Urządzenia półprzewodnikowe - rodzaje, przegląd i zastosowania
Szybki rozwój i rozszerzanie się obszarów zastosowań urządzeń elektronicznych wynika z doskonalenia bazy pierwiastków, na których oparte są urządzenia półprzewodnikowe... Dlatego, aby zrozumieć procesy funkcjonowania urządzeń elektronicznych, konieczna jest znajomość urządzenie i zasada działania głównych typów urządzeń półprzewodnikowych.
Materiały półprzewodnikowe pod względem rezystancji właściwej zajmują pozycję pośrednią między przewodnikami a dielektrykami.
Głównymi materiałami do produkcji urządzeń półprzewodnikowych są krzem (Si), węglik krzemu (SiC), związki galu i indu.
Przewodnictwo półprzewodnikowe zależy od obecności zanieczyszczeń i zewnętrznych wpływów energii (temperatura, promieniowanie, ciśnienie itp.). Przepływ prądu jest powodowany przez dwa rodzaje nośników ładunku — elektrony i dziury. W zależności od składu chemicznego rozróżnia się półprzewodniki czyste i zanieczyszczone.
Do produkcji urządzeń elektronicznych wykorzystuje się stałe półprzewodniki o strukturze krystalicznej.
Urządzenia półprzewodnikowe to urządzenia, których działanie opiera się na wykorzystaniu właściwości materiałów półprzewodnikowych.
Klasyfikacja przyrządów półprzewodnikowych
Oparte na półprzewodnikach ciągłych, rezystory półprzewodnikowe:
Rezystor liniowy - Rezystancja zależy nieznacznie od napięcia i prądu. To „element” układów scalonych.
Warystor - rezystancja zależy od przyłożonego napięcia.
Termistor - rezystancja zależna od temperatury. Istnieją dwa rodzaje: termistor (wraz ze wzrostem temperatury rezystancja maleje) i pozystory (wraz ze wzrostem temperatury rezystancja wzrasta).
Fotorezystor — rezystancja zależy od oświetlenia (promieniowania). Deformator — wytrzymałość zależy od odkształcenia mechanicznego.
Zasada działania większości przyrządów półprzewodnikowych opiera się na właściwościach złącza p-n złącza elektron-dziura.
Diody półprzewodnikowe
Jest to urządzenie półprzewodnikowe z jednym złączem p-n i dwoma zaciskami, którego działanie opiera się na właściwościach złącza p-n.
Główną właściwością złącza p-n jest jednokierunkowe przewodzenie - prąd płynie tylko w jednym kierunku. Umowne oznaczenie graficzne (UGO) diody ma postać strzałki, która wskazuje kierunek przepływu prądu przez urządzenie.
Strukturalnie dioda składa się ze złącza p-n zamkniętego w obudowie (z wyjątkiem otwartych ramek mikromodułu) i dwóch zacisków: z obszaru p-anody, z obszaru-n-katody.
Te. Dioda to urządzenie półprzewodnikowe, które przewodzi prąd tylko w jednym kierunku — od anody do katody.
Zależność prądu przepływającego przez urządzenie od przyłożonego napięcia nazywa się urządzeniem o charakterystyce prądowo-napięciowej (VAC) I = f (U).Jednostronne przewodzenie diody jest widoczne na podstawie jej charakterystyki I-V (ryc. 1).
Rysunek 1 — Charakterystyka prądowo-napięciowa diody
W zależności od przeznaczenia diody półprzewodnikowe dzielą się na prostownicze, uniwersalne, impulsowe, diody i stabilizatory Zenera, diody tunelowe i rewersyjne, diody LED oraz fotodiody.
Jednostronne przewodzenie determinuje właściwości prostownicze diody. Przy bezpośrednim podłączeniu („+” do anody i „-” do katody) dioda jest otwarta i przepływa przez nią odpowiednio duży prąd przewodzenia. W przeciwnym kierunku («-» do anody i «+» do katody) dioda jest zamknięta, ale płynie mały prąd wsteczny.
