§ 20. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ И ТИРИСТОРЫ

Полупроводниковые диоды — это пассивные (не усиливающие сигналов) электронные приборы с одним р-n-переходом и двумя выводами (от анода А и катода К).

Их применяют в электронных схемах, предназначенных чаще всего для преобразования параметров электрических сигналов.

Принцип действия. Работу диодов можно понять, рассматривая вольт-амперную характеристику (зависимость тока I от приложенного напряжения), которая имеет нелинейный характер (рис. 94).

►   Считают, что диод подключен в прямом направлении когда к аноду подключен положительный, а к катоду отрицательный полюс источника тока.

Рис. 94. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода

Этому соответствует ветвь характеристики в I квадранте. Через диод проходит большой ток I_пр (мА) в прямом направлении. При подключении в обратном направлении (плюс к катоду, минус — к аноду) ток I_обр, проходящий через диод, очень небольшой (мкА). Этому соответствует ветвь U_обр (I_обр) в III квадранте. Такой ток называют «обратным».

►   Таким образом, диод обладает односторонней проводимостью — пропускает ток только в прямом направлении. Идеальный диод имеет нулевой обратный ток I_обр=0.

Значения (номинальные) основных параметров диодов обычно приводят в справочниках. К ним относятся: максимальный прямой ток I_{пр mах} — самый большой ток, который может длительное время проходить через диод, не повреждая его. Для различных диодов этот ток составляет от 20 мА до десятков ампер;

максимальное обратное напряжение U_{обр mах} — наибольшее значение напряжения, которое диод может выдержать длительное время без пробоя. Оно составляет от 10 до 1500 В;

обратный ток I_обр — это ток диода при напряжении U_{обр mах} и температуре 25 °С.

Рис. 95. Условные обозначения полупроводниковых диодов и тиристоров: а — диод; б — диод — стабилизатор постоянного напряжения; в — фотодиод; г — светодиод; д — тиристор

Перепад напряжения в прямом направлении определяется произведением силы проходящего тока на сопротивление диода в прямом направлении в соответствии с законом Ома

Существует большое разнообразие технологий изготовления, конструкций и параметров диодов. В зависимости от используемого материала они бывают германиевые, кремниевые, селеновые и др. По значению I_пр различают маломощные диоды (I_пр<300 мА), средней мощности и мощные (I_пр>10 А).

Диоды (рис. 95, а) используют в схемах выпрямителей тока (преобразуют переменный ток в постоянный), детекторов (демодуляторов — на вход подают модулированное напряжение, а на выходе получают информационный сигнал), ограничителей (на выходе диода сигнал принимает определенные значения), импульсных устройств (формируется импульсный сигнал) и др. Их применяют в качестве стабилизаторов постоянного напряжения (рис. 95, б). В оптоэлектронике используют свойство некоторых диодов изменять значение обратного тока пропорционально освещенности. Это фотодиоды (рис. 95, в). Диоды могут излучать свет в зависимости от силы проходящего в прямом направлении тока. Это светодиоды, (рис. 95, г).

Тиристоры (рис. 95, д и 96) — полупроводниковые приборы с тремя электрическими р-n-переходами, которые имеют два устойчивых состояния.

Их называют также управляемыми диодами из-за наличия управляющего электрода. Область р₁, в которую попадает ток из внешней цепи, называют анодом, область n₂ — катодом, области n₁ и p₂ — базами. Переход 2 называют коллекторным.

Рис. 96. Схема питания тиристора (а) и его вольт-амперная характеристика (б)

При обратном включении (плюс к катоду, минус — к аноду) тиристор заперт и его характеристика похожа на характеристику запертого диода (рис. 96, б). При подаче положительного напряжения Е_A на анод тиристор открыт — переходы 1, 3 открыты и смещены в прямом направлении, а коллекторный 2 — закрыт и смещен в обратном направлении. Когда внешнее напряжение мало U_A<<U_вкл, все оно практически падает на переходе 2, и тиристор закрыт. Когда U_A≥U_вкл в тиристоре начинается ударная ионизация и он открывается. Сопротивление перехода 2 резко снижается, а напряжение на нем вследствие этого скачкообразно падает до U_н. Тиристор открыт, пока U_А>U_н (ветвь АВ).

Напряжение на управляющем электроде не сказывается на работе прибора в открытом состоянии. Если тиристор закрыт U_А<U_н, то для его открытия необходимо подать напряжение U_A≥U_вкл . Однако тиристор можно открыть и кратковременными импульсами, которые имеют такую амплитуду, что анодное напряжение становится большим или равным напряжению включения. После исчезновения импульса U_A должно быть больше U_н.

►   Таким образом, меняя ток в управляющем электроде (I_G2>I_G1 под влиянием U_А), открывать тиристор можно при меньшем напряжении (характеристика вновь соответствует ветви АВ). Ток в управляющей цепи оказывает влияние только на момент открытия тиристора.

Номинальные параметры тиристоров: максимально допустимое напряжение при обратном включении, максимальный прямой ток, максимально допустимая рассеиваемая на аноде мощность и др. Однако эти параметры сильно зависят от температуры. Мощные тиристоры используют с устройствами охлаждения.

Напряжение прямого включения — это такое напряжение, при котором происходит открытие тиристора при открытой управляющей цепи, т. е. при I_G= 0.

Это напряжение близко к напряжению пробоя, поэтому рабочее напряжение тиристора должно быть на 20 — 50 % ниже.

Управляющий ток включения тиристора — это наименьшее значение I_G, при котором тиристор открывается.

Разные тиристоры включаются при различных I_G и Е_G. Время включения и отключения тиристора имеет важное значение для быстродействующих схем.

Тиристоры находят широкое применение вследствие большой мощности и достаточного быстродействия. Их используют в автоматических и регулирующих устройствах, в частности в управляемых выпрямителях.