2.6.1. Обозначения полупроводниковых приборов

В 1973 г. принята новая система обозначений на вновь разрабатываемые и модернизируемые приборы.

Первый элемент обозначения определяет исходный полупроводниковый материал, из которого изготовлен прибор. Для приборов устройств широкого применения обозначение исходного материала производится буквами: Г — германий или его соединения, К — кремний или его соединения, А — соединения галлия. Для приборов, используемых в устройствах специального назначения, обозначения производятся соответственно цифрами 1, 2, 3.

Второй элемент определяет подкласс прибора: транзисторы без полевых — Т, транзисторы полевые — П, диоды выпрямительные универсальные, импульсные — Д, выпрямительные столбы и блоки — Ц, диоды сверхвысокочастотные — А, варикапы — В, тиристоры диодные — Н, тиристоры триодные — У, стабилизаторы тока — К, стабилитроны — С.

Третий элемент в обозначении диодов, транзисторов и тиристоров определяет назначение прибора и обозначается цифрой.

Диоды выпрямительные малой мощности (прямой ток не более 0, 3 А) обозначаются 1, средней мощности — прямой ток от 0, 3 до 10 А — 2, диоды универсальные с рабочей частотой не более 1000 МГц — 4.

Транзисторы малой мощности (не более 0, 3 Вт) на частоту не более 3 МГц обозначаются 1, на частоту от 3 до 30 МГц — 2, на частоту более 30 МГц — 3. Транзисторы средней мощности (от 0, 3 до 1, 5 Вт) обозначаются соответственно цифрами 4, 5, 6, транзисторы большой мощности — 7, 8, 9.

Четвертый и пятый элементы означают номер разработки прибора и обозначаются цифрами от 01 до 99.

Для стабилитронов третий элемент обозначает индекс мощности, четвертый и пятый — номинальное напряжение стабилизации.

Шестой элемент в обозначении диодов и транзисторов определяет параметрическую группу приборов, а в обозначении стабилитронов — последовательность разработки и обозначается буквами от А до Я.

Примеры обозначения:

ГТ605А — транзистор для устройств широкого применения германиевый, средней мощности, номер разработки 05, группа А;

КД215А — диод выпрямительный для устройств широкого применения кремниевый, средней мощности, номер разработки 15, группа А.

Приборы, разработанные в период с 1964 до 1973 г. имеют сходную маркировку.

Приборы, разработанные до 1964 г., имеют маркировку, состоящую из двух или трех элементов.

Первый элемент: Д — диоды, П — плоскостные транзисторы, С — точечные транзисторы.

Второй элемент — цифра, указывающая тип прибора.

Диоды точечные германиевые — от 1 до 100, точечные кремниевые — от 101 до 200, плоскостные кремниевые — от 201 до 300, плоскостные германиевые — от 301 до 400, стабилитроны — от 801 до 900, варикапы — от 901 до 950, выпрямительные столбы — от 1001 до 1100.

Транзисторы: маломощные германиевые низкочастотные — от 1 до 100, маломощные кремниевые низкочастотные — от 101 до 200, мощные германиевые низкочастотные — от 201 до 300, мощные кремниевые низкочастотные — от 301 до 400.

Третий элемент — буква, указывающая разновидность прибора: П16А, П16Б.

По более ранней системе обозначений плоскостные германиевые диоды обозначаются Д7.

2.6.2. Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодом называется прибор, основой конструкции которого является один р-n переход. Условное обозначение диода (прил. 1) сохранилось от первых электровакуумных диодов. В изображении черта означает катод, а треугольник анод. Чтобы это запомнить, достаточно представить, что катод испускает электроны, и они выходят из него расходящимся пучком, образуя треугольник. Если считать проводимость диода направленной от плюса к минусу, то она будет соответствовать стрелке, образованной вершиной треугольника.

Параметры некоторых выпрямительных диодов показаны в табл.2.11,

Таблица 2.11 ПАРАМЕТРЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ

где Iпр ср — прямой средний ток: среднее за период значение тока через диод;

Uобр,и,п — обратное импульсное повторяющееся напряжение: наибольшее мгновенное значение обратного напряжения;

Uобр. макс — максимальное допустимое постоянное обратное напряжение;

Iобр, и — импульсный обратный ток: наибольшее мгновенное значение обратного тока, обусловленное импульсным обратным напряжением;

Iобр — постоянный обратный ток, обусловленный постоянным обратным напряжением;

Iобр, ср — средний обратный ток: среднее за период значение обратного тока.

