Полупроводникови устройства — видове, преглед и употреба

Бързото развитие и разширяване на областите на приложение на електронните устройства се дължи на подобряването на елементната база, на която се основава полупроводникови устройства… Следователно, за да се разберат процесите на функциониране на електронни устройства, е необходимо да се знае устройството и принципът на работа на основните видове полупроводникови устройства.

Полупроводникови материали по отношение на тяхното специфично съпротивление, те заемат междинно място между проводници и диелектрици.

Основните материали за производството на полупроводникови устройства са силиций (Si), силициев карбид (SiC), съединения на галий и индий.

Полупроводникова проводимост зависи от наличието на примеси и външни енергийни влияния (температура, радиация, налягане и др.). Потокът на ток се причинява от два вида носители на заряд — електрони и дупки. В зависимост от химичния състав се прави разлика между чисти и примесни полупроводници.

За производството на електронни устройства се използват твърди полупроводници с кристална структура.

Полупроводниковите устройства са устройства, чиято работа се основава на използването на свойствата на полупроводниковите материали.

Класификация на полупроводникови устройства

Въз основа на непрекъснати полупроводници, полупроводникови резистори:

Линеен резистор — съпротивлението зависи малко от напрежението и тока. Той е «елемент» на интегрални схеми.

Варистор — съпротивлението зависи от приложеното напрежение.

Термистор — съпротивлението зависи от температурата. Има два вида: термистор (с повишаване на температурата, съпротивлението намалява) и позистори (с повишаване на температурата съпротивлението се увеличава).

Фоторезистор — съпротивлението зависи от осветеността (радиацията). Деформатор — устойчивостта зависи от механичната деформация.

Принципът на действие на повечето полупроводникови устройства се основава на свойствата преход с електронна дупка p-n-преход.

Полупроводникови диоди

Това е полупроводниково устройство с един p-n-преход и два извода, чиято работа се основава на свойствата на p-n-прехода.

Основното свойство на p-n прехода е еднопосочна проводимост-токът тече само в една посока. Конвенционалното графично обозначение (UGO) на диода има формата на стрелка, която показва посоката на протичане на ток през устройството.

Структурно диодът се състои от p-n-преход, затворен в калъф (с изключение на микромодулни отворени рамки) и два извода: от p-областта-анода, от n-областта-катода.

Тези. диод е полупроводниково устройство, което предава ток само в една посока — от анода към катода.

Извиква се зависимостта на тока през устройството от приложеното напрежение характеристика ток-напрежение (VAC) устройство I = f (U). Едностранната проводимост на диода се вижда от неговата I-V характеристика (фиг. 1).

Фигура 1 — Характеристика на токово напрежение на диода

В зависимост от предназначението, полупроводниковите диоди се разделят на токоизправителни, универсални, импулсни, ценерови диоди и стабилизатори, тунелни и обърнати диоди, светодиоди и фотодиоди.

Едностранната проводимост определя изправителните свойства на диода. При директно свързване («+» към анода и «-» към катода) диодът е отворен и през него тече достатъчно голям ток напред. При обратна връзка («-» към анода и «+» към катода) диодът е заключен, но тече малък обратен ток.

Токоизправителни диоди са проектирани да преобразуват променлив ток с ниска честота (обикновено по -малко от 50 kHz) в постоянен, т.е. за изправяне. Техните основни параметри са максимално допустимият ток напред Ipr max и максимално допустимото обратно напрежение Uo6p max. Тези параметри се наричат ​​ограничаващи — надвишаването им може частично или напълно да деактивира устройството.

За да се увеличат тези параметри, се правят диодни колони, възли, матрици, които са последователно-паралелни, мостови или други връзки на p-n-кръстовища.

Универсални диоди се използват за коригиране на токове в широк честотен диапазон (до няколкостотин мегагерца). Параметрите на тези диоди са същите като тези на токоизправителните диоди, въвеждат се само допълнителни: максималната работна честота (MHz) и капацитетът на диода (pF).

Импулсни диоди са предназначени за преобразуване на импулсен сигнал, използват се във високоскоростни импулсни вериги. Изискванията към тези диоди са свързани с осигуряване на бърза реакция на устройството към импулсния характер на подаденото напрежение — кратко време на преход на диода от затворено състояние в отворено състояние и обратно.

Ценерови диоди — това са полупроводникови диоди, падането на напрежението през които зависи малко от протичащия ток. Служи за стабилизиране на напрежението.

Варикапи -принципът на действие се основава на свойството на p-n-прехода да променя стойността на бариерния капацитет, когато стойността на обратното напрежение се промени върху него. Те се използват като променливи кондензатори, контролирани с напрежение. В схемите варикапите се включват в обратна посока.

Светодиоди -това са полупроводникови диоди, чийто принцип се основава на излъчването на светлина от p-n-преход, когато през него преминава постоянен ток.

Фотодиоди -обратният ток зависи от осветеността на p-n-прехода.

Диоди Шотки — базирани на преход метал-полупроводник, поради което те имат значително по-висок процент на реакция от конвенционалните диоди.

Фигура 2 — Конвенционално графично обозначение на диодите

За повече информация относно диодите вижте тук:

Токоизправителни диоди

Захранващи диоди

Параметри и схеми на токоизправителя

Фотодиоди: устройство, характеристики и принципи на работа

Транзистори

Транзистор е полупроводниково устройство, предназначено за усилване, генериране и преобразуване на електрически сигнали, както и превключване на електрически вериги.

Отличителна черта на транзистора е възможността за усилване на напрежение и ток — напреженията и токовете, действащи на входа на транзистора, водят до появата на значително по -високи напрежения и токове на изхода му.

