Polprevodniške naprave - vrste, pregled in uporaba
Hiter razvoj in širjenje področij uporabe elektronskih naprav je posledica izboljšanja elementne baze, na kateri temeljijo polprevodniške naprave... Zato je za razumevanje procesov delovanja elektronskih naprav potrebno poznati naprava in načelo delovanja glavnih vrst polprevodniških naprav.
Polprevodniški materiali po specifičnem uporu zavzemajo vmesni položaj med prevodniki in dielektriki.
Glavni materiali za izdelavo polprevodniških naprav so silicij (Si), silicijev karbid (SiC), galijeve in indijeve spojine.
Polprevodniška prevodnost odvisno od prisotnosti primesi in zunanjih energijskih vplivov (temperatura, sevanje, tlak itd.). Tok povzročata dve vrsti nosilcev naboja - elektroni in luknje. Glede na kemično sestavo ločimo čiste in primesne polprevodnike.
Za proizvodnjo elektronskih naprav se uporabljajo trdni polprevodniki s kristalno strukturo.
Polprevodniške naprave so naprave, katerih delovanje temelji na uporabi lastnosti polprevodniških materialov.
Razvrstitev polprevodniških naprav
Na podlagi zveznih polprevodnikov, polprevodniški upori:
Linearni upor - upor je rahlo odvisen od napetosti in toka. Je "element" integriranih vezij.
Varistor - upor je odvisen od uporabljene napetosti.
Termistor - upor je odvisen od temperature. Obstajata dve vrsti: termistor (ko se temperatura poveča, se upor zmanjša) in pozistorji (ko se temperatura poveča, se upor poveča).
Fotorezistor — upor je odvisen od osvetlitve (sevanja). Deformator — odpornost je odvisna od mehanske deformacije.
Načelo delovanja večine polprevodniških naprav temelji na lastnostih p-n-spojnega spoja elektron-luknja.
Polprevodniške diode
Je polprevodniška naprava z enim p-n spojem in dvema sponkama, katere delovanje temelji na lastnostih p-n spoja.
Glavna lastnost p-n spoja je enosmerna prevodnost – tok teče samo v eno smer. Konvencionalna grafična oznaka (UGO) diode ima obliko puščice, ki označuje smer toka skozi napravo.
Strukturno je dioda sestavljena iz p-n spoja, zaprtega v ohišju (z izjemo odprtih okvirjev mikromodula) in dveh sponk: iz p-regije-anode, iz n-regije-katode.
te. Dioda je polprevodniška naprava, ki prevaja tok samo v eno smer - od anode do katode.
Odvisnost toka skozi napravo od uporabljene napetosti se imenuje tokovno-napetostna karakteristika (VAC) naprave I = f (U).Enostranska prevodnost diode je razvidna iz njene I-V karakteristike (slika 1).
Slika 1 - Tokovno-napetostna karakteristika diode
Polprevodniške diode glede na namen delimo na usmerniške, univerzalne, impulzne, zener diode in stabilizatorje, tunelske in reverzne diode, LED in fotodiode.
Enostranska prevodnost določa rektifikacijske lastnosti diode. Pri neposredni povezavi (»+« na anodo in «-» na katodo) je dioda odprta in skozi njo teče dovolj velik prednji tok. V obratni smeri («-» na anodo in «+» na katodo) je dioda zaprta, vendar teče majhen povratni tok.
Usmerniške diode so namenjene pretvarjanju nizkofrekvenčnega izmeničnega toka (običajno manj kot 50 kHz) v enosmerni tok, tj. vstati. Njihova glavna parametra sta največji dovoljeni prednji tok Ipr max in največja dovoljena povratna napetost Uo6p max. Ti parametri se imenujejo omejevalni - če jih presežete, lahko napravo delno ali popolnoma onemogočite.
Za povečanje teh parametrov so izdelani diodni stebri, vozlišča, matrice, ki so serijsko vzporedne, mostne ali druge povezave p-n-stikov.
Univerzalne diode se uporabljajo za usmerjanje tokov v širokem frekvenčnem območju (do nekaj sto megahercev). Parametri teh diod so enaki kot pri usmerniških diodah, vneseni so le dodatni: največja delovna frekvenca (MHz) in kapacitivnost diode (pF).
Impulzne diode so zasnovane za pretvorbo impulznega signala, uporabljajo se v hitrih impulznih vezjih.Zahteve za te diode so povezane z zagotavljanjem hitrega odziva naprave na impulzno naravo dobavljene napetosti - kratek čas prehoda diode iz zaprtega stanja v odprto stanje in obratno.
Zener diode - to so polprevodniške diode, katerih padec napetosti je malo odvisen od toka, ki teče. Služi za stabilizacijo napetosti.
Varikapi - princip delovanja temelji na lastnosti p-n-stičišča, da spremeni vrednost pregradne kapacitivnosti, ko se na njej spremeni vrednost povratne napetosti. Uporabljajo se kot napetostno krmiljeni spremenljivi kondenzatorji. V shemah so varikapi vklopljeni v nasprotni smeri.