Diody prostownicze przeznaczone są do przetwarzania prądu przemiennego o niskiej częstotliwości (zwykle poniżej 50 kHz) na prąd stały, tj. stanąć. Ich głównymi parametrami są maksymalny dopuszczalny prąd przewodzenia Ipr max oraz maksymalne dopuszczalne napięcie wsteczne Uo6p max. Parametry te nazywane są limitującymi — przekroczenie ich może spowodować częściowe lub całkowite wyłączenie urządzenia.
Aby zwiększyć te parametry, wykonuje się kolumny diodowe, węzły, matryce, które są szeregowo-równoległe, mostkowe lub inne połączenia złączy p-n.
Diody uniwersalne służą do prostowania prądów w szerokim zakresie częstotliwości (do kilkuset megaherców). Parametry tych diod są takie same jak diod prostowniczych, wpisane są tylko dodatkowe: maksymalna częstotliwość pracy (MHz) oraz pojemność diody (pF).
Diody impulsowe są przeznaczone do przetwarzania sygnału impulsowego, są stosowane w szybkich obwodach impulsowych.Wymagania stawiane tym diodom dotyczą zapewnienia szybkiej odpowiedzi urządzenia na impulsowy charakter dostarczanego napięcia — krótkiego czasu przejścia diody ze stanu zamkniętego do otwartego i odwrotnie.
Diody Zenera — są to diody półprzewodnikowe, na których spadek napięcia w niewielkim stopniu zależy od przepływającego prądu. Służy do stabilizacji napięcia.
Varikapi - zasada działania opiera się na właściwości złącza p-n do zmiany wartości pojemności bariery, gdy zmienia się na nim wartość napięcia wstecznego. Stosowane są jako kondensatory zmienne sterowane napięciem. Na schematach żylaki są włączone w przeciwnym kierunku.
Diody LED - są to diody półprzewodnikowe, których zasada działania opiera się na emisji światła ze złącza p-n, gdy przepływa przez nie prąd stały.
Fotodiody - prąd wsteczny zależy od oświetlenia złącza p-n.
Diody Schottky'ego - oparte na złączu metal-półprzewodnik, dzięki czemu mają znacznie wyższą szybkość odpowiedzi niż konwencjonalne diody.
Rysunek 2 — Konwencjonalne graficzne przedstawienie diod
Więcej informacji o diodach znajdziesz tutaj:
Parametry i schematy prostownika
Fotodiody: urządzenie, charakterystyka i zasada działania
Tranzystory
Tranzystor to urządzenie półprzewodnikowe przeznaczone do wzmacniania, generowania i przekształcania sygnałów elektrycznych, a także przełączania obwodów elektrycznych.
Charakterystyczną cechą tranzystora jest zdolność do wzmacniania napięcia i prądu — napięcia i prądy działające na wejście tranzystora prowadzą do pojawienia się znacznie wyższych napięć i prądów na jego wyjściu.
Wraz z rozprzestrzenianiem się cyfrowej elektroniki i obwodów impulsowych główną właściwością tranzystora jest jego zdolność do pozostawania w stanie otwartym i zamkniętym pod wpływem sygnału sterującego.
Tranzystor ma swoją nazwę od skrótu dwóch angielskich słów tran (sfer) (re) sistor - rezystor kontrolowany. Nazwa ta nie jest przypadkowa, ponieważ pod działaniem napięcia wejściowego przyłożonego do tranzystora rezystancja między jego zaciskami wyjściowymi może być regulowana w bardzo szerokim zakresie.
Tranzystor umożliwia regulację prądu w obwodzie od zera do wartości maksymalnej.
Klasyfikacja tranzystorów:
— zgodnie z zasadą działania: pole (unipolarne), bipolarne, kombinowane.
— według wartości mocy rozpraszanej: mała, średnia i duża.
— o wartość częstotliwości granicznej: niska, średnia, wysoka i ultrawysoka.
— według wartości napięcia roboczego: niskiego i wysokiego napięcia.
— według przeznaczenia funkcjonalnego: uniwersalny, wzmacniający, kluczowy itp.
-konstrukcyjnie: z ramką otwartą oraz w wersji pudełkowej, z zaciskami sztywnymi i elastycznymi.
W zależności od realizowanych funkcji tranzystory mogą pracować w trzech trybach:
1) Tryb aktywny - służy do wzmacniania sygnałów elektrycznych w urządzeniach analogowych.Rezystancja tranzystora zmienia się od zera do wartości maksymalnej - mówią, że tranzystor „otwiera się” lub „zamyka”.
