Электронная аппаратура. Диоды и тиристоры, их особенности и применение. Оптоэлектронные приборы

И. К. Никифоров 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ЭЛЕКТРОННАЯ АППАРАТУРА 
ДИОДЫ И ТИРИСТОРЫ, ИХ ОСОБЕННОСТИ  
И ПРИМЕНЕНИЕ. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ 
 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2023 
1 

УДК 621.382.2/3: 621.383: 621.385.1 
ББК 32.851+32.853.2+32.853.4 
        Н62 
 
 
Рецензент: 
канд. техн. наук, доцент кафедры промышленной электроники 
ФБГОУ ВО «Чувашский государственный университет 
им. И. Н. Ульянова» Г. В. Малинин 
 
 
Никифоров, И. К. 
Н62 
 
Электронная аппаратура. Диоды и тиристоры, их 
особенности и применение. Оптоэлектронные приборы : 
учебное пособие / И. К. Никифоров. ௅ Москва ; Вологда : 
Инфра-Инженерия, 2023. – 800 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1231-5 
 
Рассматриваются диодные и тиристорные структуры во всем 
их разнообразии как полупроводниковые приборы, их особенности и 
применение в устройствах радиоэлектронной и силовой электронной 
аппаратуры. Приводится ряд примеров схем на диодах и тиристорах. 
Даны рекомендации и методики расчета типовых схем на диодах и 
тиристорах, применяемых в силовых электропреобразовательных 
установках и мощных источниках электропитания. 
Для студентов и магистрантов электротехнических и радиотехнических специальностей и специалистов, занимающихся разработкой силовых электронных преобразовательных устройств и мощных источников вторичного электропитания. 
 
УДК 621.382.2/3: 621.383: 621.385.1 
 ББК 32.851+32.853.2+32.853.4 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1231-5 
© Никифоров И. К., 2023 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
2 

ОБОЗНАЧЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН 
 
b 
толщина пленки напыляемого материала 
C 
электрическая емкость 
с 
удельная теплоемкость 
Cб 
барьерная емкость 
Сд 
диффузионная емкость 
Dn 
коэффициент диффузии электронов в полупроводнике п-типа 
Dp 
коэффициент диффузии «дырок» в полупроводнике р-типа 
dк 
толщина кристалла 
Ɯ 
напряженность внешнего электрического поля 
EF 
энергия уровня Ферми 
Eg 
энергия запрещенной зоны 
Eпр 
электрическая прочность материала 
ê 
условно свободный электрон 
eL 
ЭДС самоиндукции 
eТ 
термоЭДС 
êф 
фотоэлектрон 
f 
частота тока 
h 
постоянная Планка 
hv 
фотон 
i 
электрический ток 
j 
плотность электрического тока 
l  
средняя длина свободного пробега электрона 
k 
постоянная Больцмана (если не указано иное в тексте) 
kг 
коэффициент гармоник 
kн 
коэффициент несинусоидальности 
kп 
коэффициент пульсации 
kсгл 
коэффициент сглаживания 
kф 
коэффициент фильтрации 
kф.т 
коэффициент формы тока 
l 
длина 
М 
коэффициент размножения носителей заряда 
me 
масса электрона 
mе 
эффективная масса электрона 
mu 
эффективная масса «дырки» 
NA 
число Авогадро 
na 
концентрация акцепторных зарядов (дополнительных «дырок») 
ne 
концентрация электронов 
3 

