Принцип действия полупроводниковых вентилей основан на явлении односторонней проводимости границы раздела двух полупроводников с различными типами электропроводности: электронной (электропроводность n-типа) и дырочной (электропроводность p-типа). Область электропроводности n-типа характеризуется тем, что прохождение тока здесь происходит за счет переноса отрицательно заряженных электронов, избыточное количество которых создается путем ввода в монокристалл полупроводника донорных примесей, например сурьмы, мышьяка, фосфора. В области электропроводности p-типа прохождение тока обусловлено переносом положительно заряженных "дырок" (дырка - это атом, у которого не хватает одного электрона и который, следовательно, обладает положительным зарядом, по абсолютной ре личине равным заряду электрона). Дырки получаются путем введения в монокристалл полупроводника акцепторных примесей, например индия, бора, алюминия.

Вместе с тем следует отметить, что вследствие теплового разрыва связей между атомами в примесных полупроводниках всегда наряду с основными носителями, концентрация которых большая, существуют также неосновные носители: дырки в полупроводниках p-типа и электроны в полупроводниках n-типа. В полупроводниках без примесей число электронов всегда равно числу дырок.

При непосредственном контактировании двух полупроводников, один из которых обладает электронной, а другой дырочной электропроводностью, получается так называемый электроннодырочный переход ( p-n переход), основным свойством которого является зависимость величины его сопротивления от полярности приложенного напряжения. Для присоединения к внешней цепи у p-n областей полупроводника создают омические контакты с выводами.

Рассмотрим на примере двухслойного кристалла кремния процессы, происходящие в p-n переходе при воздействии на него внешнего напряжения. Если к p-области приложить положительный потенциал, а к n-области - отрицательный, то основные носители тока будут двигаться в пограничном слое навстречу друг другу (рис. 1 а). В результате сопротивление p-n перехода уменьшается и через границу раздела проходит прямой ток I_np, ограниченный практически только сопротивлением нагрузки R_н. Внешнее напряжение U_np такой полярности называется прямым или проводящим.

При изменении полярности приложенного напряжения (рис. 1 б) дырки в р-области и электроны в n-области полупроводника будут удаляться от границы раздела, что приводит к увеличению сопротивления p-n перехода, а поток основных носителей уменьшается до нуля. Через p-n переход проходит незначительный ток, создаваемый неосновными носителями, для которых приложенная разность потенциалов является ускоряющей. Внешнее напряжение такой полярности называется обратным U_обр или запирающим, а обусловленный им небольшой ток - обратным током I_обр .

Рис. 1. Прохождение тока через р-n переход полупроводникового диода. а — открытое (проводящее) состояние; б — закрытое (непроводящее) состояние; в — вольт-амперная характеристика.

Таким образом, значение и направление тока, проходящего через р-n переход двухслойной полупроводниковой структуры, зависят от значения и знака внешнего напряжения, т. е. р-n переход обладает выпрямляющими (вентильными) свойствами.

Зависимость тока I, проходящего через р-n переход, от приложенного к нему напряжения U называется вольт-амперной характеристикой перехода. Эта характеристика имеет две ветви (рис. 1в): одна расположена в первом квадранте и соответствует проводящему направлению в р-n переходе (прямому току в нем), вторая - в третьем квадранте и характеризует запирающие свойства перехода.

 

 

 

Кремниевые вентили. В качестве исходного материала этих диодов применяют тонкие 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.

Кремниевый диск с р-n переходом впаивается между молибденовыми пластинками (рис. 2а), обладающими примерно таким же коэффициентом линейного расширения, как и кремний, и хорошей теплопроводностью. Электрод, присоединяемый к слою полупроводника с электропроводностью л-типа, является катодом К, а электрод, присоединяемый к слою с электропроводностью р-типа - анодом А (рис. 2а, б).

Полученная таким образом двухслойная монокристаллическая р-n структура помещается в неразборный герметичный металлостеклянный или керамический корпус, предохраняющий ее от внешних воздействий (влаги, грязи, механических повреждений).

