Полупроводниками называют материалы, занимающие промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Особенность металлических проводников в том, что в них имеются свободные электроны — носители электрических зарядов. В диэлектриках таких электронов нет, поэтому они не проводят ток. Электропроводность полупроводников существенно возрастает при введении в них различных примесей, причем проводимость может быть электронной (n) или дырочной (р). Она во многом зависит от температуры, освещенности, напряженности электрического поля, сжатия и других факторов.

Система из двух полупроводников с проводимостью разного типа (р или т) способна пропускать ток только в одном направлении, т.е. она обладает односторонней проводимостью, и может быть использована в качестве электрического вентиля. При подаче прямого напряжения вентиль будет открыт, в этом случае сопротивление его очень мало. При подаче обратного (запирающего) напряжения сопротивление вентиля будет велико, поэтому ток протекать не сможет. На основе вентильных свойств р-п перехода созданы полупроводниковые приборы: диоды, транзисторы, тиристоры и др., которые отличаются друг от друга числом р-n переходов. Например, диод имеет один переход, транзистор — два, тиристор — три.

Диоды. На рис. 3.77, а схематично показан полупроводниковый вентиль — диод, представляющий собой контактное соединение двух полупроводников с положительной (р) и отрицательной (n) проводимостью. В пограничном слое полупроводника n-типа возникает положительный заряд, в пограничном слое полупроводника р-типа — отрицательный. Между ними возникает разность потенциалов (потенциальный барьер) и образуется электрическое поле, т.е. на границе двух полупроводников появляется тонкий слой, обладающий большим сопротивлением (его называют запирающим р-п переходом).

Если соединить положительный зажим источника тока с полупроводником n-типа (рис. 3.77, б), а отрицательный зажим — с полупроводником p-типа, то внешнее электрическое поле будет направлено согласно полю р-n перехода и усилит его. Это будет еще больше препятствовать прохождению электрических зарядов через запирающий слой. При изменении полярности источника питания (рис. 3.77, в) внешнее электрическое поле окажется направленным встречно полю р-n перехода. Под действием этого поля возрастет число основных носителей зарядов, уменьшится потенциальный барьер, сопротивление переходного слоя. В цепи начнет протекать ток в прямом направлении.

Рис. 3.77. Общий вид структуры полупроводникового вентиля (a), включение диода в обратном направлении (б), включение диода в прямом направлении (в)

Рассмотрим вольт-амперную характеристику диода (графическую зависимость тока, проходящего через диод, от приложенного к нему напряжения). Для наглядности прямую и обратную ветви характеристики обычно показывают в разных масштабах (рис. 3.78). При включении диода в прямом проводящем направлении вольт-амперная характеристика круто поднимается вверх: при малом прямом напряжении (U_np=1В) в цепи диода протекает большой ток. При включении диода в обратном, непроводящем направлении через него протекает малый обратный ток, который мало изменяется при возрастании обратного напряжения. Однако при достижении некоторого максимума (напряжения пробоя U_проб) обратный ток резко увеличивается, и происходит электрический пробой р-n перехода. Пробой диода может произойти и при его включении в прямом направлении, когда приложенное напряжение превысит некоторое пороговое значение. Возникает недопустимый нагрев структуры материала, и диод выходит из строя.

Рис. 3.78. Вольт-амперная характеристика и схематичное обозначение диода

Зная вольт-амперную характеристику, можно определить основные параметры диода: по прямой ветви — напряжение на диоде при номинальном токе, по обратной ветви — максимальное допустимое обратное (повторяющееся) напряжение и обратный ток.

Диоды классифицируют по назначению, мощности, частоте и др. Вентили, рассчитанные на небольшие токи (до 10 А) обозначаются буквой Д с соответствующим порядковым номером. Силовые полупроводниковые приборы, рассчитанные на большие токи, обозначают буквой В. На рис. 3.79 показаны общий вид и разрез силового кремниевого диода В200.