nd 
концентрация донорных зарядов (дополнительных электронов) 
nl 
концентрация «ловушек» в структуре кристаллической решетки 
ni 
концентрация свободных носителей зарядов в собственном  
полупроводнике i-типа 
nu 
концентрация «дырок» 
Р 
электрическая мощность 
Q 
электрический заряд на обкладках конденсатора 
qe 
заряд электрона 
r 
дифференциальное электрическое сопротивление 
R 
электрическое сопротивление или радиус, согласно тексту 
R~ 
сопротивление переменному току 
s 
площадь 
SVD дифференциальная крутизна ВАХ 
sк 
площадь кристалла 
Т 
абсолютная температура 
t 
время 
tgd 
тангенс угла диэлектрических потерь 
t  
среднее время свободного пробега электрона 
U 
электрическое напряжение 
Ud 
действующее значение напряжения 
û 
«дырка» (или протонный заряд) 
Uобр обратное приложенное напряжение 
Uпр прямое напряжение 
wб 
размер ширины базы 
хп 
размер сечения полупроводника, где рассматриваются процессы 
aТ 
температурный коэффициент 
g 
коэффициент рекомбинации 
D0 
ширина электронно-дырочного перехода  
lтп 
теплопроводность материала 
m 
магнитная проницамость 
mе 
подвижность электронов 
mi 
подвижность ионов 
mn 
подвижность зарядов в полупроводнике п-типа 
mp 
подвижность зарядов в полупроводнике р-типа 
mu 
подвижность «дырок» 
t 
постоянная времени какого-либо процесса 
rv 
удельное объемное электрическое сопротивление 
D 
глубина проникновения тока 
4 

n 
частота электромагнитных колебаний 
İ 
диэлектрическая проницаемость 
İ0 
диэлектрическая постоянная 
f 
фотон 
Ȝ 
длина волны 
ȡ 
удельное электрическое сопротивление 
ȡn 
удельное электрическое сопротивление n-области 
ȡр 
удельное электрическое сопротивление р-области 
ȡs 
удельное поверхностное электрическое сопротивление 
u 
скорость движения электрона 
u  
средняя скорость направленного движения электронов 
w 
циклическая частота 
 
УСЛОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ 
 
ВАХ 
Вольт-амперная характеристика 
ВУ 
Выпрямительное устройство 
ВУАН 
Выпрямительное устройство с активной нагрузкой 
ВУАЕН 
Выпрямительное устройство с активно-емкостной  
нагрузкой 
ВУАИН Выпрямительное устройство с активно-индуктивной  
нагрузкой 
ВУЕН 
Выпрямительное устройство с емкостной нагрузкой 
ВУИН 
Выпрямительное устройство с индуктивной нагрузкой 
ВУКН 
Выпрямительное устройство с комбинированной нагрузкой 
ВФЭ 
Внутренний фотоэффект 
ГВ 
Гребенчатый волновод 
ГФПУ 
Гибридное фотоприемное устройство 
ГФЭ 
Газофазная эпитаксия 
ЖФЭ 
Жидкофазная эпитаксия 
ИАГ 
Иттрий-алюминиевый гранат 
ИВЭП 
Источники вторичного электропитания 
ИК 
Инфракрасный 
ИМС 
Интегральная микросхема 
ИП 
Источник питания 
ИХТ 
Ионно-химическое травление 
КЗ 
Короткое замыкание 
ККЛ 
Квантово-каскадные лазеры 
КП 
Коллекторный переход 
5 

КРИ 
Квантово-размерные источники 
КРЛ 
Квантово-размерные лазеры 
КСС 
Кривая силы света 
КТР 
Коэффициент термического расширения 
КФЛ 
Компактная флуоресцентная лампа 
КЯ 
Квантовая «яма» 
ЛСИД 
Лазерный светоизлучающий диод 
ЛЭП 
Линии электропередач 
МДП 
Металл-диэлектрик-полупроводник 
МКГ 
Многокомпонентная гетероструктура 
МКЯ 
Множественные квантово-размерные «ямы» 
МЛЭ 
Молекулярно-лучевая эпитаксия 
ОНВ 
Область начального включения 
ОПЗ 
Область пространственного заряда 
ПЕК 
Преобразователь с естественной коммутацией 
ПОН 
Полупроводниковые ограничители напряжения 
ПП 
Полупроводник, полупроводниковый 
ППД 
Полупроводниковый диод 
ППН 
Прерыватель постоянного напряжения 
ППТ 
Прерыватель постоянного тока 
ПХО 
Плазмохимическое осаждение 
ПХТ 
Плазмо-химическое травление 
ПЭ 
Пьезоэлектрический 
РГР 
Расчетно-графическая работа 
РИЛТ 
Реактивное ионно-лучевое травление 
РИПТ 
Реактивное ионно-плазменное травление 
РПТ 
Регулятор (коммутатор) переменного тока 
РСД 
Радиационно-стимулированная диффузия 
РЭА 
Радиоэлектронная аппаратура 
СБИС 
Сверхбольшие интегральные схемы 
СИД 
Светоизлучающий диод 
СИУ 
Схема импульсного управления 
СЛД 
Сверхлюминесцентный диод 
СП 
Спонтанная поляризация 
СУ 
Схема управления 
СФЭ 
Солнечные фотоэлементы 
СЭА 
Силовая электронная аппаратура 
СЭУ 
Силовое электронное устройство 
ТКС 
Температурный коэффициент сопротивления 
6 