Рис. 2. Устройство (а), условное обозначение (б), статические вольт- амперные характеристики (в) при различных температурах р-п перехода и конструкция (г) кремниевого диода.

 

Нижняя часть корпуса выполняется в виде шестигранной гайки и заканчивается шпилькой с резьбой для ввинчивания вентиля в охладитель (рис. 2г). Такая конструкция корпуса диода обеспечивает хороший отвод тепла от р-n перехода в окружающую среду и служит в качестве наружного вывода катода. Внешним выводом анода является гибкий медный провод с наконечником, изолированный от корпуса изолятором.

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.

На рис. 2, в изображены вольт—амперные характеристики кремниевого диода на номинальный ток 200 А. Прямая ветвь содержит два характерных участка: на первом, совпадающем с осью абсцисс, участке вентиль имеет сравнительно большое сопротивление и с ростом прямого напряжения ток растет незначительно; на втором участке при увеличении U_np˃U_о сопротивление вентиля резко уменьшается, а прямой ток I_пр возрастает до значений, определяемых сопротивлением нагрузки.

На обратной ветви различают три характерных участка: первый участок ОА (рис. 2в) сравнительно невелик, вентиль обладает еще малой проводимостью и через переход проходит небольшой I_обр, измеряемый миллиамперами; на втором участке АБ при значительном увеличении обратного напряжения ток I_о6р достигает насыщения и незначительно возрастает; третий участок БВ характерен тем, что при определенных значениях обратного напряжения ток I_обр резко возрастает и наступает пробой р-n перехода. Величина напряжения U_n, при котором обратная ветвь резко изгибается, называется пробивным напряжением.

Для нормальной работы вентиля наибольшее допустимое (номинальное) обратное напряжение U_{обр. н} берут вдвое меньшим по сравнению с пробивным напряжением U_n.

Кремниевые силовые вентили выпускаются на токи от 10 до 1000 А и обратные напряжения от 100 до 1500 В.

 

Германиевые вентили. Электронно-дырочный переход данных вентилей получается путем сплавления пластинки германия электропроводности n- 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. 3а), 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. 3г).

На рис. 3в изображены вольт-амперные характеристики германиевого вентиля на ток 10 А. Германиевые вентили по сравнению с кремниевыми обладают меньшим прямым падением напряжения, а также меньшими значениями допустимых обратных напряжений (500 - 600В по сравнению с 700 - 1500В у кремниевых вентилей). Обратный ток этих вентилей на порядок больше, чем у кремниевых.

 

Рис. 3. Устройство (а), условное обозначение (б), статические вольт-амперные характеристики (в) и конструкция (г) германиевого вентиля.

 

Селеновые вентили. Основу этих вентилей (рис. 4а) составляет алюминиевая или стальная пластинка 1 круглой или квадратной формы с отверстием в центре, на которую наносится кристаллический селен 2, имеющий электропроводность р-типа. Слой структуры с электропроводностью n-типа образуется в селене при соприкосновении его с контактным слоем 4, состоящим из сплава олова с кадмием. В вентилях А-типа атомы кадмия диффундируют из сплава, наносимого в расплавленном состоянии на поверхность селена, а в вентилях Т-типа - кадмий диффундирует из тонкого слоя сплава, предварительно нанесенного на стальную пластинку, на которую затем набрызгивается расплавленный селен. На границе слоев селена с разными типами электропроводности образуется p-n переход 3/

Отдельные селеновые элементы, собранные на изолированной металлической шпильке и соединенные между собой электрически по определенной схеме, составляют выпрямительный столбик (рис. 4г).

 

Рис. 4. Структура (а), условное обозначение (б), статические вольт-амперные характеристики (в) селеновых вентилей (А — на алюминиевой, Т — на стальной основе) и устройство выпрямительного столбика (г).

 

Вольт-амперные характеристики селеновых вентилей, снятые на постоянном токе при различных температурах, приведены на рис. 4в. Селеновые элементы допускают значительно меньшие плотности прямого тока 50 - 60 мА/см² и меньшие значения обратного напряжения 40 - 50 В, чем германиевые и кремниевые вентили, допускающие плотности прямого тока 40 - 80 А/см² и значения обратного напряжения 400 - 1200 В.