Рис. 3.79. Продольный разрез (а) и общий вид (б) силового кремниевого диода В200: 1 — выводной шунт; 2, 3 — соединительные втулки; 4 — крышка корпуса; 5, 7 — вольфрамовые пластинки; 6 — пластинка кремния; 8 — основание корпуса; 9 — уплотнительное кольцо; 10 — контактная чашечка; 11 — гибкий вывод; 12 — стеклянный изолятор; 13 — контакт охладителя; 14 — охладитель

Для защиты р-n перехода от тепловых и механических воздействий к кремниевой пластине 6 с обеих сторон припаивают две вольфрамовые пластинки 5 и 7, имеющие примерно одинаковый коэффициент линейного расширения. Выпрямительная структура смонтирована в герметическом корпусе 4, который защищает р-n переход от влаги и грязи. Вольфрамовые пластинки играют роль температурных компенсаторов. Конструкция диода обеспечивает воздухонепроницаемость прибора при изменении его температуры и защиту р-n перехода от воздействия динамических усилий.

Основание корпуса диода 8 является катодом, гибкий шунт с наконечником — анодом. Анод проходит через стальную крышку корпуса и изолирован от нее стеклянным изолятором 12. Основание корпуса и гибкий вывод припаивают к вольфрамовым пластинам. Для охлаждения диода используют алюминиевый многореберный охладитель 14.

Стабилитроны. Данные полупроводниковые приборы предназначены для поддержания постоянного напряжения на отдельных участках электрической цепи. Стабилитроны технологически изготовляют так, что при определенном обратном напряжении происходит их естественный пробой. Прибор начинает пропускать большой ток, а напряжение на нем практически не меняется. В цепь нагрузки стабилитрон включают в обратном направлении и для стабилизации напряжения используют обратную ветвь вольт-амперной характеристики стабилитрона (участок аб, рис. 3.80). Пока ток не превышает значения I_mах, пробой не приводит к повреждению прибора. При больших токах происходит недопустимый нагрев вентиля, и он выходит из строя. Поле снятия напряжения стабилитрон приходит в закрытое состояние.

Рис. 3.80. Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Если требуется поддерживать постоянное напряжение на нагрузке, стабилитрон включают параллельно (рис. 3.81, а). Для ограничения тока, протекающего через стабилитрон, в цепь нагрузки вводят ограничивающий резистор R_огр. При увеличении входного напряжения возрастает ток, протекающий через стабилитрон, повышаются общий ток в цепи и падение напряжения на ограничивающем резисторе. Напряжение на стабилитроне и нагрузке R_н будет сохраняться неизменным.

Если напряжение, которое требуется поддерживать на нагрузке, больше напряжения стабилизации U_ст, при котором происходит пробой стабилитрона (или, как говорят, отпирание стабилитрона), последовательно соединяют необходимое число стабилитронов.

Стабилитроны часто применяются в качестве датчиков, которые контролируют изменение напряжения (рис. 3.81, б). Как только входное напряжение станет выше напряжения стабилизации, стабилитрон отпирается, и через включенную последовательно с ним катушку реле начинает протекать ток. При этом подается сигнал для срабатывания соответствующей аппаратуры.

Рис. 3.81. Включение стабилитрона для стабилизации напряжения на нагрузке (а), включение в качестве датчика напряжения (б)

В настоящее время используют стабилитроны с напряжением стабилизации от 5 до 400 В.

Транзисторы. В отличие от диода транзистор (триод) имеет два р-n перехода и может работать как усилитель электрических сигналов или в качестве электронного ключа. Транзистор представляет собой пластину кремния или германия, состоящую из трех областей. Две крайние имеют одинаковую проводимость, а средняя — противоположную. Транзисторы, крайние области которых обладают электронной проводимостью, а средняя — дырочной, называют транзисторами типа n-р-n. Если крайние области имеют дырочную проводимость, а средняя — электронную, приборы называют транзисторами р-n-р типа. Процессы, происходящие в них, одинаковы. Области, отделенные друг от друга р-п переходами, называют эмиттером Э, базой Б и коллектором К. Эмиттер вырабатывает электрически заряженные частицы, коллектор — область, собирающая носители зарядов, база — средняя область, или основание.

Для примера рассмотрим транзистор типа р-n-р (рис. 3.82). Если на эмиттер (левую часть) подать положительный, а на коллектор (правую часть) отрицательный потенциалы от внешнего источника тока, то в цепи коллектора будет протекать очень малый ток, потому что переход П2 между базой и коллектором закрыт.