LED - to so polprevodniške diode, katerih princip temelji na oddajanju svetlobe iz p-n spoja, ko skozenj teče enosmerni tok.
Fotodiode - povratni tok je odvisen od osvetlitve p-n-spojnice.
Schottky diode - temeljijo na spoju kovina-polprevodnik, zato imajo bistveno večjo odzivnost kot običajne diode.
Slika 2 — Konvencionalni grafični prikaz diod
Za več informacij o diodah si oglejte tukaj:
Fotodiode: naprava, značilnosti in principi delovanja
Tranzistorji
Tranzistor je polprevodniška naprava, namenjena ojačanju, ustvarjanju in pretvarjanju električnih signalov ter preklapljanju električnih tokokrogov.
Posebnost tranzistorja je sposobnost ojačanja napetosti in toka - napetosti in tokovi, ki delujejo na vhodu tranzistorja, vodijo do pojava bistveno višjih napetosti in tokov na njegovem izhodu.
S širjenjem digitalne elektronike in impulznih vezij je glavna lastnost tranzistorja njegova sposobnost, da je pod vplivom krmilnega signala v odprtem in zaprtem stanju.
Tranzistor je dobil ime iz okrajšave dveh angleških besed tran (sfer) (re) sistor - krmiljeni upor. To ime ni naključno, saj je pod vplivom vhodne napetosti na tranzistor lahko upor med njegovimi izhodnimi sponkami nastavljen v zelo širokem območju.
Tranzistor vam omogoča nastavitev toka v vezju od nič do največje vrednosti.
Razvrstitev tranzistorjev:
— po principu delovanja: polje (unipolarno), bipolarno, kombinirano.
— po vrednosti razpršene moči: nizka, srednja in visoka.
— glede na vrednost mejne frekvence: nizka, srednja, visoka in ultravisoka frekvenca.
— po vrednosti delovne napetosti: nizka in visoka napetost.
— po funkcionalnem namenu: univerzalni, ojačitveni, ključni itd.
-konstrukcijsko: z odprtim okvirjem in v škatlasti izvedbi s togimi in gibljivimi sponkami.
Glede na opravljene funkcije lahko tranzistorji delujejo v treh načinih:
1) Aktivni način - uporablja se za ojačanje električnih signalov v analognih napravah.Upornost tranzistorja se spreminja od nič do največje vrednosti - pravijo, da se tranzistor "odpre" ali "zapre".
2) Način nasičenosti - upornost tranzistorja se nagiba k ničli. V tem primeru je tranzistor enakovreden zaprtemu relejnemu kontaktu.
3) Način izklopa — tranzistor je zaprt in ima visok upor, tj. enakovreden je odprtemu kontaktu releja.
Načini nasičenosti in izklopa se uporabljajo v digitalnih, impulznih in preklopnih vezjih.
Bipolarni tranzistor je polprevodniška naprava z dvema p-n spojema in tremi vodniki, ki zagotavljajo ojačitev moči električnih signalov.
V bipolarnih tranzistorjih je tok posledica gibanja nosilcev naboja dveh vrst: elektronov in lukenj, kar je razlog za njihovo ime.
Na diagramih je dovoljeno prikazati tranzistorje, tako v krogu kot brez njega (slika 3). Puščica prikazuje smer toka toka v tranzistorju.
Slika 3 - Konvencionalni grafični zapis tranzistorjev n-p-n (a) in p-n-p (b)
Osnova tranzistorja je polprevodniška plošča, v kateri so oblikovani trije odseki s spremenljivo vrsto prevodnosti - elektron in luknja. Glede na menjavo plasti ločimo dve vrsti tranzistorske strukture: n-p-n (slika 3, a) in p-n-p (slika 3, b).
Emiter (E) — plast, ki je vir nosilcev naboja (elektronov ali lukenj) in ustvarja tok na napravi;
Zbiralnik (K) — plast, ki sprejema nosilce naboja, ki prihajajo iz oddajnika;
Baza (B) — srednji sloj, ki nadzoruje tok tranzistorja.
Ko je tranzistor priključen na vezje, je ena od njegovih elektrod vhod (vir vhodnega izmeničnega signala je vklopljen), druga je izhod (obremenitev je vklopljena), tretja elektroda je skupna za vhod in izhod. V večini primerov se uporablja vezje s skupnim oddajnikom (slika 4). Napetost največ 1 V se napaja na bazo, več kot 1 V na kolektor, na primer +5 V, +12 V, +24 V itd.
Slika 4 — Sheme vezja bipolarnega tranzistorja s skupnim oddajnikom
Kolektorski tok se pojavi le, ko teče osnovni tok Ib (določen z Ube).Več kot je Ib, več je Ik. Ib se meri v enotah mA, kolektorski tok pa se meri v desetinah in stotinah mA, tj. IbIk. Zato, ko se na bazo uporabi izmenični signal majhne amplitude, se bo majhen Ib spremenil, veliki Ic pa sorazmerno z njim. Ko je v tokokrog vključen kolektor obremenitvenega upora, se nanj porazdeli signal, ki ponavlja obliko vhoda, vendar z večjo amplitudo, tj. ojačen signal.