2) Tryb nasycenia — rezystancja tranzystora dąży do zera. W tym przypadku tranzystor jest odpowiednikiem zamkniętego styku przekaźnika.
3) Tryb odcięcia — tranzystor jest zamknięty i ma dużą rezystancję, tj. jest to odpowiednik otwartego styku przekaźnika.
Tryby nasycenia i odcięcia są używane w obwodach cyfrowych, impulsowych i przełączających.
Tranzystor bipolarny to element półprzewodnikowy z dwoma złączami p-n i trzema przewodami zapewniającymi wzmocnienie mocy sygnałów elektrycznych.
W tranzystorach bipolarnych prąd jest spowodowany ruchem nośników ładunku dwóch rodzajów: elektronów i dziur, stąd ich nazwa.
Na schematach dozwolone jest przedstawianie tranzystorów, zarówno w okręgu, jak i bez niego (ryc. 3). Strzałka pokazuje kierunek przepływu prądu w tranzystorze.
Rysunek 3 - Konwencjonalny graficzny zapis tranzystorów n-p-n (a) i p-n-p (b)
Podstawą tranzystora jest płytka półprzewodnikowa, w której uformowane są trzy sekcje o zmiennym typie przewodnictwa - elektron i dziura. W zależności od naprzemienności warstw wyróżnia się dwa typy struktury tranzystora: n-p-n (ryc. 3, a) i p-n-p (ryc. 3, b).
Emiter (E) — warstwa, która jest źródłem nośników ładunku (elektronów lub dziur) i wytwarza prąd na urządzeniu;
Collector (K) — warstwa przyjmująca nośniki ładunku pochodzące z emitera;
Baza (B) — środkowa warstwa kontrolująca prąd tranzystora.
Gdy tranzystor jest podłączony do obwodu, jedna z jego elektrod jest wejściowa (źródło wejściowego sygnału przemiennego jest włączone), druga jest wyjściowa (obciążenie jest włączone), trzecia elektroda jest wspólna dla wejścia i wyjścia. W większości przypadków używany jest wspólny obwód emitera (rysunek 4). Do podstawy przykładane jest napięcie nie większe niż 1 V, do kolektora większe niż 1 V, na przykład +5 V, +12 V, +24 V itp.
Rysunek 4 — Schematy obwodów tranzystora bipolarnego ze wspólnym emiterem
Prąd kolektora występuje tylko wtedy, gdy płynie prąd bazy Ib (określony przez Ube).Im więcej Ib, tym więcej Ik. Ib jest mierzony w jednostkach mA, a prąd kolektora jest mierzony w dziesiątkach i setkach mA, tj. IbIk. Dlatego też, gdy sygnał AC o małej amplitudzie zostanie przyłożony do podstawy, mały Ib zmieni się, a duży Ic zmieni się proporcjonalnie do niego. Gdy w obwodzie znajduje się kolektor rezystancji obciążenia, zostanie do niego doprowadzony sygnał, powtarzający kształt wejścia, ale z większą amplitudą, tj. wzmocniony sygnał.
Maksymalne dopuszczalne parametry tranzystorów to przede wszystkim: maksymalna dopuszczalna moc rozpraszana na kolektorze Pk.max, napięcie między kolektorem a emiterem Uke.max, prąd kolektora Ik.max.
W celu zwiększenia parametrów granicznych produkowane są zespoły tranzystorowe, które mogą zawierać do kilkuset połączonych równolegle tranzystorów zamkniętych w jednej obudowie.
Tranzystory bipolarne są obecnie coraz rzadziej stosowane, zwłaszcza w technologii zasilania impulsowego. Zastępują je tranzystory MOSFET i kombinowane tranzystory IGBT, mające niewątpliwe zalety w tej dziedzinie elektroniki.
W tranzystorach polowych prąd jest określany przez ruch nośników tylko jednego znaku (elektronów lub dziur). W przeciwieństwie do bipolarnego, prąd tranzystora jest napędzany przez pole elektryczne, które zmienia przekrój poprzeczny kanału przewodzącego.