Примеры маркировки диодов цветными метками приведены в табл. 2.12.

Таблица 2.12 МАРКИРОВКА ДИОДОВ ЦВЕТНЫМИ МЕТКАМИ

Универсальные и импульсные диоды — полупроводниковые диоды, имеющие малую длительность переходных процессов включения и выключения и предназначенные для применения в импульсных режимах работы.

Стабилитрон — полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации напряжения. Обратная ветвь вольт-амперной характеристики этого диода является почти прямой линией (рис. 2.2), поэтому при изменении тока, проходящего через прибор, напряжение на нем практически не меняется.

Рис. 2.2. Схемы применения полупроводниковых диодов:

а) выпрямление переменного тока с помощью выпрямительного диода. Rнагр — сопротивление нагрузки; 6) стабилизация напряжения с помощью стабилитрона. Uвх — входное напряжение, Uвых — выходное напряжение;

в), г) вольт-амперные характеристики. iпр, Unp, iобр.Uобр ~ прямые и обратные токи и напряжения, Uст — стабилизированное напряжение.

Параметры некоторых стабилитронов приведены в табл. 2.13, где Uст — напряжение стабилизации, Iст — ток стабилизации: значение постоянного тока, протекающего через стабилитрон в режиме стабилизации, Pст.макс — максимально допустимая мощность стабилизации.

Варикап — полупроводниковый диод, действие которого основано на использовании зависимости его емкости от величины обратного напряжения. Он применяется как элемент с электрически управляемой емкостью: Основные параметры некоторых варикалов приведены в табл. 2.14, где Св — емкость варикапа, Qв — добротность варикапа: отношение реактивного сопротивления варикапа на заданной частоте к сопротивлению потерь при заданной емкости или обратном напряжении.

Таблица 2.13 СТАБИЛИТРОНЫ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ

Таблица 2.14 ВАРИКАПЫ

2.6.3. Тиристоры

Тиристором .называется полупроводниковый прибор на основе четырехслойной структуры р-n-р-n, имеющий три р-n перехода. Напряжения подводятся так, что крайние переходы работают в прямом направлении, а средний — в обратном направлении. Прибор обладает свойством диода.

Если у прибора сделаны выводы только от крайних областей структуры, то он называется диодным тиристором или динистором.

Триодный тиристор, или просто тиристор, включается импульсами тока управления, а выключается или подачей обратного напряжения или прерыванием тока с помощью другого аппарата.

Запираемый тиристор выключается с помощью импульсов тока управления

Симистор (симметричный тиристор) является эквивалентом встречно-параллельного соединения двух тиристоров и способен при открытом состояние пропускать ток в обоих направлениях. Включение происходит импульсами тока управления.

Оптронный тиристор включается с помощью светового сигнала.

Основные параметры некоторых тиристоров показаны в табл. 2.15,

Таблица 2.15 ТИРИСТОРЫ

где Iос.ср.макс-ток в открытом состоянии средний максимально допустимый;

Iос, д. макс — ток в открытом состоянии действующий максимально допустимый;

Iз,и-ток запираемый импульсный (для запираемых тиристоров);

Uзс, п — напряжение в закрытом состоянии повторяющееся — наибольшее мгновенное значение напряжения, прикладываемое к тиристору;

Uзс. МАКС — напряжение в закрытом состоянии максимально допустимое;

Uот — напряжение открывания динистора;

Uобр, п — напряжение обратное повторяющееся, наибольшее значение напряжения, прикладываемого к тиристору;

Uобр, макс — напряжение обратное допустимое, максимальное значение;

Iзс, п — ток в закрытом состоянии повторяющийся;

Iзс — постоянный ток в закрытом состоянии;

Iу,от — т0К управления отпирающий;

Iу, от, и ~ отпирающий импульсный ток управления;

Iу, з, и — ток управления запирающий импульсный;

tвкл — время включения;

tвыкл — время выключения.

