пробоем p-n-перехода. который затем переходит в тепловой пробой, происходящий часто не внутри p-n-перехода, а в месте его выхода на поверхность кремниевого диска, где имеются участки, в которых напряженность электрического поля (вследствие нарушения структуры кристалла, загрязнения поверхности и т.д.) значительно выше, чем внутри p-n-перехода.
В этих участках возникает электрический пробой p-n-перехода и весь обратный ток проходит через них, вызывая резкое увеличение мощности потерь и повышение температуры полупроводниковой структуры, что в конечном счете приводит к тепловому пробою и расплавлению кремния вблизи участка пробоя. Значение напряжения Un. при котором обратная ветвь вольт-ампёрной характеристики резко изгибается, называется пробивным напряжением. Указанный пробой обусловлен ударной ионизацией атомов кристалла свободными носителями заряда и называется лавинным. Возникновение лавинного пробоя приводит к выходу диода из строя вследствие резкого повышения выделяемой при этом мощности при протекании обратного тока.
Для предотвращения выхода из строя р-п-перехода при кратковременных обратных перенапряжениях разработаны специальные типы силовых диодов с контролируемым лавинообраэованием — лавинные вентили. Такой вентиль отличается от обычного тем, что обратная ветвь его вольт-амперной характеристики (см. кривая 3 на рис. 3,в) имеет ярко выраженный перегиб с ограничением напряжения на уровне 1/п, лав> которое называют напряжением лавинного пробоя. Это достигается благодаря специальной ступенчетой форме p-n-перехода, который в зоне "защитного кольца" (рис. 3,<5) имеет меньшую концентрацию дырок, чем в средней части кремниевой пластины л-типа, что исключает имеющий место у обычных вентилей локальный пробой на периферии вентильного элемента, быстро перерастающий в телловой пробой с выходом вентиля из строя.
Если к лавинному вентилю (в данном случае к диоду) кратковременно прикладывается напряжение U0бр > (Уп>лав. то происходит обратимый лавинный пробой по всей поверхности p-n-перахода, что позволяет ограничить выделяемую в нем мощность при протекании обратного тока до нескольких десятков ампер. Воспринимаемое при этом вентилем напряжение UQgp остается практически равным напряжению лавинообразования 1/п> лав. Однако в этом случае оговаривается допустимая энергия, которую может рассеивать прибор при обратном направлении тока, так как длительная работа в таком режиме также ведет к тепловому пробою вентиля. Поэтому полупроводниковые вентили с лавинной характеристикой допускают только кратковременную работу с перегрузкой по напряжению (при аварийных режимах работы преобразователей, в частности при возникновении перенапряжений).
Разновидностью лавинных диодов являются стабилитроны, работающие в режиме электрического пробоя p-n-перахода. При напряжении пробоя обратный ток стабилитрона может возрастать до /Пр,доп' а напряжение остается практически равным напряжению стабилизации 1/ст. При приложении прямого напряжения вопьт-амперная характеристика лавинного диода такая же, как и у обычного диода (ветви OA и АБ на рис. 3,в).
Германиевые диоды. Электронно-дырочный переход данных вентилей получается путем сплавления пластинки германия электропроводности л-типа с индием или диффузией атомов другой акцепторной примеси в исходный кристалл. При вплавлении атомы индия диффундируют в германий, придавая прилегающей области кристалла дырочную электропроводность. К каждому слою германия припаиваются металлические контакты (рис. 4,а), к которым присоединяются внешние выводы. Вентильный элемент помещается в герметичный металлический корпус с изолятором для наружного вывода анода, которым является слой германия с электропроводностью р-типа. Катодом вентиля является основание корпуса, имеющее шпильку с резьбой (рис. Л,г).
На рис. 4,в изображены вольт-амперные характеристики германиевого диода на ток 10 А. Германиевые диоды по сравнению с кремниевыми обладают меньшим падением напряжения при пропускании прямого тока (0.3-0,6 против 0,8-1,2 В у кремниевых) , а также меньшими значениями допустимых обратных напряжений (600-800 по сравнению с 1500-2800 В у кремниевых диодов). Обратный ток германиевых диодов примерно на порядок больше, чем у кремниевых на такую же мощность, которые допускают и большие плотности прямого тока (60-80 против 20-40 А/см2 у германиевых).
Вольт-амперные характеристики полупроводниковых вентилей зависят от температуры полупроводниковой структуры. С ростом температуры у всех типов вентилей имеет место: снижение прямого падения напряжения (см. рис. 3,в и 4,в) при тех же значениях прямых токов на рабочем участке прямой ветви /пр = f (Unp); значительное увеличение обратного тока, сопровождаемое некоторым ростом напряжения (Уп_ пав у лавинных вентилей (кривая 4 на рис. 3,в) и уменьшением напряжения загиба вольт-амперных характеристик у нелавинных диодов.
