Конструкция

Конструкция селеновых вентилей зависит от допустимого тока через отдельный элемент и технологии его производства. Существует несколько конструктивных форм селеновых элементов, отличающихся по своему устройству и технологии производства. Во всех этих элементах p-n-переход создается между металлом и слоем селена, нанесенного на металлический электрод. Обычно к селену, идущему на изготовление диодов, добавляют в очень малом количестве йод или хлор. Эти примеси уменьшают сопротивление элемента прямому току и компенсируют действие других примесей, вызывающих повышение сопротивления.

Основными узлами селеновых элементов являются основание, слой полупроводника и электроды.

Основанием 1 в элементах серий А и Г является алюминиевая пластина толщиной 0,8 мм. На алюминиевом основании строится выпрямительный элемент, оно также является одним из токосъемных электродов. Вторым токосъемным электродом у элементов серии А служит катодный сплав олова с кадмием 4, у элементов серии Г — висмутированная алюминиевая фольга 5. Толщина слоя селена составляет 50...60 мкм. У элементов серии А запирающий слой образуется в месте контакта селена 3 и катодного сплава. У элементов серии Г он образуется в месте контакта селена и алюминиевого основания.

В селеновых элементах серии Я в целях снижения переходного сопротивления элемента в области контакта селен—алюминий между слоем алюминия, покрытого висмутом, и селеном наносится тонкий слой теллура. У селеновых элементов серии У в отличие от элементов серии А слой селена образован из ряда отдельных подслоев, отличающихся составом примесей, их величиной и режимами нанесения. В отличие от элементов серии А основанием элементов серии Ф служит фольга толщиной 0,12 мм. Селеновые элементы серий Е и Л выполнены на базе элементов серии Г. Элементы серии Е отличаются от последних повышенной термостойкостью и предназначаются для эксплуатации при абсолютной температуре на элементе до 125° С. У элементов серии Л в целях более надежного контакта селена с алюминием и снижения переходных сопротивлений в прямом направлении слой алюминия (основание) подвергается электрохимическому травлению.

Как правило, селеновые элементы не поставлялись россыпью. На заводе-изготовителе они собираются в столбы. По конструктивному исполнению селеновые выпрямители подразделяются на выпрямители открытой конструкции и сплошной сборки. Выпрямители открытой конструкции собираются из селеновых элементов на стяжной шпильке открыто и представляют собой обычно выпрямительный столб. В целях улучшения охлаждения выпрямителя между элементами оставляется зазор, регулируемый пружинящими латунными шайбами. Последние создают также электрический контакт между элементами. Потребность в легко пружинящих шайбах обусловлена тем, что при заметном давлении на селен сминается и портится запирающий слой, и вентильные

Выпрямительные столбы различаются как по форме и размерам входящих в них селеновых элементов, так и по схемам выпрямления. На одной изолированной шпильке с помощью выводов и перемычек могут быть получены либо отдельные плечи выпрямителя, либо законченные выпрямительные схемы: однофазный и трехфазный мосты, схемы со средней точкой и другие. Элементы могут образовывать последовательное, параллельное либо смешанное соединение.

К группе выпрямителей открытой конструкции относятся следующие: а) нормализованные выпрямители серий А и Г; б) выпрямители серии Г для работы в масле; в) выпрямители серии Я; г) выпрямители для магнитных усилителей; д) выпрямители для сварочных аппаратов; е) ненормализованные выпрямители; ж) выпрямители серии У. Они имеют обозначение полярности в виде цветных полос или точек: плюс — красный цвет; минус — синий цвет; переменный ток (~) — желтый цвет.

Большую группу образуют выпрямители сплошной сборки, когда селеновые элементы собраны плотно друг к другу. К этой группе относятся: а) выпрямители типа «Контакт» для питания транзисторной аппаратуры; б) выпрямители селеновые типа 12ГД2А-Г; в) пакетные выпрямители ABC (плоские); г) слаботочные селеновые выпрямители из элементов серии А — ABC; д) слаботочные селеновые выпрямители из элементов серий Г — ТВС; е) слаботочные селеновые выпрямители из фольговых элементов серии Ф — ФВС; ж) малогабаритные селеновые выпрямители типа 3ГЕххФ и 5ГЕххФ; з) малогабаритный высоковольтный выпрямитель ВС-5 кВ; и) выпрямители для питания кинескопов телевизионных приемников; к) выпрямитель селеновый 9ГЕ560У-С; л) выпрямители для рентгено-диагностических аппаратов; м) выпрямитель типа АВСМ-7М. На этих выпрямителях обозначение полярности обычно наносится соответствующим знаком на корпусе.