Тиристоры применяются в преобразователях электрической энергии.

2.6.4. Транзисторы

Транзисторами называются полупроводниковые приборы на основе кристалла с двумя р-n переходами и служащие для усиления электрических сигналов. В структуре транзистора возможно количество переходов, отличное от двух. Транзисторы с двумя р-п переходами называются биполярными, так как их работа основана на использовании зарядов обоих знаков.

Полевой транзистор — полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей, протекающим через проводящий канал, и управляемый электрическим полем. В полевом транзисторе используются заряды одного знака.

В кристалле полупроводника транзистора созданы три области электропроводности с порядком чередования р-n-р или n-р-n.

Средняя область кристалла транзистора называется базой, крайние области — эмиттером и коллектором. Переходы

между базой и эмиттером и базой и коллектором называются соответственно эмиттерным и коллекторным.

Для обозначения величин, относящихся к базе, эмиттеру и коллектору, применяют буквы б, э, к.

На изображении транзистора стрелка указывает условное направление тока в эмиттере от плюса к минусу.

В зависимости от напряжений на переходах транзистора он может работать в трех режимах.

Активный режим Получается при напряжениях прямом на эмиттерном и обратном на коллекторном переходах.

Режим отсечки или запирания — напряжения на обоих переходах обратные.

Режим насыщения — напряжения на обоих переходах прямые.

Основным является активный режим.

В схеме с транзистором образуются две цепи — входная и выходная. Во входную цепь включается управляющий сигнал, который должен быть усилен, а в выходную — нагрузка, на которой выделяется усиленный сигнал.

Предельно допустимые параметры при работе транзистора:

I к. макс — постоянный ток коллектора;

Pк, макс — постоянная рассеиваемая мощность коллектора;

Uкэ — постоянное напряжение коллектор—эмиттер;

Uкэ, R — то же при определенном сопротивлении в цепи база—эмиттер,

Uкб, макс — постоянное напряжение коллектор—база;

Uэб, макс — постоянное напряжение эмиттер—база;

h21э — коэффициент передачи тока в режиме большого сигнала в схеме с общим эмиттером;

h21э — коэффициент передачи тока в режиме малого сигнала в схеме с общим эмиттером. Коэффициент передачи означает отношение величины сигнала на выходе к величине сигнала на входе, он называется также коэффициентом усиления. .

Из частотных параметров отметим:

fh21 — предельная частота коэффициента передачи тока:

частота, на которой модуль коэффициента передачи тока h21э. уменьшается на 3 дБ;

fгр — граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером: частота, на которой h21э равен 1.

Статические параметры транзистора — параметры, определяемые при постоянном напряжении на всех его электродах.

Параметры некоторых биполярных транзисторов приведены в табл. 2.16.

Таблица 2. 16 ДАННЫЕ НЕКОТОРЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

Схемы включения транзисторов разделяются в зависимости от того, какой электрод транзистора является общим относительно входного и выходного переменных напряжений. В соответствии с этим схемы называются схемами с общим эмиттером — ОЭ, общей базой — ОБ, общим коллектором — ОК Схема ОЭ является более распространенной, так как дает наибольшее усиление по мощности. Данные схемы включения транзисторов приведены на рис. 2. 3.

Рис. 2. 3. Схемы включения транзисторов

а.) с общим эмиттером; б) с общей базой; в) с общим коллектором. ИС — источник сигнала, подаваемого на вход транзистора, Uвх, Uвых — входное и выходное напряжения сигнала, Uбэ, Uбк, Uкэ — напряжения между базой и эмиттером, базой коллектором, коллектором и эмиттером, iб,iэ,iк- токи базы, эмиттера и коллектора, E1, Е2 — источники питания, С1, С2, — конденсаторы большой емкости, сопротивление которых для переменного сигнала является малым и через которые коллектор по переменному току замкнут, являясь в схеме общим.

2.6.5. Оптоэлектронные приборы

Оптоэлектронный полупроводниковый прибор — полупроводниковый прибор, действие которого основано на использовании явлений излучения, передачи или поглощения в видимой, инфракрасной или ультрафиолетовой областях спектра.

