Dispozitive semiconductoare - tipuri, prezentare generală și utilizări
Dezvoltarea și extinderea rapidă a domeniilor de aplicare a dispozitivelor electronice se datorează îmbunătățirii bazei de elemente pe care se bazează dispozitivele semiconductoare... Prin urmare, pentru a înțelege procesele de funcționare a dispozitivelor electronice, este necesar să se cunoască dispozitivul și principiul de funcționare a principalelor tipuri de dispozitive semiconductoare.
Materiale semiconductoare in ceea ce priveste rezistenta lor specifica, acestea ocupa o pozitie intermediara intre conductori si dielectrici.
Principalele materiale pentru fabricarea dispozitivelor semiconductoare sunt compușii de siliciu (Si), carbură de siliciu (SiC), galiu și indiu.
Conductivitate semiconductoare depinde de prezența impurităților și de influențele energetice externe (temperatură, radiații, presiune etc.). Fluxul de curent este cauzat de două tipuri de purtători de sarcină - electroni și găuri. În funcție de compoziția chimică, se face distincția între semiconductori puri și impurități.
Pentru producția de dispozitive electronice se folosesc semiconductori solizi cu structură cristalină.
Dispozitivele semiconductoare sunt dispozitive a căror funcționare se bazează pe utilizarea proprietăților materialelor semiconductoare.
Clasificarea dispozitivelor semiconductoare
Pe baza semiconductoarelor continue, rezistențe semiconductoare:
Rezistor liniar - Rezistența depinde puțin de tensiune și curent. Este un „element” al circuitelor integrate.
Varistor - rezistența depinde de tensiunea aplicată.
Termistor - rezistența depinde de temperatură. Există două tipuri: termistori (cu creșterea temperaturii, rezistența scade) și pozistorii (cu creșterea temperaturii, rezistența crește).
Fotorezistor — rezistența depinde de iluminare (radiație). Deformator - rezistența depinde de deformarea mecanică.
Principiul de funcționare al majorității dispozitivelor semiconductoare se bazează pe proprietățile joncțiunii p-n-joncțiuni electron-gaură.
Diode semiconductoare
Este un dispozitiv semiconductor cu o joncțiune p-n și două terminale, a cărui funcționare se bazează pe proprietățile joncțiunii p-n.
Proprietatea principală a joncțiunii p-n este conducția unidirecțională - curentul curge într-o singură direcție. Denumirea grafică convențională (UGO) a diodei are forma unei săgeți, care indică direcția fluxului de curent prin dispozitiv.
Din punct de vedere structural, dioda constă dintr-o joncțiune p-n închisă într-o carcasă (cu excepția cadrelor deschise de micromodule) și două terminale: de la p-regiune-anod, de la n-regiune-catod.
Aceste. O diodă este un dispozitiv semiconductor care conduce curentul într-o singură direcție - de la anod la catod.
Dependența curentului prin dispozitiv de tensiunea aplicată se numește dispozitiv caracteristic curent-tensiune (VAC) I = f (U).Conducția unilaterală a diodei este evidentă din caracteristica sa I-V (Fig. 1).
Figura 1 — Caracteristica curent-tensiune a diodei
În funcție de scop, diodele semiconductoare sunt împărțite în redresoare, universale, impulsuri, diode zener și stabilizatoare, diode tunel și inversare, LED-uri și fotodiode.
Conducția unilaterală determină proprietățile de redresare ale diodei. Cu conexiune directă («+» la anod și «-» la catod) dioda este deschisă și trece un curent direct suficient de mare prin ea. În sens invers («-» la anod și «+» la catod), dioda este închisă, dar curge un mic curent invers.
Diodele redresoare sunt concepute pentru a converti curentul alternativ de joasă frecvență (de obicei mai mic de 50 kHz) în curent continuu, de exemplu. a se ridica. Parametrii lor principali sunt curentul direct maxim admisibil Ipr max și tensiunea inversă maxim admisibilă Uo6p max. Acești parametri se numesc limitare - depășirea lor poate dezactiva parțial sau complet dispozitivul.