Рис. 3.82. Схема включения транзистора типа р-n-р

Чтобы прибор стал пропускать достаточно большой ток, нужно, кроме основного источника, включить дополнительный источник тока между базой и эмиттером. В этом случае произойдет смещение перехода П1 в прямом направлении, а перехода П2 — в обратном. Эмиттерный переход П1, находящийся под прямым напряжением, обладает малым сопротивлением, коллекторный переход П2 оказывается под обратным напряжением и имеет большое сопротивление. Поэтому напряжение, приложенное к эмиттеру, весьма мало (десятые доли вольта), а напряжение на коллекторе достаточно высоко (десятки вольт). Изменение тока в цепи эмиттера, вызванное малым напряжением, приводит примерно к такому же изменению тока в цепи коллектора, где действует гораздо большее напряжение. Поэтому в транзисторе мощность усиливается.

Сигнал, подлежащий усилению, подают последовательно с источником постоянного напряжения, являющимся дополнительным, между эмиттером и базой. Выходное напряжение (усиленный сигнал) снимается с нагрузочного резистора R_н, который установлен между коллектором и основным источником тока. Чем больше ток в цепи эмиттер-база, тем меньше сопротивление коллекторного перехода, тем больший ток проходит по цепи коллектора. Небольшое напряжение между эмиттером и базой управляет значительным током в цепи коллектора. Если в цепь эмиттер-база ввести источник слабых сигналов (например, микрофон), а в цепь коллектора нагрузку (мощный громкоговоритель), то слабые сигналы, подаваемые на базу транзистора, будут усиливаться и поступать на нагрузку. На этом принципе основана работа транзисторного усилителя.

Тиристоры. В элементах автоматики системы электрического торможения электропоездов широко распространены управляемые полупроводниковые вентили — тиристоры. Тиристоры изготавливают из кремния, они имеют четыре чередующихся слоя с проводимостями р и n — р-n-р-n. Они образуют три р-n перехода — П1, П2 и П3. От средней области р имеется отдельный вывод — управляющий электрод УЭ (рис 3.83). Анодом тиристора, к которому присоединяют положительный полюс источника тока, служит крайний слой р, катодом — крайний слой n.

Рис. 3.83. Схема четырехслойной структуры тиристора

Если к тиристору приложить напряжение в прямом направлении (при отсутствии напряжения на управляющем электроде), переходы П1 и П3 будут открыты, их сопротивление мало. Переход П2 окажется в непроводящем обратном направлении, его сопротивление велико. К нему будет приложено все напряжение, и в цепи протекает весьма малый ток утечки. Участок вольт-амперной характеристики ОА (рис. 3.84) похож на обратную ветвь характеристики диода. При увеличении приложенного напряжения до так называемого напряжения переключения U_вкл0 сопротивление перехода П2 резко уменьшается, и тиристор открывается (участок АБ). Он начинает работать как открытый полупроводниковый диод (участок БВ подобен прямой ветви вольт-амперной характеристики диода).

Рис. 3.84. Вольт-амперная характеристика тиристора

Тиристор можно открыть и другим способом, значительно снизив напряжение включения. Если на управляющий электрод УЭ кратковременно подать положительный потенциал от постороннего источника, то в переходе П3 появится ток управления и дополнительные носители зарядов. Тиристор откроется при меньшем напряжении, после чего носители зарядов будут свободно перемещаться через его четыре области.

Чем больше ток управляющего электрода, тем меньше напряжение открытия тиристора. Если ток I_у2 больше тока I_у1 (рис. 3.84), то напряжение включения U_вкл2 будет меньше напряжения U_вкл1. При достаточно большом токе управления I_у3, называемом током спрямления, тиристор будет работать как полупроводниковый диод. Участок ОБ его характеристики не будет иметь выступа, соответствующего прямому запертому состоянию. После открытия тиристора ток управления перестает влиять на его работу. Поэтому для его открытия достаточно подать кратковременный импульс тока на управляющий электрод.

Тиристор остается в открытом состоянии до тех пор, пока протекающий через него ток будет достаточным для поддержания процесса образования носителей зарядов в переходе П2. После того как он станет менее определенной величины (тока удержания), тиристор закроется и восстановит свои запирающие свойства. После приложения к нему обратного напряжения тиристор также закроется переходами П1 и П3 независимо от наличия напряжения на управляющем электроде.

Тиристоры имеют два устойчивых состояния: закрытое, когда его сопротивление очень велико, и тока в цепи нет; и открытое, когда сопротивление мало, и в цепи протекает ток. Поэтому тиристоры применяют в качестве бесконтактных переключателей в элементах автоматики, схемах защиты и т.д.