содержание   ..   130  131  132  133  134  135  136  137  138  139  .. 

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ВЕНТИЛИ-ДИОДЫ И СТАБИЛИТРОНЫ ТЕПЛОВОЗА

Устройства селеновых, германиевых и кремниевых полупроводников диодов

Рассмотрим основные устройства селеновых, германиевых и кремниевых полупроводников диодов.

Главная особенность диодов состоит в том, что они пропускают ток лишь в одном направлении и совсем или почти совсем не пропускают его в обратном направлении. Первое направление прохождения тока называют прямым током, противоположное— обратным током. Иными словами, электрическое сопротивление диода при прохождении прямого тока очень мало, а при обратном токе — велико. Поэтому полупроводниковые диоды используют главным образом в качестве электрических вентилей. Свое название электрический вентиль получил по аналогии с обратным клапаном (вентилем) в водяном трубопроводе. Такой клапан легко пропускает воду в «прямом» направлении. Если же направление потока воды изменится, то клапан автоматически
под действием напора воды закроется и запрет трубу. Вода в обратном направлении благодаря клапану проходить не сможет.

Стабилитроны отличаются от диодов режимом работы. Для стабилитрона нормальным рабочим режимом является электрический пробой. Благодаря этому свойству стабилитроны используются для поддержания постоянным (стабилизации) напряжения на определенных участах электрических цепей. Например, если в цепь с изменяющимся напряжением включают аппарат, рассчитанный для работы на ограниченном напряжении, то параллельно ему присоединяют стабилитрон. Рабочее напряжение аппарата должно быть равно напряжению пробоя стабилитрона. Если напряжение в цепи будет повышаться выше нормы, то происходит пробой стабилитрона, через него проходит ток и предупреждается дальнейшее повышение напряжения на зажимах стабилитрона и присоединенного к нему прибора. При этом ток пробоя стабилитрона не должен превышать определенной величины во избежание теплового пробоя, разрушающего полупроводник. Таким образом, стабилитрон напоминает плотину электростанции на реке. Она поддерживает определенный уровень воды, создавая постоянный напор на турбинах. Излишняя вода сливается через плотину, предупреждая чрезмерный рост напора при увеличении расхода воды (например, при паводке).

Селеновый диод (рис. 229) состоит из опорного электрода, на который нанесен слой селена, затем слой покровного металла, и контактной шайбы. Опорный электрод изготавливается из никелированной стали или алюминия, Покровным металлом является сплав олова, висмута и кадмия. Контактная шайба служит вторым электродом.

Рис. 229. Селеновый диод:
а — общий вид; б — условное обозначение на электрических схемах

Селен принадлежит к полупроводникам с р-проводимостью. В процессе изготовления диода происходит диффузия кадмия в селен, образуется слой селенида кадмия, обладающий свойствами полупроводника типа п Между селеном и этим слоем возникает р-п переход, являющийся запирающим слоем. После сборки производится формовка диода. Для этого через него пропускают постоянный ток в направлении, противоположном прямому току. При формовке повышается качество запирающего слоя, увеличивается его обратное сопротивление.

Селеновый диод хорошо пропускает ток от опорного электрода через селен, запирающий слой, покровный металл к контактной шайбе. В противоположном направлении сопротивление запирающего слоя в сотни раз больше, чем в прямом, поэтому обратный ток ничтожен по своей величине. Если обратное напряжение превысит допустимые пределы, то происходит пробой диода. В выпрямительных устройствах количество диодов, соединенных последовательно, берется с таким расчетом, чтобы обратное напряжение на каждом из них не превосходило допустимого значения (22—25 В). Величина прямого тока диода ограничивается нагревом.
Так, селеновые диоды выдерживают температуру не более 70—75° С. Для получения достаточно большого по величине выпрямленного тока соединяют параллельно несколько диодов.

Обычно селеновые диоды собирают в виде столбиков. Селеновый выпрямитель, применяемый на тепловозах ТЭЗ, показан на рис. 230. Столбик выпрямителя состоит из 16 диодов, соединенных по два последовательно в восемь параллельных групп. Селеновые диоды (шайбы) столбика стянуты шпилькой и укреплены па изоляционной панели с помощью угольников. Внешняя цепь подключается к зажимам, которые посредством перемычек и выводов соединены с селеновыми шайбами. На каждой секции тепловоза ТЭЗ установлены два селеновых выпрямительных столбика (выпрямителя) в электрических цепях тахогенераторов Т1 и Т2. На тепловозах ТЭЗ последних выпусков селеновые выпрямители собирались из шайб квадратной формы, число их было уменьшено до 12.