Светоизлучающий диод — полупроводниковый прибор с одним переходом, в котором происходит преобразование электрической энергии в энергию светового излучения. Прибор предназначен для использования в устройствах визуального представления информации. Основные параметры светоизлучающих диодов приведены в табл. 2.17, где I. — сила света, мкд (милликандела), В — яркость, кд/м^2 (кандела на метр^2). Остальные параметры — как в обычных диодах.

Таблица 2.17 ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ

Полупроводниковый знаковый индикатор — полупроводниковый прибор, который состоит из нескольких светоизлучающих диодов и предназначен для использования в устройствах визуального представления информации. Некоторые параметры индикаторов представлены в той же табл. 2.17.

Оптопара — оптоэлектронный полупроводниковый прибор, который состоит из излучающего и фотоприемного элементов, между которыми имеется оптическая связь, обеспечивающая электрическую изоляцию между входом и выходом.

Основные параметры оптопар и оптоэлектронных ключей представлены в табл. 2.18, где Iвх,опт — входной ток оптопары, Uвх-вых — напряжение между входом и выходом, Uвx, обр — обратное входное напряжение, Рпотр -- потребляемая мощность, Uвх — входное напряжение, Uпит — напряжение питания, Uвых — выходное остаточное напряжение, Rи — сопротивление изоляции между входом и выходом оптопары.

Таблица 2.18 ОПТОПАРЫ И ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ КЛЮЧИ

2.6.6. Отказы полупроводниковых приборов и их проверка

Отказы полупроводниковых приборов часто связаны с пробоем, когда прибор проводит ток в обратном направлении. В основе этого явления лежит пробой р-n перехода в монокристаллической структуре, составляющей основу прибора. Существует несколько разновидностей пробоя р-n перехода.

Тепловой пробой происходит в результате тепловой ионизации атомов полупроводника и местного перегрева структуры.

Лавинный пробой происходит в результате ударной ионизации атомов полупроводника неосновными носителями в области объемного заряда.

Зенеровский пробой происходит в результате перехода валентных электронов из валентной зоны в зону проводимости. При этом происходит разрушение кристаллической решетки в области объемного заряда электрическим полем.

Поверхностный пробой происходит в местах выхода р-n перехода на поверхность полупроводника. Он обусловлен увеличением напряженности поля объемного заряда в связи с искажением поля поверхностными зарядами, ухудшением свойств среды у поверхности полупроводника.

Практически действуют несколько видов пробоя одновременно.

Нарушение вентильных свойств приборов может также происходить при различных перенапряжениях, при перегрузках по току и вызванных ими тепловых перегрузках.

Для увеличения пропускаемого тока безопасного перегрева применяется охлаждение приборов. Охлаждение предусматривается для силовых диодов и тиристоров в энергетике и для мощных диодов, транзисторов и тиристоров в электронике. Охлаждение может быть воздушное, водяное и испарительное.

Воздушное охлаждение осуществляется путем присоединения к прибору теплостока, или радиатора. Радиаторы могут быть медными или алюминиевыми. Применяется в основном резьбовое соединение радиатора с прибором.

Большое значение имеет проблема контакта прибора с радиатором. При этом должно быть плотное затягивание резьбы, но без повреждения резьбы и поверхностей.

В случае применения алюминия для радиаторов проблема контакта заключается в том, что имеется большая электрохимическая разность потенциалов медь—алюминий — около 1, 8 В. Попадание влаги в место контакта вызывает коррозию алюминия, поэтому применяется гальваническое покрытие основания вентиля.

Водяное охлаждение осуществляется присоединением приборов к контуру с водой, например, через полую шину.

Испарительное охлаждение осуществляется присоединением прибора к контуру, где жидкость испаряется и потом конденсируется.

Ясно, что без охлаждения, если оно предусмотрено конструкцией, полупроводниковый прибор не может обеспечить необходимый режим работы и выйдет из строя.

Кроме указанных причин, отказы полупроводниковых приборов могут быть обусловлены обрывами и перегоранием выводов, наружным пробоем между выводами, растрескиванием кристаллов и другими причинами.

Иногда выход из строя прибора можно определить по внешнему виду, если он обгорел, разрушился, обгорели провода. Но не всегда признаки выражены явно, поэтому нужно пользоваться приборами. Рассмотрим проверку некоторых полупроводниковых приборов и других элементов аппаратуры с помощью измерительных приборов.