Največji dovoljeni parametri tranzistorjev vključujejo predvsem: največjo dovoljeno moč, ki se razprši na kolektorju Pk.max, napetost med kolektorjem in oddajnikom Uke.max, kolektorski tok Ik.max.
Za povečanje mejnih parametrov se izdelujejo tranzistorski sklopi, ki lahko štejejo do več sto vzporedno povezanih tranzistorjev, zaprtih v enem ohišju.
Bipolarni tranzistorji se zdaj uporabljajo vedno manj, zlasti v tehnologiji impulznega napajanja. Nadomestijo jih MOSFET-ji in kombinirani IGBT-ji, ki imajo nesporne prednosti na tem področju elektronike.
V tranzistorjih z učinkom polja je tok določen z gibanjem nosilcev samo enega predznaka (elektronov ali lukenj). Za razliko od bipolarnega tok tranzistorja poganja električno polje, ki spremeni presek prevodnega kanala.
Ker v vhodnem vezju ni vhodnega toka, je poraba energije tega vezja praktično nična, kar je nedvomna prednost tranzistorja na efekt polja.
Strukturno je tranzistor sestavljen iz prevodnega kanala n- ali p-tipa, na koncih katerega so območja: izvor, ki oddaja nosilce naboja, in odtok, ki sprejema nosilce.Elektroda, ki se uporablja za prilagajanje preseka kanala, se imenuje vrata.
Tranzistor z učinkom polja je polprevodniška naprava, ki uravnava tok v vezju s spreminjanjem prereza prevodnega kanala.
Obstajajo poljski tranzistorji z vrati v obliki pn spoja in z izoliranimi vrati.
V poljskih tranzistorjih z izoliranimi vrati med polprevodniškim kanalom in kovinskimi vrati je izolacijska plast dielektrika - MIS tranzistorji (kovina - dielektrik - polprevodnik), poseben primer - silicijev oksid - MOS tranzistorji.
Vgrajeni kanalni MOS tranzistor ima začetno prevodnost, ki je v odsotnosti vhodnega signala (Uzi = 0) približno polovica največje. V tranzistorjih MOS z induciranim kanalom pri napetosti Uzi = 0 je izhodni tok odsoten, Ic = 0, ker na začetku ni prevodnega kanala.
MOSFET-ji z induciranim kanalom se imenujejo tudi MOSFET-ji. Uporabljajo se predvsem kot ključni elementi, na primer v stikalnih napajalnikih.
Ključni elementi na osnovi tranzistorjev MOS imajo vrsto prednosti: signalno vezje ni galvansko povezano z virom krmiljenja, krmilno vezje ne porablja toka in ima dvostransko prevodnost. Tranzistorji na polju se za razliko od bipolarnih ne bojijo pregrevanja.
Za več informacij o tranzistorjih glejte tukaj:
Tiristorji
Tiristor je polprevodniška naprava, ki deluje v dveh stabilnih stanjih - nizki prevodnosti (tiristor zaprt) in visoki prevodnosti (tiristor odprt). Strukturno ima tiristor tri ali več p-n stičišč in tri izhode.
Poleg anode in katode je v zasnovi tiristorja predviden tretji izhod (elektroda), ki se imenuje krmiljenje.
Tiristor je zasnovan za brezkontaktno vklapljanje (vklop in izklop) električnih tokokrogov. Zanje je značilna visoka hitrost in sposobnost preklapljanja tokov zelo velike velikosti (do 1000 A). Postopoma jih nadomeščajo stikalni tranzistorji.
Slika 5 - Konvencionalna - grafična oznaka tiristorjev
Dinistorji (dvoelektrodni) - tako kot običajni usmerniki imajo anodo in katodo. Ko se napetost naprej poveča pri določeni vrednosti Ua = Uon, se dinistor odpre.
Tiristorji (SCR - trielektrodni) - imajo dodatno krmilno elektrodo; Uin se spreminja s krmilnim tokom, ki teče skozi krmilno elektrodo.
Za prenos tiristorja v zaprto stanje je potrebno uporabiti obratno napetost (- na anodo, + na katodo) ali zmanjšati prednji tok pod vrednost, imenovano Iuderjev zadrževalni tok.
Zaklepni tiristor - lahko ga preklopite v zaprto stanje z uporabo krmilnega impulza obratne polarnosti.
Tiristorji: princip delovanja, zasnova, vrste in načini vključitve
Triaki (simetrični tiristorji) - prevodni tok v obe smeri.
Tiristorji se uporabljajo kot bližinska stikala in krmiljeni usmerniki v avtomatskih napravah in pretvornikih električnega toka. V tokokrogih izmeničnega in impulznega toka je mogoče spremeniti čas odprtega stanja tiristorja in s tem čas pretoka toka skozi obremenitev. To vam omogoča prilagajanje moči, porazdeljene na obremenitev.