Технология производства

Селен является основным материалом при изготовлении вентилей. Технология заводской очистки селена для выпрямителей была разработана в СССР Б. Леви (НИУИФ). К селену, применяемому для вентилей, предъявляются весьма высокие требования и в первую очередь — химическая чистота селена. Применяемый в СССР для выпрямителей селен содержит несколько сотых долей процента хлора; медь, серебро и сурьма в нем отсутствуют; сумма других металлических примесей не превышает 0,01% (нелетучий остаток). Для повышения электропроводности в селен вносится несколько сотых долей процента (0,01-0,02%) хлора, брома или иода. Черный стекловидный аморфный селен, выпускаемый химическими заводами для производства вентилей в виде палочек, плиток или порошка, размягчается при температуре 50-60° С, переходя при более высоких температурах в серый кристаллический селен. При нагреве до температуры, близкой к температуре плавления 217° С, и последующем затем медленном охлаждении можно добиться полной перекристаллизации селена с заметным укрупнением его кристаллов, что повышает электропроводность селена.

Применительно к физико-химическим свойствам селена и строится процесс нанесения его на диски. Различают два вида технологии производства селеновых диодов: горячую и вакуумную.

Первый этап для обоих видов состоит в подготовке контактных электродов. Стальные или алюминиевые листы толщиной 0,5—1,5 мм штампуются, рихтуются и очищаются от жира и грязи спиртом либо другими растворителями. После очистки листы обрабатываются на пескоструйных аппаратах для создания шероховатой поверхности, позволяющей лучше удерживать покрывающий ее слой металла с селеном. Обработанные таким способом листы разрезают на ленты, из которых штампуют подкладки элементов в виде дисков (таблет) диаметром 5 и 7,2 мм, а для более мощных диодов — в виде шайб большего диаметра или прямоугольных пластин. Диаметр дисков определяется принятым к производству сортаментом; наша промышленность выпускала диски с диаметром от 5 до 100 мм. После обезжиривания их покрывают слоем висмута либо никелем толщиной 1-2 мкм, что обеспечивает не только малое прямое сопротивление вентилей, но и уменьшает их последующее старение. Никель наносится в гальванической ванне, а висмут напаривается в вакууме. Толщина покровного слоя висмута не превосходит при этом один-два микрона. Последний способ лучше сочетать с вакуумной технологией нанесения слоя селена.

Нанесение слоя селена горячим способом производится так. На нагретую до 250°С подложку намазывают аморфный селен (эта примитивная технология применялась до 50-х годов) или расплавляют на ней порошкообразный селен. Затем подкладку с селеном прессуют для образования плотного и равномерного слоя селена, толщина которого составляет 0,065—0,085 мм (на каждый квадратный сантиметр поверхности основы наносится около 0,01 г селена).

Применялся также вакуумный способ, заключающийся в испарении селена в вакууме и осаждении его на диск. Этот способ является более совершенным, но требует одновременно более сложного и дорогого оборудования. Истоки этой технологии, использование которой у нас началось с 50х годов, лежат в немецких разработках фирмы AEG, вывезенных к нам из Германии в порядке репараций.

После расплавления селена, нанесенного одним из указанных выше двух способов на горячий диск с температурой 240—250° С, диск быстро охлаждается для предупреждения преждевременной кристаллизации селена. Такая кристаллизация при открытой поверхности селена не может обеспечить тонкого равномерного и однородного слоя селена. Для получения последнего диски вновь нагреваются в спрессованном виде, будучи переложены полированными шайбами, и выдерживаются под удельным давлением от 1 до 2 кг\см2 при температуре 125—130° С в течение 7—12 мин. При этом черный аморфный селен переходит в серый кристаллический, покрывающий равномерным слоем металлическую подкладку, с толщиной слоя в пределах от 0,07 до 0,15 мм. При вакуумном нанесении удается получить слой селена толщиной от 0,03 до 0,04 мм.