Развитие полупроводникой техники привело к созданию более совершенных германиевых и кремниевых диодов. Эти диоды пропускают во много раз больший по величине прямой ток, чем селеновые вентили. Максимальные обратные напряжения германиевых диодов достигают 200 В, а кремниевых— 1000 В и более. Кремниевые диоды могут работать при температуре до 150—180° С. Поэтому при использовании в равных условиях масса и габариты германиевых или кремниевых диодов во много раз меньше, чем селеновых. Коэффициент полезного действия селеновых вентилей составляет около 80%, а новых диодов — до 99%.

В германиевых и кремниевых приборах используются тщательно очищенные полупроводники с добавкой к ним незначительного (обычно менее 0,001%), строго установленного количества определенной примеси. Малое содержание примеси не изменяет исходную монокристаллическую структуру полупроводника. Однако примесь создает так называемую примесную проводимость, которая многократно превышает собственную проводимость чистого полупроводника и тем самым повышает эффективность его работы. Кроме того, примесь придает проводимости полупроводника определенный характер р-или п-проводимости. Донаторные примеси образуют избыток свободных электронов и обеспечивают n-проводимость полупроводника, акцепторные примеси захватывают электроны из кристаллической решетки полупроводника, устанавливая р-проводимость. В монокристаллическом полупроводнике р-n переход (запирающий слой) создается только на границе между двумя слоями с различными типами проводимости.

Примеси в полупроводники для образования р-n перехода добавляются сплавным или диффузионным методами. В первом случае полупроводник непосредственно сплавляется с материалом примеси, во втором — в вакуумной камере при высокой температуре происходит диффузия атомов из паров примесного материала в полупроводник.
 

Рис. 230. Селеновый выпрямитель

Рис. 231. Германиевый диод

Устройство германиевого диода показано на рис. 231. Основной его частью является тонкая пластина, которая вырезана из монокристалла германия с донаторной примесью (сурьма или мышьяк) и имеет n-про-водимость. В пластину вплавлена капля индия. В результате термодиффузии атомы индия проникают в германий и, будучи акцепторной примесью, образуют слой с проводимостью р. На границе между областями с р- и n-проводимостями возникает р-n переход, являющийся запирающим слоем. Площадь пластины германия зависит от силы тока, на которую рассчитывается диод. Пластину припаивают к массивному основанию, которое хорошо отводит от нее тепло во избежание перегрева. К основанию подключен нижний зажим диода. Верхний зажим связан с индиевой

наплавкой гибким соединением. Германиевая пластинка защищена герметичным металлическим корпусом.

Верхний зажим отделен от крышки

корпуса изолирующей втулкой. Анодом является верхний зажим диода, катодом — нижний, прямой ток проходит от индия к германию.

Кремниевый диод имеет аналогичное устройство. Его основной частью является пластина, вырезанная из

монокристалла кремния, с вплавленным в нее алюминиевым столбиком. Кремний имеет n-проводимость, которая усиливается донаторной примесью с помощью напыления сурмянистого золота. Алюминий создает акцепторную примесь, и этот слой кремния приобретает р-проводимость. В

пластине кремния образуется р-n переход, обладающий вентильными свойствами.

В силовых кремниевых диодах (рис. 232), рассчитанных на прохождение токов большой величины (до 1000 А), р-n-переход в кремниевой пластине создается диффузионным способом. В кремниевую пластину с одной стороны вводят акцепторную примесь бора, а с другой стороны — донаторную примесь фосфора. В пластине появляются зоны с р- и n-проводимостями, а на их границе возникает запирающий слой. Для защиты хрупкой кремниевой пластины от механических повреждений к ней с двух сторон припаивают вольфрамовые пластины, имеющие одинаковый с кремнием коэффициент линейного расширения. Нижняя вольфрамовая

пластина в свою очередь припаяна к основанию корпуса, а верхняя с помощью контактной чашечки вывода и втулки соединена с гибким шунтом, имеющим наконечник. От воздействия внешней среды и механических повреждений полупроводниковый элемент с внутренними выводами герметично закрыт корпусом и крышкой.

Для усиления охлаждения мощных диодов на их основание и нижнюю контактную шпильку устанавливают радиаторы, имеющие плоские металлические ребра. Благодаря этому поверхность охлаждения диода увеличивается. Чтобы еще более усилить отвод тепла, радиатор помещают в поток охлаждающего воздуха.

В цепях постоянного тока вентиль применяют как запирающее устройство и включают последовательно с участком цепи, в котором необходимо обеспечить прохождение тока лишь в одном направлении, например в цепи заряда аккумуляторной батареи от вспомогательного генератора.

Рис. 232. Диод, оборудованный радиатором воздушного охлаждения:
а — общий вид: б — продольный разрез (без радиатора)

содержание   ..   130  131  132  133  134  135  136  137  138  139  ..