Диоды

С помощью омметра можно измерить прямое и обратное сопротивления постоянному току. Чем меньше прямое сопротивление и больше обратное сопротивление, тем лучше диод. Прямое сопротивление должно быть не больше примерно 200 Ом, а обратное не меньше 500 кОм. Следует иметь в виду, что если прямое сопротивление около 0, а обратное — около оо, то в первом случае имеется пробой, а во втором — обрыв выводов или нарушение структуры. Сопротивление диода переменному току меньше прямого сопротивления и зависит от положения рабочей точки.

Транзисторы

Как известно, транзистор состоит из двух переходов, каждый из которых обладает свойствами диода, поэтому проверить транзистор можно как диод. С помощью омметра можно проверить сопротивление между эмиттером и базой и коллектором и базой в прямом и обратном направлении.

Если транзистор исправен, то прямые сопротивления составляют величину порядка 30... 50 Ом, а обратные — 0, 5... 2 МОм.

Но недостаточно измерить только величины сопротивлений переходов, чтобы сделать вывод о работоспособности транзистора. Желательно измерить обратный ток коллектора, обратный ток эмиттера и ориентировочное значение коэффициента усиления по току. Есть специальные приборы для измерения этих параметров транзисторов, например, прибор ТЛ-4М.

Пригодность транзистора определяется сравнением полученных при измерении данных с данными, указанными в паспорте транзистора.

При измерениях параметров отдельного транзистора можно выявить обрывы электродов и замыкания в транзисторах,

но это же можно сделать и при измерениях в схемах с транзисторами. При этом нужно иметь в виду, что применяемый измерительный прибор должен обладать достаточно большим внутренним сопротивлением.

При измерениях можно сделать следующие выводы.

При обрыве цепи базы напряжения базы и эмиттера отсутствуют, напряжение коллектора повышено.

При обрыве цепи эмиттера напряжение коллектора повышено, напряжение базы почти нормальное, напряжение на эмиттере приблизительно равно напряжению базы.

При обрыве цепи коллектора напряжения на всех электродах транзистора уменьшаются.

При обрыве базы внутри транзистора напряжение базы близко к нормальному, напряжение эмиттера уменьшается, а напряжение коллектора повышается.

При замыкании эмиттера и коллектора внутри транзистора напряжение базы изменяется незначительно, напряжение эмиттера возрастает, напряжение коллектора падает.

Нужно учитывать, что транзистор может работать в режиме насыщения. Этот режим бывает тогда, когда сопротивление нагрузки в цепи коллектора велико и ток коллектора создает на нем падение напряжения, равное напряжению источника питания. В этом режиме потенциалы всех электродов транзистора одинаковы. Данный режим используется в импульсных устройствах, а для усилителей опасен.

Параметры и характеристики транзисторов зависят от температуры окружающей среды, стабильности нагрузки, условий теплоотвода. Все эти факторы изменяют температуру транзистора. При повышении температуры возможен выход транзистора из строя и неизбежное изменение параметров схемы. Большую температурную чувствительность транзистора можно объяснить следующим.

Электропроводность германия и кремния, из которых изготовляют транзисторы, зависит от температуры. При увеличении температуры нарушается электрическое равновесие, увеличивается эмиттерный и коллекторный ток, что увеличивает мощность, рассеиваемую на коллекторе, и температуру коллектора, вызывая увеличение обратного тока коллектора. При этом может быть равновесие или транзистор выйдет из строя. Это зависит от условий охлаждения, от окружающей температуры и величины сопротивления в цепи коллектора, ограничивающего нарастание коллекторного тока. Следует помнить, что при большом сопротивлении в цепи коллектора транзистор входит в режим насыщения и перестает быть усилителем.

Второй момент, увеличивающий чувствительность транзистора к температуре, состоит в том, что прямая проводимость участка эмиттер—база увеличивается с ростом температуры. Это явление вызывает увеличение тока эмиттера.

Иногда имеет место самопроизвольное изменение параметров транзисторов независимо от изменений окружающей среды.