С уменьшением толщины слоя селена уменьшается сопротивление вентиля в проводящем направлении. Для выделения из слоя селена запирающего слоя (слоя с большим сопротивлением) селен после кристаллизации под прессом подвергается термической обработке. Она заключается в прогреве открытой поверхности селена в термостате при температуре от 210 до 220° С в течение времени от 1 до 2 час, в зависимости от сорта селена и размеров дисков. При такой обработке имеет место: 1) увеличение сопротивления поверхностного слоя селена вследствие улетучивания примесей хлора, брома или иода, внесенных в селен для повышения его электропроводности, и одновременно 2) увеличение проводимости в остальном слое селена, прилегающем непосредственно к контактному электроду вследствие повышения концентрации свободных электронов в нем. Для еще большего повышения сопротивления запирающего слоя диски с селеном в некоторых производствах после термической обработки подвергаются воздействию паров серы путем помещения их на 20—30 мин в термостат, в котором при температуре 140—160° С испаряется сера.

После такой обработки на селен напыляется при помощи какого-либо металлизатора сплав из олова, кадмия, а иногда и висмута, служащий в качестве катода. Температура плавления сплава приблизительно равна +105° С, поэтому нагрев вентилей во время их работы в выпрямителях выше +75°С не допускается. Нанесение верхнего электрода осуществляется путем напыления при помощи специального металлизатора или осаждением (напариванием) в вакууме. Для предотвращения короткого замыкания между подкладкой и верхним электродом по боковой поверхности электродов катодный сплав наносится не на всю поверхность селена, вследствие чего уменьшается рабочая поверхность элемента, составляющая примерно 75% поверхности подкладки в элементах малого и среднего размеров.
При вакуумной технологии висмутирования алюминия, нанесения слоя селена и катодного сплава листы предварительно не разрезаются и подкладки не штампуются. Все эти операции производятся позднее. При этом достигается большая равномерность толщины слоя селена, удлиняется срок службы элементов и улучшаются их электрические параметры.

После этого на слой селена в зоне центрального отверстия элемента может наноситься изоляционная прокладка; обычно это тонкая лаковая пленка или бумага. Эта прокладка позволяет собирать выпрямители без применения контактных звездочек, поэтому такие элементы получили условное название «бесконтактные элементы».

При сборке выпрямителей установочный размер выдерживается за счет добавления изоляционных шайб, устанавливаемых между крепежной шайбой и выводом, на обоих концах шпильки. Если при сборке выпрямителей из элементов 60х60 мм и более установочный размер превышает допустимый, разрешается не ставить по одной дистанционной шайбе в крайних промежутках между элементами с обеих сторон выпрямителя.
После сборки выпрямители окрашивают 2 раза эмалью ПФ-15 (ВТУ МХП № КУ-488-57), если они не предназначаются для работы в масле. Окраска производится методом пульверизации или окунанием с последующим центрифугированием.
Выпрямители из таблеточных элементов диаметром 5; 7,2 и 12,5 мм собираются в цилиндрических корпусах из триацетатной пленки, стеклопластика или фарфора и других изоляционных материалов. Корпус выпрямителя заполняют деталями так, чтобы набор деталей находился на уровне с краями корпуса с отклонениями не более ±1 мм, что достигается изменением количества дистанционных шайб, указанных в чертежах.
Торцы корпуса из мягкого материала после его заполнения завальцовываются до указанных в чертежах размеров, заливаются эпоксидной пластмассой и окрашиваются нитроэмалью марки ДМ (ТУ МХП 520-54) красного цвета со стороны + и синего цвета со стороны —.

После окончания технологических операций селеновые диоды подвергаются электрической формовке, состоящей в том, что через диод пропускается большой обратный ток (плотность тока несколько десятков миллиампер на квадратный сантиметр) в течение от десятков минут до нескольких часов, с постепенным повышением приложенного обратного напряжения. В результате формовки снижается относительная величина прямого тока и резко уменьшается обратный ток. Класс вентиля по обратному напряжению по'вышается при этом в 1,5—2 раза. В процессе формовки создаются благоприятные условия для диффузии кадмия в селен, с одной стороны, и висмута — с другой. В слое селенистого кадмия создается проводимость типа n, а в другом слое селена проводимость типа p.