ТУ 
Технические условия 
ТФЭ 
Твердофазная эпитаксия 
УЗК 
Ультразвуковые колебания 
УФ 
Ультрафиолетовый 
ФД 
Фотодиод 
ФОГФ 
Физическое осаждение из газовой фазы 
ФП 
Фотоприемник 
ФТ 
Фототранзистор 
ФТМ 
Физико-топологическая модель 
ФЭ 
Фотоэлемент 
ФЭОС 
Фокусирующая электронно-оптическая система 
ФЭП 
Фотоэлектрический преобразователь 
ХОГФ 
Химическое осаждение из газовой фазы 
ЧПр 
Частотный преобразователь 
ШИР 
Широтно-импульсное регулирование 
ЭДП 
Электронно-дырочный переход 
ЭКБ 
Электронно-коммутационные блоки 
ЭКМ 
Электроконденсационный метод 
ЭП 
Эмиттерный переход 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
7 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Данное учебное пособие продолжает серию книг, объединенных под общим заглавием «Электронная аппаратура». 
В 1-й книге были рассмотрены основы электроники, радио- 
и электротехнические материалы и изделия на их основе; далее 
при ссылке на неё ௅ 1-я кн. серии. 
Во 2-й книге были рассмотрены резисторы, предохранители, конденсаторы, применяемые как в радиоэлектронной аппаратуре (РЭА), так и в силовой электронной аппаратуре (СЭА) и 
мощных источниках вторичного электропитания (ИВЭП); далее 
ссылка на неё ௅ 2-я кн. серии. 
В 3-й книге рассмотрены основы магнитоэлектроники, индуктивные компоненты и элементы СЭА и ИВЭП; аналогично, 
ссылка на неё ௅ 3-я кн. серии. 
В 4-й книге рассмотрены основные материалы и технологии, применяемые в микро- и наноэлектронике и некоторые 
технологии для устройств силовой электроники; далее при 
ссылке на неё ௅ 4-я кн. серии. 
Для понимания материала данного учебного пособия необходимо иметь базовые знания по характеристикам и свойствам 
полупроводниковых материалов, которые были рассмотрены в 
1-й кн. серии (см. подразд. 4). 
Основная задача учебного пособия ௅ показать современное 
развитие электроники для устройств силовой преобразовательной техники, включая ИВЭП, их узлы и модули. Научить рассчитывать, строить самостоятельно графики и моделировать 
устройства СЭА и ИВЭП с применением диодов и тиристоров. 
Учитывая большой объем учебного пособия, преподаватель, 
используя изложенный материал книги, составляет индивидуальные задания для студентов по конктретной дисциплине, связанной с изучением излагаемого здесь материала. Исходя из 
этого, материал, например, 1-го, 2-го, 6-го и 7-го разделов может 
быть использован именно как самостоятельная работа студента. 
Материал, например, 3௅5-го разделов может быть использован 
при проведении практических занятий, расчетно-графических 
работ студентов дневной формы обучения или как контрольные 
для студентов заочной формы обучения. Часть задач 5-го разде8 