Pentru a crește acești parametri, se realizează coloane de diode, noduri, matrici care sunt serie-paralele, punte sau alte conexiuni de joncțiuni p-n.
Diodele universale sunt folosite pentru a redresa curenții într-o gamă largă de frecvențe (până la câteva sute de megaherți). Parametrii acestor diode sunt aceiași cu cei ai diodelor redresoare, se introduc doar alții suplimentari: frecvența maximă de funcționare (MHz) și capacitatea diodei (pF).
Diodele cu impulsuri sunt proiectate pentru conversia semnalului de impuls, sunt utilizate în circuite cu impulsuri de mare viteză.Cerințele pentru aceste diode sunt legate de asigurarea unui răspuns rapid al dispozitivului la natura de impuls a tensiunii furnizate - un timp scurt de tranziție a diodei de la starea închisă la starea deschisă și invers.
Diode Zener - acestea sunt diode semiconductoare, căderea de tensiune peste care depinde puțin de curentul care curge. Servește la stabilizarea tensiunii.
Varikapi - principiul de funcționare se bazează pe proprietatea joncțiunii p-n de a modifica valoarea capacității barierei atunci când valoarea tensiunii inverse se modifică pe aceasta. Sunt utilizați ca condensatori variabili controlați de tensiune. În scheme, varicaps-urile sunt pornite în direcția opusă.
LED-uri - acestea sunt diode semiconductoare, al căror principiu se bazează pe emisia de lumină dintr-o joncțiune p-n atunci când trece un curent continuu prin aceasta.
Fotodiode - curentul invers depinde de iluminarea joncțiunii p-n.
Diode Schottky - bazate pe o joncțiune metal-semiconductor, motiv pentru care au o rată de răspuns semnificativ mai mare decât diodele convenționale.
Figura 2 — Reprezentarea grafică convențională a diodelor
Pentru mai multe informații despre diode vezi aici:
Parametrii și schemele redresorului
Fotodiode: dispozitiv, caracteristici și principii de funcționare
Tranzistoare
Un tranzistor este un dispozitiv semiconductor conceput pentru a amplifica, genera și converti semnale electrice, precum și pentru a comuta circuitele electrice.
O caracteristică distinctivă a tranzistorului este capacitatea de a amplifica tensiunea și curentul - tensiunile și curenții care acționează la intrarea tranzistorului duc la apariția unor tensiuni și curenți semnificativ mai mari la ieșirea acestuia.
Odată cu răspândirea electronicii digitale și a circuitelor de impulsuri, principala proprietate a tranzistorului este capacitatea sa de a fi în stare deschisă și închisă sub influența unui semnal de control.
Tranzistorul și-a primit numele de la prescurtarea a două cuvinte englezești tran (sfer) (re)sistor - rezistor controlat. Această denumire nu este întâmplătoare, deoarece sub acțiunea tensiunii de intrare aplicată tranzistorului, rezistența dintre bornele sale de ieșire poate fi reglată într-un interval foarte larg.
Tranzistorul vă permite să reglați curentul din circuit de la zero la valoarea maximă.
Clasificarea tranzistoarelor:
— după principiul de acţiune: câmp (unipolar), bipolar, combinat.
— după valoarea puterii disipate: scăzută, medie și ridicată.
— prin valoarea frecvenței limită: frecvență joasă, medie, înaltă și ultraînaltă.
— prin valoarea tensiunii de funcționare: joasă și înaltă tensiune.
— după scop funcțional: universal, de întărire, cheie etc.
-din punct de vedere al designului: cu cadru deschis si in varianta tip cutie, cu terminale rigide si flexibile.