Рис. 4. Схематическое устройство (а), условное обозначение (б), статические вольт-амперные характеристики (в) и конструкция (г) германиевого диода
Основные параметры диодов. В силовой полупроводниковой технике в настоящее время применяется система предельных параметров для вентилей, характеризующая предельные возможности использования силовых полупроводниковых приборов и предельные условия их эксплуатации. При любых режимах работы значения воздействующих на прибор величин не должны быть выше предельных параметров. В противном случае силовой полупроводниковый прибор может выйти из строя.
Основными параметрами диодов являются:
предельный ток /п — максимально допустимое среднее за период значение тока, длительно протекающего через диод. Значение /п определяется в однофазной однополупериодной схеме выпрямления (см. § 3) с активной нагрузкой при частоте 50 Гц, синусоидальной форме тока, угле проводимости 180° и максимально допустимой начальной температуре полупроводниковой структуры без последующего приложения напряжения. При использовании вентиля в других схемах необходимо пересчитывать предельный ток, так как изменяются соотношения между средним и действующим значениями тока, протекающего через диод (это учитывается коэффициентом формы тока вентиля).
На практике силовые диоды используются совместно с определенными типами охладителей, поэтому в информационных материалах приводятся значения /П с учетом влияния охладителя и условий охлаждения (указывается скорость охлаждающего воздуха или расход охлаждающей жидкости);
ток рабочей перегрузки /р< пер — максимальное значение тока, превышающее предельное, который можно пропускать через диод ограниченное время при заданных условиях охлаждения, при этом температура полупроводниковой структуры не превышает допустимое значение. Длительное протекание такого тока вызвало бы превышение максимально допустимой температуры структуры диода;
у парный ток /уд — максимально допустимая амплитуда одиночного импульса аварийного тока синусоидальной формы длительностью 10 мс при заданных условиях работы диода без последующего приложения нагрузки;
повторяющееся напряжение 1/п— максимально допустимое мгновенное значение напряжения, периодически прикладываемого к диоду в обратном направлении. Напряжение Un характеризуется классом прибора и является функцией схемы выпрямления;
5J максимальное обратное напряжение U<1/л) — напряжение, соответствующее области загиба обратной ветви вольт-амперной характеристики диода (напряжение лавинообразования для лавинных приборов), когда даже малые приращения напряжения резко увеличивают обратный ток;
прямое падение напряжения Дипр — мгновенное значение напряжения на диоде при прохождении через него прямого тока;
обратный ток /обр — ток, протекающий через прибор при приложении к нему обратного напряжения.
Большинство указанных параметров обычно приводится в техническом паспорте на диод, а более подробная информация о параметрах, характеристиках и эксплуатационных свойствах — в технических условиях на силовые диоды.
Силовые транзисторы. Транзистором называется полупроводниковый триод, усилительные действия которого основаны на управлении движением носителей электрических зарядов в полупроводниковом кристалле. В качестве исходного материала используют германий или кремний, который путем введения в него акцепторных и донорных примесей превращается в трехслойную структуру с чередующимися слоями р- и л-типов электропроводности, разделенных двумя p-n-переходами. В зависимости от типа проводимости крайних слоев различают транзисторы типов р-п-р и п-р-п (рис. 5,э и б).
В структуре типа р-п-р исходный материал, являющийся основанием (базой) конструкции, имеет />проводимость. В два наружных слоя его вводятся путем сплавления или диффузии атомы акцепторной примеси, концентрация которой превышает примерно на два-три порядка концентрацию ранее введенной в монокристалл донорной примеси.
В транзисторах типа п-р-п в исходный монокристалл с р-проводимостью в наружные слои вводится донорная примесь в значительно большей концентрации. Один из наружных слоев, инжектирующий основные носители тока в приборе (дырки или электроны) называется эмиттером. Другой наружный слой, принимающий эти заряды, называется коллектором. Промежуточный слой, называемый базой, выполняет функции управляющего электрода, регулируя поток зарядов и, следовательно, значение тока, протекающего через прибор. На рис. 5,в и г показаны условные обозначения обоих типов транзисторов, рабочие полярности напряжений и направления токов.
Рис. 5. Полупроводниковая структура транзисторов типов р-п-р (л) и п-р-п (б) и их условные обозначения в электронных схемах (в и г)
Принцип действия указанных разновидностей транзисторов в основном один и тот же, за исключением противоположных знаков основных носителей тока, поэтому рассмотрим работу только транзистора p-n-р-типа.
Переходы П1 и П2 (рис. 6,а), возникающие в процессе формирования р- и «-слоев в транзисторе типа p-n-р, имеют ту же электрическую природу, что и p-n-переход в силовом диоде. При отсутствии внешних напряжений через переходы П1 и П2 проходят встречные диффузионные потоки основных и неосновных носителей, уравновешивающие друг друга. Поэтому результирующий ток в p-n-переходах равен нулю.