Значение нормально допустимого прямого тока селеновых вентилей зависит от размера элемента (табл. 1).

 

Параметр Условное обозначение размеров элемента 75 90 100 120 130 140 Размеры элемента, мм .... 75 х 75 90 х 90 100 х 100 100 x 200 100 х 300 100 х 400 Среднее значение тока, А . 1,2 1.8 2,0 4,0 6,0 8,0

 

Для повышения значения U_{обр. доп} широко используется последовательное соединение селеновых элементов в одном выпрямительном столбике, при этом не требуется применения делителей напряжения (уравнивающих сопротивлений), в которых нуждаются германиевые и кремниевые вентили.

Характерной особенностью селеновых вентилей является большая перегрузочная способность (так как они имеют значительную тепловую инерцию) по сравнению с германиевыми и кремниевыми вентилями, а также меньшая чувствительность к кратковременным перенапряжениям. Это происходит потому, что при случайных перенапряжениях место пробоя застекловывается аморфным селеном и селеновый вентильный элемент восстанавливает свои свойства.

Отмеченные свойства селеновых вентилей являются стимулом к применению их в выпрямителях на низкие напряжения и большие токи: зарядные устройства, гальванические и электролитические установки и др.

Вольт-амперные характеристики полупроводниковых вентилей зависят от температуры p-n перехода. С ростом температуры у всех типов диодов имеют место: снижение прямого падения напряжения (см. рис. 2в; 3в и 4в) при тех же прямых токах; значительное увеличение обратного тока, сопровождаемое некоторым увеличением пробивного напряжения у кремниевых и селеновых диодов.

 

 

 

Основным элементом управляемых вентилей или, как их чаще называют, тиристоров является кремниевый диск с электронным типом электропроводности, в котором специальными технологическими методами создается четырехслойная полупроводниковая структура, в которой чередуются слои с разными типами электропроводности (p-n-p-n). В результате получается монокристаллическая структура с тремя p-n переходами П₁ - П₂ - П₃, включенными последовательно (рис. 5а).

 

Рис. 5. Управляемый кремниевый вентиль-тиристор. а — схема четырехслойной структуры; б — условное обозначение; в — устройство тиристора (схематическое); г — схема конструкции таблеточного тиристора; 1 — корпус; 2 — полупроводниковая структура; 3 и 4 — верхнее и нижнее основания.

 

Полупроводниковая структура тиристора монтируется: либо в обычный металлостеклянный или керамический корпус, основание которого имеет шпильку с резьбой и является внешним выводом анода, катодом - гибкий медный вывод с наконечником, управляющий электрод выводится в сторону катода (см. рис. 6в); либо помещается в металлокерамический таблеточный корпус круглой формы, который герметизируется холодной сваркой (рис. 5г).

Таблеточный корпус вентиля с помощью прижимного устройства соединяется с охладителями из алюминиевых сплавов, обеспечивая электрические и термические контактные соединения структуры корпуса и охладителей, которые имеют развитую поверхность. Токоотвод от анода и катода тиристора осуществляется непосредственно с охладителей при помощи медных шин, вывод от управляющего электрода расположен сбоку.

При включении тиристора в электрическую цепь с регулируемым источником постоянного тока (рис. 6а), полярность которого можно изменять, связь между током, проходящим через тиристор в прямом и обратном направлениях, и напряжением между анодом и катодом отражает статическая вольтамперная характеристика (рис. 6б). Если цепь управляющего электрода тиристора не подключена к источнику U_у, а напряжение между анодом и катодом не превышает допустимое значение U_nep, то независимо от полярности приложенного напряжения U_ист между анодом и катодом ток практически не проходит.

 

Рис. 6. Вольт-амперные характеристики тиристора. а — схема для снятия характеристик; б — статические вольт-амперные характеристики; в — общий вид тиристора типа Т-160 без охладителя.