În funcție de funcțiile îndeplinite, tranzistorii pot funcționa în trei moduri:
1) Mod activ – folosit pentru amplificarea semnalelor electrice în dispozitivele analogice.Rezistența tranzistorului se schimbă de la zero la valoarea maximă – se spune că tranzistorul „se deschide” sau „se închide”.
2) Modul de saturație — rezistența tranzistorului tinde spre zero. În acest caz, tranzistorul este echivalent cu un contact de releu închis.
3) Modul de întrerupere — tranzistorul este închis și are o rezistență ridicată, adică este echivalent cu un contact releu deschis.
Modurile de saturație și de tăiere sunt utilizate în circuitele digitale, de impuls și de comutare.
Un tranzistor bipolar este un dispozitiv semiconductor cu două joncțiuni p-n și trei conductori care asigură amplificarea de putere a semnalelor electrice.
În tranzistoarele bipolare, curentul este cauzat de mișcarea purtătorilor de sarcină de două tipuri: electroni și găuri, care explică numele lor.
Pe diagrame, este permisă reprezentarea tranzistoarelor, atât în cerc, cât și fără ele (Fig. 3). Săgeata arată direcția fluxului de curent în tranzistor.
Figura 3 - Notarea grafică convențională a tranzistorilor n-p-n (a) și p-n-p (b)
Baza tranzistorului este o placă semiconductoare, în care se formează trei secțiuni cu un tip variabil de conductivitate - electron și gaură. În funcție de alternanța straturilor, se disting două tipuri de structură a tranzistorului: n-p-n (Fig. 3, a) și p-n-p (Fig. 3, b).
Emițător (E) — un strat care este o sursă de purtători de sarcină (electroni sau găuri) și creează un curent pe dispozitiv;
Colector (K) — un strat care acceptă purtători de sarcină proveniți de la emițător;
Baza (B) - stratul de mijloc care controlează curentul tranzistorului.
Când tranzistorul este conectat la circuit, unul dintre electrozii acestuia este introdus (sursa semnalului alternativ de intrare este pornită), celălalt este ieșit (sarcina este pornită), al treilea electrod este comun la intrare și la ieșire. În cele mai multe cazuri, se utilizează un circuit emițător comun (Figura 4). La bază se aplică o tensiune de cel mult 1 V, mai mult de 1 V la colector, de exemplu +5 V, +12 V, +24 V etc.
Figura 4 — Scheme de circuit ale unui tranzistor bipolar cu emițător comun
Curentul colectorului apare numai atunci când curge curentul de bază Ib (determinat de Ube).Cu cât mai mult Ib, cu atât mai mult Ik. Ib este măsurat în unități de mA, iar curentul colectorului este măsurat în zeci și sute de mA, adică. IbIk. Prin urmare, atunci când un semnal AC de amplitudine mică este aplicat la bază, Ib mic se va schimba și Ic mare se va schimba proporțional cu acesta. Când un colector de rezistență de sarcină este inclus în circuit, i se va distribui un semnal, repetând forma intrării, dar cu o amplitudine mai mare, adică. semnal amplificat.
Parametrii maximi admisibili ai tranzistoarelor includ, in primul rand: puterea maxima admisa disipata pe colector Pk.max, tensiunea dintre colector si emitator Uke.max, curentul colectorului Ik.max.
Pentru a crește parametrii limitatori, sunt produse ansambluri de tranzistori, care pot număra până la câteva sute de tranzistori conectați în paralel, închise într-o singură carcasă.
Tranzistoarele bipolare sunt acum folosite din ce în ce mai puțin, în special în tehnologia de putere în impulsuri. Ele sunt înlocuite cu MOSFET-uri și IGBT-uri combinate, având avantaje incontestabile în acest domeniu al electronicii.
În tranzistoarele cu efect de câmp, curentul este determinat de mișcarea purtătorilor de un singur semn (electroni sau găuri). Spre deosebire de bipolar, curentul tranzistorului este condus de un câmp electric care modifică secțiunea transversală a canalului conductor.