В случае подключения транзистора к внешним источникам постоянных напряжений с полярностью, указанной на рис. 6.а
Рис. 6. Включение транзистора по схеме с общим эмиттером: а — прохождение тока через транзисторную структуру р-п-р; б — выходные вольт-амперные характеристики; в — схема переключателя на транзисторе
(такое включение транзистора называют включением с общим эмиттером), эмиттерный переход П1 смещается в прямом направлении, коллекторный П2 - в обратном. При этом резко возрастает инжекция дырок через переход П1. что создает эмиттерный ток /э. Значение этого тока очень сильно зависит от напряжения икэ (в соответствии с прямой вольт-амперной характеристикой перехода П1). Основная часть дырок диффундирует через базовый слой к переходу П2. Поскольку электрическое поле коллекторного перехода является для дырок ускоряющим, то, пройдя этот переход, они создают коллекторный ток /к.
В установившемся режиме коллекторный ток /к всегда меньше эмиттерного тока /э, так как небольшая часть дырок рекомбинирует в базовой области с электронами, вместо которых из внешней цепи в базу входят новые электроны. В результате такого процесса создается базовый ток — /g. которому соответствует противоположно направленный ток +/б во внешней цепи.
Значение базового тока составляет небольшую долю (1-5%) эмиттерного тока, так как концентрация электронов в базе намного ниже концентрации дырок в эмиттере. Три основных (дырочных) составляющих токов транзистора связаны между собой соотношением
(1)
Коллекторный ток транзистора /к связан с током эмиттера /э коэффициентом передачи тока а = 1к/1 э < 1„ который тем ближе к единице, чем больше концентрация основных носителей заряда в эмиттере и меньше ширина базового слоя полупроводниковой структуры.
Через переход П2 протекает небольшой обратный ток —'ко, который создается дрейфом неосновных носителей заряда (дырок) через коллекторный переход под действием температуры. От значения тока эмиттера /э ток /к0 не зависит.
На рис. 6,6 приведены выходные характеристики транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, отображающие зависимость тока коллектора /к от напряжения UK3 между коллектором и эмиттером при разных значениях тока базы /g. В преобразовательных устройствах силовые транзисторы используются, как правило, в качестве ключевых элементов, т.е. работают в режиме переключения из области отсечки 1 в область насыщения 2.
В режиме отсечки (точка А на выходной характеристике с /б = 0) почти все напряжение питания Ек приложено к транзистору. В нагрузке /?к протекает незначительный ток, равный обратному току коллекторного перехода. Потенциал базы положителен по отношению к эмиттеру. Этот режим соответствует разомкнутому состоянию транзисторного ключа.
В режиме насыщения (точка Б на выходных характеристиках) сопротивление транзистора мало, через него протекает максимальный ток /к тах (ток насыщения), определяемый сопротивлением нагрузки /?к. Потенциал базы отрицателен по отношению к эмиттеру, и только небольшая часть напряжения источника питания AUK3 приложена к транзистору. Этот режим соответствует замкнутому состоянию транзисторного ключа (рис. 6,в).
В активной области (участок А Б) транзистор работает как усилительный элемент. Эта область является переходной при работе транзистора в ключевом режиме.
Принцип действия рассмотренных выше транзисторов основан на использовании зарядов двух знаков - дырок и электронов, поэтому их часто называют биполярными. В последнее время разработаны мощные транзисторы, принцип действия которых основан на использовании носителей заряда только одного знака — электронов или дырок. Управление током таких транзисторов осуществляется изменением проводимости канала, через который протекает ток прибора под воздействием электрического поля. Вследствие этого такие транзисторы называются униполярными или полевыми. Положительными особенностями полевых транзисторов являются высокое быстродействие и большое входное сопротивление, что позволяет свести к минимуму потери мощности на управление ключевыми элементами преобразовательных устройств. Основным их недостатком является сравнительно высокое сопротивление во включенном состоянии.
Основные параметры силовых транзисторов. Мощные транзисторы, используемые в схемах преобразовательных устройств, выбираются по следующим параметрам:
максимальный ток коллектора /к m ток. при котором мощность, рассеиваемая на коллекторе, не превышает максимально допустимое значение;
максимальное напряжение междуколлектором и эмиттером UK3max — максимально допустимое напряжение между коллектором и эмиттером при коротком замыкании эмиттера и базы или при включении между ними определенного резистора ftg;
максимальная мощность, рассеиваемая на коллекторе, рктах — мощность, при которой температура коллекторного перехода (с учетом условий охлаждения прибора) не превышает максимально допустимую.
статический коэффициент усиления по току ®ст — отношение тока коллектора к току базы.
Работа транзисторов в предельных режимах соответствует границе гарантированной надежности, поэтому использование предельных режимов в схемах, от которых требуется высокая надежность, не допускается.