ла требует построения графиков тока и напряжений рассчитываемой схемы преобразовательного устройства. Такой подход 
предполагает получение практических навыков студентами самостоятельного использования имеющихся разнообразных математических пакетов, что является обязательным требованием 
по компетенциям к специалистам технического профиля. Исходя из этого кривые в теоретической части 5-го раздела в некоторых местах отсутствуют. 
Следует обратить внимание студентов как будущих специалистов, что материал необходимо именно прорабатывать и изучать последовательно ௅ от раздела к разделу, возвращаясь снова 
к тем вопросам, что недопоняты и плохо усвоены. Тем более, 
что в книгах этой серии всегда даются необходимые ссылки, где 
можно найти этот материал. Только при таком подходе будущий 
специалист получает необходимые навыки самостоятельной работы с необходимым базовым теоретическим и практическим 
фундаментом знаний. Для этого рекомендуется также составлять свои индивидуальные конспекты, которые дополняются 
материалом из других книг и источников, которых в книгах этой 
серии более чем достаточно.  
Обращаем внимание студентов и на то, что сеть Интернет 
не есть, как говорят, «последняя истина», и более того, статьи и 
материал в сети содержат иной раз грубые ошибки и недостоверную информацию. В связи с этим студент должен в основном ориентироваться на тот материал, который рекомендован по 
изучаемой дисциплине. Имея основательную подготовку, будущий специалист сам сможет находить грубые ошибки в разных 
источниках и правильно использовать полученные знания в своей профессиональной деятельности. Выявленные ошибки в рекомендованных источниках отмечены как в самом тексте этой 
книги, так и в примечаниях. 
9 

1. ДИОДЫ.  
ОБЩИЕ ВОПРОСЫ 
 
Полупроводниковыми (ПП) диодами (ППД) называют двухэлектродные ПП-приборы с выпрямляющим электрическим переходом. В качестве выпрямляющего перехода применяют 
р࣓п-переход (см. 1-ю кн. серии; подразд. 4.4), гетеропереход 
(там же; подразд. 4.6) или выпрямляющий контакт металла с ПП 
(там же; подразд. 4.5). Имеются другие ПП-структуры, основанные на несколько иных принципах работы, но также относящиеся к диодным, например лавинно-пролетные диоды, диоды Ганна, варикапы.  
В данном разделе не рассматриваются магнитодиоды. Более 
подробную информацию см. в 3-й кн. серии «Магнитодиоды». В 
целом, магнитодиод – это ПП-прибор с электронно-дырочным 
переходом (ЭДП) и невыпрямляющими контактами, между которыми находится область высокоомного ПП. Действие прибора 
основано на магнитодиодном эффекте, суть которого в следующем. В «длинных» диодах (d/L!1, где d – длина базы; L – эффективная длина диффузионного смещения) распределение носителей, следовательно, сопротивление диода базы определяется длиной L. Уменьшение L вызывает понижение концентрации неравновесных носителей в базе, т. е. повышение её электрического 
сопротивления. Это вызывает увеличение падения напряжения на 
базе и уменьшение на ЭДП (при U = const). Уменьшение падения 
напряжения на ЭДП вызывает снижение инжекционного тока и, 
следовательно, дальнейшее увеличение сопротивления базы. 
Длину L можно изменять, воздействуя на диод магнитным полем. 
Оно приводит к закручиванию движущихся носителей, и их подвижность уменьшается, поэтому уменьшается и L. Одновременно удлиняются линии тока, т. е. эффективная толщина базы растёт. Это и есть суть магнитодиодного эффекта. Чувствительность 
магнитодиодов лежит в пределах 10í9...10í2 А/м. Имеются магнитодиоды, способные определять не только напряжённость магнитного поля, но и его направление.  
Общее условное обозначение ППД на схемах электрических 
принципиальных 
; буквенное обозначение VD. 
10