 

Действительно, если на анод тиристора подаётся отрицательный потенциал, а на катод - положительный, то к среднему переходу П₂ (рис. 5а) будет приложено прямое напряжение U_пр, а к переходам П₁ и П₃, соединенным последовательно, - обратное напряжение U_o6p. Тиристор оказывается запертым. Через него и во внешней цепи проходит небольшой обратный ток I_обр, что соответствует обратной ветви вольт-амперной характеристики тиристора, которая подобна ветви I_обр = I(U_обр) силового кремниевого диода (см. рис. 2в). Если же потенциалы на аноде и катоде тиристора подаются наоборот, то к переходу П₂ будет приложено обратное напряжение, что и определяет снова закрытое состояние управляемого вентиля.

Перевод тиристора из закрытого состояния в открытое может быть осуществлен двумя способами:

1) подачей на анод вентиля прямого напряжения, превышающего напряжение переключения U_nep (рис. 66), при этом резко уменьшается сопротивление прибора (тиристор открывается) и увеличивается ток, значение которого ограничивается сопротивлением внешней цепи. Однако такое открывание по аноду (напряжением U_пер ) для тиристоров обычно не допускается;

2) подачей на управляющий электрод положительного импульса напряжения U_у при прямом напряжении на аноде вентиля. Под действием U_у через переход П₃ будет проходить небольшой ток I_у, нейтрализующий действие закрытого перехода П₂, и тиристор открывается при меньшем значении U_пер. В направлении от анода к катоду вентиля будет проходить прямой ток I_пр, значение которого практически ограничивается только сопротивлением внешней цепи R_H, так как падение напряжения в открытом тиристоре весьма мало и не превышает 0,5 - 1,2 В (рис. 6,6 - прямая ветвь).

Такой процесс отпирания тиристора происходит очень быстро (не более 15 - 20 мкс). С ростом I_у снижается напряжение переключения U_пер тиристора и открытому состоянию прибора соответствует вольт—амперная характеристика обычного неуправляемого вентиля. Если изменить, полярность напряжения, приложенного между анодом и катодом тиристора, то ранее открытый переход П₂ в течение 25 - 250 мкс (в зависимости от мощности вентиля) восстанавливает свои запирающие свойства и тиристор снова готов к работе.

При питании тиристора от источника постоянного тока его запирающие свойства можно восстановить только путем разрыва анодной цепи или с помощью специальных устройств кратковременно создать на аноде отрицательное напряжение. При питании от источника переменного напряжения тиристор "закрывается" во время отрицательной полуволны напряжения.

Для правильной эксплуатации тиристора не следует допускать, чтобы амплитуда анодного напряжения при отсутствии управляющего сигнала превышала U_nep. Обратное напряжение, периодически прикладываемое к тиристору, не должно превышать U_{обр. макс}, так как в противном случае произойдет необратимый пробой вентиля.

 

 

 

В настоящее время промышленность выпускает в широком ассортименте полупроводниковые вентили на средние и большие токи, применение которых позволяет создавать экономичные, малогабаритные и с высокой эксплуатационной надежностью преобразователи переменного тока.

Селеновые вентили на алюминиевой основе А-типа (старое обозначение АВС) и Г-типа (старое обозначение ТВС) выпускаются в виде выпрямительных столбиков, собранных из элементов квадратной формы по определенной схеме выпрямления. На одной изолированной шпильке с помощью выводов и перемычек могут быть получены как отдельные плечи выпрямителя, так и законченные выпрямительные схемы: со средней точкой, трехфазный мост и др.

По величине допустимого обратного напряжения вентили разделяются на следующие классы:

 

Класс вентиля .....................................  В   Г   Д   Е   И   К

Допустимая величина действующего

значения напряжения на один

элемент, В ........................................... 20 25 30 35 40 45

 

Величина нормально допустимого тока зависит от активной площади выпрямительного элемента и в среднем равна 25 мА/см².

По величине прямого падения напряжения различают четыре группы селеновых вентилей: к 1-й группе относятся вентили с ΔU_{а. н} ≥ 0,65 В, ко 2-й группе - с ΔU_{а. н} — 0,55 ÷ 0,65 В, к 3-й группе - с ΔU_{а. н} = 0,45 ÷ 0,55 В и к 4-й группе с ΔU_{а. н} ≤  0,45 В.