Deoarece nu există curent de intrare în circuitul de intrare, consumul de energie al acestui circuit este practic zero, ceea ce este, fără îndoială, un avantaj al tranzistorului cu efect de câmp.
Din punct de vedere structural, un tranzistor constă dintr-un canal conducător de tip n sau p, la capetele căruia se află regiuni: o sursă care emite purtători de sarcină și un dren care acceptă purtători.Electrodul folosit pentru reglarea secțiunii transversale a canalului se numește poarta.
Un tranzistor cu efect de câmp este un dispozitiv semiconductor care reglează curentul într-un circuit prin modificarea secțiunii transversale a canalului conductor.
Există tranzistoare cu efect de câmp cu o poartă sub forma unei joncțiuni pn și cu o poartă izolată.
În tranzistoarele cu efect de câmp cu o poartă izolată între canalul semiconductorului și poarta metalică există un strat izolator de dielectric - tranzistoare MIS (metal - dielectric - semiconductor), un caz special - oxid de siliciu - tranzistoare MOS.
Un tranzistor MOS cu canal încorporat are o conductanță inițială care, în absența unui semnal de intrare (Uzi = 0), este aproximativ jumătate din maxim. La tranzistoarele MOS cu canal indus la o tensiune Uzi = 0, curentul de ieșire este absent, Ic = 0, deoarece inițial nu există un canal conductor.
MOSFET-urile cu un canal indus sunt numite și MOSFET-uri. Ele sunt utilizate în principal ca elemente cheie, de exemplu în comutarea surselor de alimentare.
Elementele cheie bazate pe tranzistoare MOS au o serie de avantaje: circuitul de semnal nu este conectat galvanic la sursa acțiunii de control, circuitul de control nu consumă curent și are conductivitate dublă. Tranzistoarele cu efect de câmp, spre deosebire de cele bipolare, nu se tem de supraîncălzire.
Pentru mai multe informații despre tranzistori, vezi aici:
tiristoare
Un tiristor este un dispozitiv semiconductor care funcționează în două stări de echilibru - conducție scăzută (tiristorul închis) și conducție ridicată (tiristorul deschis). Din punct de vedere structural, un tiristor are trei sau mai multe joncțiuni p-n și trei ieșiri.
În plus față de anod și catod, o a treia ieșire (electrod) este prevăzută în proiectarea tiristorului, care se numește control.
Tiristorul este proiectat pentru pornirea (pornirea și oprirea) fără contact a circuitelor electrice. Se caracterizează prin viteză mare și capacitatea de a comuta curenți de o magnitudine foarte semnificativă (până la 1000 A). Acestea sunt treptat înlocuite de tranzistori de comutare.
Figura 5 - Convențional - denumirea grafică a tiristoarelor
Dinistori (cu doi electrozi) - ca și redresoarele convenționale, au un anod și un catod. Pe măsură ce tensiunea directă crește la o anumită valoare Ua = Uon, dinistorul se deschide.
Tiristoarele (SCR — cu trei electrozi) — au un electrod de control suplimentar; Uin este schimbat de curentul de control care trece prin electrodul de control.
Pentru a transfera tiristorul în starea închis, este necesar să se aplice o tensiune inversă (- la anod, + la catod) sau să se reducă curentul direct sub o valoare numită curent de menținere Iuder.
Tiristor de blocare - poate fi comutat în starea închis prin aplicarea unui impuls de control de polaritate inversă.
Tiristoare: principiu de funcționare, proiectare, tipuri și metode de includere
Triacs (tiristoare simetrice) - conducător de curent în ambele direcții.
Tiristoarele sunt folosite ca întrerupătoare de proximitate și redresoare controlabile în dispozitivele de automatizare și convertoare de curent electric. În circuitele de curent alternativ și pulsat, este posibil să se schimbe timpul stării deschise a tiristorului și, prin urmare, timpul de curgere a curentului prin sarcină. Acest lucru vă permite să reglați puterea distribuită la sarcină.