Ponieważ w obwodzie wejściowym nie ma prądu wejściowego, pobór mocy tego obwodu jest praktycznie zerowy, co jest niewątpliwie zaletą tranzystora polowego.
Strukturalnie tranzystor składa się z kanału przewodzącego typu n lub p, na końcach którego znajdują się obszary: źródło emitujące nośniki ładunku i dren przyjmujący nośniki.Elektroda służąca do regulacji przekroju kanału nazywana jest bramką.
Tranzystor polowy to urządzenie półprzewodnikowe, które reguluje prąd w obwodzie poprzez zmianę przekroju poprzecznego kanału przewodzącego.
Istnieją tranzystory polowe z bramką w postaci złącza pn oraz z izolowaną bramką.
W tranzystorach polowych z izolowaną bramką między kanałem półprzewodnikowym a metalową bramką znajduje się warstwa izolacyjna z dielektryka - tranzystory MIS (metal - dielektryk - półprzewodnik), specjalny przypadek - tlenek krzemu - tranzystory MOS.
Wbudowany kanałowy tranzystor MOS ma początkową przewodność, która przy braku sygnału wejściowego (Uzi = 0) jest w przybliżeniu równa połowie wartości maksymalnej. W tranzystorach MOS z kanałem indukowanym przy napięciu Uzi = 0 prąd wyjściowy jest nieobecny, Ic = 0, ponieważ początkowo nie ma kanału przewodzącego.
Tranzystory MOSFET z kanałem indukowanym są również nazywane MOSFET-ami. Stosowane są głównie jako kluczowe elementy, na przykład w zasilaczach impulsowych.
Kluczowe elementy oparte na tranzystorach MOS mają szereg zalet: obwód sygnałowy nie jest połączony galwanicznie ze źródłem sterowania, obwód sterujący nie pobiera prądu i ma dwustronne przewodnictwo. Tranzystory polowe, w przeciwieństwie do bipolarnych, nie boją się przegrzania.
Więcej informacji na temat tranzystorów można znaleźć tutaj:
Tyrystory
Tyrystor to urządzenie półprzewodnikowe działające w dwóch stanach ustalonych — niskiego przewodzenia (tyrystor zamknięty) i wysokiego przewodzenia (tyrystor otwarty). Strukturalnie tyrystor ma trzy lub więcej złączy p-n i trzy wyjścia.
Oprócz anody i katody w konstrukcji tyrystora przewidziano trzecie wyjście (elektrodę), które nazywa się sterowaniem.
Tyrystor przeznaczony jest do bezdotykowego załączania (włączania i wyłączania) obwodów elektrycznych. Charakteryzują się dużą prędkością i możliwością przełączania prądów o bardzo znacznej wielkości (do 1000 A). Stopniowo są one zastępowane przez przełączające tranzystory.
Rysunek 5 - Konwencjonalne - graficzne oznaczenie tyrystorów
Dynistory (dwuelektrodowe) — podobnie jak konwencjonalne prostowniki posiadają anodę i katodę. Gdy napięcie przewodzenia wzrasta do pewnej wartości Ua = Uon, dinistor otwiera się.
Tyrystory (SCR — trzyelektrodowe) — mają dodatkową elektrodę sterującą; Uin zmienia się pod wpływem prądu sterującego przepływającego przez elektrodę sterującą.
Aby wprowadzić tyrystor w stan zamknięty, należy przyłożyć napięcie wsteczne (- do anody, + do katody) lub zmniejszyć prąd przewodzenia poniżej wartości zwanej prądem trzymania Iudera.
Tyrystor blokujący - można go przełączyć w stan zamknięty poprzez podanie impulsu sterującego o odwrotnej polaryzacji.
Tyrystory: zasada działania, budowa, rodzaje i metody włączania
Triaki (tyrystory symetryczne) — przewodzące prąd w obu kierunkach.
Tyrystory stosowane są jako łączniki zbliżeniowe oraz sterowane prostowniki w urządzeniach automatyki i przekształtnikach prądu elektrycznego. W obwodach prądu przemiennego i pulsacyjnego możliwa jest zmiana czasu otwarcia tyrystora, a co za tym idzie czasu przepływu prądu przez obciążenie. Pozwala to dostosować moc rozdzielaną do obciążenia.