Германиевые вентили. Для использования в разнообразных выпрямительных схемах небольшой мощности, работающих на низкой частоте 50 - 2000 Гц, выпускаются сплавные германиевые диоды серии ДЗ00, которая состоит из шести типов вентилей (табл. 2).

 

Параметр Тип вентиля Д302 Д302А Д303 ДЗОЗА Д304 Д305 Максимальный прямой ток (среднее значение) при tокр. среды от +20 до -60°С, А .......................................... 1 1 3 3 5 10 Максимальное обратное рабочее напряжение (амплитудное значение), В ...........................................  200 200 150 150 100 50 Прямое падение напряжения, В ......................  0,30 0,30 0,35 0,35 0,30 0,35 Обратный ток (среднее значение ) при Uобр.макс, мА 0,8 1.2 1,0 1,2 2,0 2,5

 

Диоды оформлены в металлическом сварном герметизированном корпусе, имеют винт и гайки для крепления на теплоотводящем шасси.

Выпускаются также мощные германиевые вентили типов ВГВ-200, ВГВ-500 и ВГВ-1000 с водяным охлаждением на токи 200-500-1000 А, которые характеризуются низким прямым падением напряжения от 0,4 до 0,6 В и малыми обратными токами 20 - 30 мА при напряжениях на вентиле от 50 до 150 В. Вентили имеют малые габариты и высокий к. п. д., достигающий 98 - 99%.

Кремниевые неуправляемые вентили (диоды). Промышленностью выпускаются силовые кремниевые вентили серий ВК2 и ВЛ, каждая из которых состоит из нескольких типов вентилей с воздушным охлаждением (ВК2-10, ВК2-25, ВК2-50, ВК2-200 и ВЛ-10, ВЛ-25, ВЛ-50, ВЛ-200, ВЛ-320) и с водяным охлаждением (ВК2В-350, ВК2В-500 и ВЛВ-320, ВЛВ-500) с предельными токами в одном вентиле от 10 до 500 А.

Кремниевые силовые вентили нормально работают при температуре окружающей среды от -50 до 140°С (ВК2 и ВЛ) и от +5 до +65°С (ВК2В и ВЛВ); имеют относительно высокое значение прямого падения напряжения от 0,6 до 0,8 В, однако обратные напряжения, выдерживаемые этими диодами, достигают значений от 100 до 1500 В, а обратные токи при этом равны 1 - 5 мА.

В соответствии с ГОСТ 10662-63 силовые кремниевые вентили делятся на шесть групп по величине прямого падения напряжения при номинальном значении тока ΔU_{а. н} от 0,4 до 1,0 В, а по величине допустимого амплитудного значения обратного напряжения подразделяются на 14 классов от 50 до 1000 В.

Кремниевые управляемые вентили (тиристоры). Электротехническая промышленность СССР производит большое количество различных типов тиристоров на предельный ток от 10 до 1000 А и повторяющееся (номинальное) напряжение 100 - 1200 В. К числу наиболее распространенных относятся:

1. тиристоры серии Т, которая состоит из шести типов вентилей с воздушным охлаждением Т-10, Т-25, Т-50, Т-100, Т-200, Т-300 и трех с водяным охлаждением Т2-400, Т2-750, Т2-1000;

2. тиристоры с лавинной характеристикой серии ТЛ и ТЛВ на ток 160, 250 и 320 А.

Выпускаются также специальные тиристоры: симметричные серии ТС (ВКДУС), высокочастотные серии ТЧ, быстродействующие серии ТБ, таблеточной конструкции серии ТТ2 и др.

Время включения тиристоров серий Т и ТЛ не превышает 20 мкс. Время выключения, необходимое для восстановления управляющих свойств, составляет 25 - 70 мкс. Малое падение напряжения 0,7 - 1,4 В при номинальном прямом токе и небольшая мощность управления 1,25 - 2,5 Вт обеспечивают высокий к. п. д. тиристоров (98 - 99%).