Неисправность транзистора в схеме — явление редкое и может быть вызвано его перегревом при плохом теплоотводе или при пайке, или нарушением режимов работы схемы.

Перед заменой транзистора нужно детально его проверить, а при выходе из строя транзистора проверить другие детали, входящие в схему, от которых зависит его работа, так как выход их из строя может быть причиной выхода из строя транзистора.

Для замены нужно брать транзистор такого же типа или равноценный. Перед установкой его нужно проверить описанными методами. Расположение выводов нужно определять по прилагаемому паспорту или по справочнику.

Для пайки транзисторов желательно иметь низковольтный паяльник на 6 или 12 В, присоединяемый через понижающий трансформатор, мощностью около 40 Вт. Можно пользоваться и обычным паяльником, но нужно сначала его нагреть, а потом отключить и паять.

Выводы транзистора, если позволяет его конструкция, нужно оставлять не короче 15 мм, изгибать их не ближе 10 мм от корпуса, изгиб должен быть плавным.

Температура нагрева контактного слоя транзистора не должна превышать 75 С, поэтому для отвода тепла при пайке выводы у корпуса нужно держать плоскогубцами или пинцетом. Паяльник должен быть возможно дальше от транзистора, пайку нужно заканчивать быстрей. Жало паяльника должно быть зачищено и покрыто припоем, который должен быть легкоплавким.

Желательно применение пистолетных паяльников, которые включаются только во время пайки.

Интегральные микросхемы (ИМС)

Отказы ИМС могут быть связаны с физико-химическими процессами внутри полупроводника, с теми же процессами на поверхности полупроводника и обусловлены состоянием контактных соединений.

Первая группа отказов обусловлена структурными дефектами — дислокациями, микротрещинами — внутри полупроводника. Эти дефекты могут с течением времени развиваться под воздействием температурных и механических влияний и изменять характеристики микросхемы, приводя к отказам.

Вторая группа отказов связана с накоплением на поверхности полупроводника двуокиси кремния, а в объеме, близком к поверхности, зарядов, изменяющих состояние р-n переходов, и появление поверхностных каналов. В результате этого происходит увеличение токов утечки, отсутствие насыщения вольт-амперной характеристики перехода коллектор—база, омическое шунтирование эмиттера с коллектором, снижение обратного пробивного напряжения на коллекторе, уменьшение коэффициента усиления по току, омическое шунтирование эмиттера с базой, увеличение шумов.

В ИМС применяется металлизированная разводка между отдельными элементами с соединением алюминиевых контактных площадок с внешними выводами с помощью золотых проводников, привариваемых к контактным площадкам и наружным выводам. Отказы связаны с нарушением соединений этих проводников и металлической разводки из-за механических повреждений или малой толщины пленки алюминия. Нарушения соединений могут вызвать перегрев в этих местах, что ведет к коррозии или расплавлению металла.

Нарушение электрической цепи и появление отказов может произойти по причине образования диэлектрической пленки на границе раздела алюминия и кремния или образования гидрата окиси алюминия на металлизированной разводки, при попадании влаги внутрь корпуса ИМС.

Отказы могут быть также из-за нарушения контакта золотых проводников с контактными площадками микросхемы и внешними выводами корпуса.

Внешним проявлением ухудшений состояния ИМС является увеличение обратного тока коллекторного перехода за счет появления тока утечки.

Надежность ИМС можно повысить за счет улучшения технологии их производства.

Вышедшие из строя микросхемы, как правило, подлежат замене. Заменять ИМС нужно на такую же, но можно и на микросхему сходного типа, электрическая схема которой подходит для данного устройства. Если микросхемы впаяны в печатные платы, то при их замене нужно соблюдать следующие правила.

Паяльник должен быть небольшого размера, мощностью не более 40 Вт, с температурой нагрева жала не более 200 С, с насадкой. Насадка имеет два широких жала, которые прижимаются к рядам припаиваемых выводов микросхемы. Она навинчивается на резьбу на жале паяльника. Припой должен быть с низкой температурой плавления, количество его при пайке должно быть минимальным. Пайка должна производится несколько секунд при отключенном питании паяльника.

Нельзя производить необоснованный замен деталей в схеме, содержащей ИМС, так как это может вывести ее из строя.