Кремниевые выпрямители

В последнее время на тяговых подстанциях постоянного тока применяют в качестве преобразовательных устройств исключительно полупроводниковые выпрямительные установки. Основным рабочим элементом этих установок являются полупроводниковые вентили (приборы), в которых осуществляется выпрямление переменного тока.
Полупроводниками называют материалы, величина электропроводности которых имеет промежуточное значение между электропроводностью металлов и изоляторов. Характер электропроводности различных полупроводниковых материалов неодинаков. Полупроводники, имеющие избыток свободных электронов, обладают электронной проводимостью (типа п). Электронам, как известно, свойствен отрицательный заряд. Полупроводники, которые имеют избыток положительно заряженных частиц, так называемых дырок, обладают ионной (дырочной) проводимостью (типа р).
Кристаллы одного и того же полупроводника (например, германия или кремния) могут иметь различные типы проводимости в зависимости от того, какие введены в них примеси. Так, добавление мышьяка или сурьмы приводит к образованию в полупроводнике избытка свободных электронов, а индия или бора — дырок. Дырки и электроны являются подвижными носителями зарядов. Принцип действия полупроводниковых вентилей основан на односторонней проводимости слоя на границе двух полупроводников с различными типами электропроводимости.
Находясь в непрерывном беспорядочном движении, электроны и дырки проникают через границу раздела (называемую электронно-дырочным переходом или р-п- переходом). Электроны, проникая из области п (рис. 32, а) в область р, заряжают отрицательно слой, граничащий с областью р. Дырки, двигаясь в противоположном направлении, заряжают положительно слой, граничащий с областью п. В результате этого создается так называемый барьерный слой, внутри которого с одной стороны образуется объемный положительный заряд, а с другой — отрицательный, т. е. устанавливается внутреннее электрическое поле напряженностью Ев, направленное из области в область р. Это поле препятствует дальнейшему проникновению носителей заряда — электронов и дырок из одного полупроводника в другой.
Включим вентиль в электрическую цепь таким образом, чтобы плюс источника питания был подсоединен к области, а минус — к области р. Образующееся при этом в. полупроводниках внешнее электрическое поле Е'| направлено согласно с внутренним полем Ев. Под воздействием внешнего поля положительно заряженные ионы (дырки) в области р устремляются в направлении поля, а отрицательно заряженные электроны—-в противоположную сторону. Иными словами, как дырки, так и электроны отходят от (р-п-) перехода, лишая пространство около него подвижных носителей заряда. Заряженный слой у (р-п-) перехода расширяется, а его поле усиливается. Движение зарядов и усиление внутреннего поля будут продолжаться до тех пор, пока приложенное к вентилю напряжение источника питания не сосредоточится в барьерном слое.
Вентиль в этом случае не проводит тока и приложенное к нему напряжение называют обратным.
Подключим теперь плюс источника питания к области, а минус — к области п. Внешнее электрическое поле будет направлено противоположно внутреннему полю. Под действием поля £"в дырки начнут двигаться к области п, а электроны — к области р. Если напряженность внешнего поля превысит напряженность внутреннего поля (Ё"п>Ев), дырки и электроны будут проходить через (р-п-) переход. Электроны и дырки, проникая соответственно в области р и п, будут в каждой из них взаимно нейтрализовать заряд друг друга — рекомбинировать, уступая место прибывающим новым электронам и дыркам (положительный заряд дырки равен отрицательному заряду электрона). Через вентиль в этом случае проходит электрический ток и приложенное к нему небольшое напряжение называют прямым. Оно создает в полупроводниках такую напряженность электрического поля, которая необходима для поддержания в них тока.
Таким образом, вентиль пропускает ток только в том случае, если положительный полюс источника питания подключен к области р. При противоположной полярности источника питания тока в вентиле практически нет. Это свойство полупроводников и позволяет использовать их для преобразования переменного тока в постоянный. Действительно, при подключении вентиля последовательно с нагрузкой R к сети переменного напряжения вентиль будет пропускать ток только в направлении, показанном стрелкой. Ток t0 в нагрузке, вызванный напряжением «о, хотя и переменный по величине, идет в одном направлении. В этом случае в сети переменного напряжения и появится ток.