С разпространението на цифрова електроника и импулсни вериги, основното свойство на транзистора е способността му да бъде в отворено и затворено състояние под въздействието на управляващ сигнал.

Транзисторът е получил името си от съкращението на две английски думи tran (sfer) (re) sistor -контролиран резистор. Това име не е случайно, тъй като под действието на входното напрежение, приложено към транзистора, съпротивлението между неговите изходни клеми може да се регулира в много широк диапазон.

Транзисторът ви позволява да регулирате тока във веригата от нула до максималната стойност.

Класификация на транзисторите:

— според принципа на действие: поле (еднополюсно), биполярно, комбинирано.

— по стойността на разсейваната мощност: ниска, средна и висока.

— по стойността на ограничаващата честота: ниска, средна, висока и свръхвисока честота.

— по стойността на работното напрежение: ниско и високо напрежение.

— по функционално предназначение: универсално, усилващо, ключово и др.

-по отношение на дизайна: с отворена рамка и във вариант тип кутия, с твърди и гъвкави изводи.

В зависимост от изпълняваните функции, транзисторите могат да работят в три режима:

1) Активен режим — използва се за усилване на електрически сигнали в аналогови устройства.Съпротивлението на транзистора се променя от нула до максималната стойност — казват, че транзисторът се «отваря» или «затваря».

2) Режим на насищане — съпротивлението на транзистора се стреми към нула. В този случай транзисторът е еквивалентен на затворен релеен контакт.

3) Режим на прекъсване — транзисторът е затворен и има високо съпротивление, т.е. той е еквивалентен на отворен контакт на реле.

Режимите на насищане и прекъсване се използват в цифрови, импулсни и комутационни схеми.

Биполярен транзистор е полупроводниково устройство с два p-n-прехода и три проводника, осигуряващи усилване на мощността на електрическите сигнали.

В биполярните транзистори токът се причинява от движението на носители на заряд от два типа: електрони и дупки, което определя тяхното име.

На диаграмите е позволено да бъдат изобразени транзистори, както в кръг, така и без него (фиг. 3). Стрелката показва посоката на протичане на ток в транзистора.

Фигура 3-Конвенционално-графично обозначение на транзистори n-p-n (a) и p-n-p (b)

Основата на транзистора е полупроводникова плоча, в която са оформени три секции с променлив тип проводимост — електронна и дупка. В зависимост от редуването на слоевете се разграничават два типа транзисторна структура: n-p-n (фиг. 3, а) и p-n-p (фиг. 3, б).

Излъчвател (Е) — слой, който е източник на носители на заряд (електрони или дупки) и създава ток на устройството;

Колектор (K) — слой, който приема носители на заряд, идващи от излъчвателя;

База (В) — средният слой, който контролира тока на транзистора.

Когато транзисторът е включен в електрическата верига, един от неговите електроди се въвежда (източникът на входния променлив сигнал е включен), другият се извежда (натоварването е включено), третият електрод е общ по отношение на входа и изхода. В повечето случаи се използва обща излъчвателна верига (Фигура 4). Към основата се прилага напрежение не повече от 1 V, към колектора повече от 1 V, например +5 V, +12 V, +24 V и т.н.

Фигура 4 — Схеми за включване на биполярен транзистор с общ излъчвател

Колекторният ток възниква само когато тече основният ток Ib (определен от Ube). Колкото повече Ib, толкова повече Ik. Ib се измерва в единици mA, а токът на колектора се измерва в десетки и стотици mA, т.е. IbIk. Следователно, когато към базата се приложи променлив сигнал с малка амплитуда, малкият Ib ще се промени и големият Ic ще се промени пропорционално на него. Когато в схемата е включен колектор за съпротивление на натоварване, върху него ще бъде разпределен сигнал, повтарящ формата на входа, но с по -голяма амплитуда, т.е. усилен сигнал.

Максимално допустимите параметри на транзисторите включват преди всичко: максимално допустимата мощност, разсейвана върху колектора Pk.max, напрежението между колектора и емитер Uke.max, тока на колектора Ik.max.

За да се увеличат ограничаващите параметри, се произвеждат транзисторни възли, които могат да наброяват до няколкостотин паралелно свързани транзистори, затворени в един корпус.

Биполярните транзистори сега се използват все по -рядко, особено в технологията с импулсна мощност. Те се заменят с MOSFET и комбинирани IGBT, имащи безспорни предимства в тази област на електрониката.

В полевите транзистори токът се определя от движението на носители само на един знак (електрони или дупки). За разлика от биполярния, транзисторният ток се управлява от електрическо поле, което променя напречното сечение на проводящия канал.

Тъй като няма входен ток във входната верига, консумацията на енергия от тази верига е практически нула, което несъмнено е предимство на транзистора с полеви ефекти.

Структурно транзисторът се състои от проводящ канал от тип n- или p, в краищата на който има области: източник, който излъчва носители на заряд, и дренаж, който приема носители. Електродът, използван за регулиране на напречното сечение на канала, се нарича порта.

Полеви транзистор е полупроводниково устройство, което регулира тока във веригата чрез промяна на напречното сечение на проводящия канал.

Има полеви транзистори с порта под формата на pn преход и с изолирана порта.

В полеви транзистори с изолирана порта между полупроводниковия канал и металната порта има изолационен слой от диелектрични — MIS транзистори (метал — диелектрик — полупроводник), специален случай — силициев оксид — MOS транзистори.

MOS транзисторът с вграден канал има начална проводимост, която при липса на входен сигнал (Uzi = 0) е приблизително половината от максимума. В MOS транзистори с индуциран канал при напрежение Uzi = 0, изходният ток отсъства, Ic = 0, тъй като първоначално няма проводящ канал.

MOSFET с индуциран канал се наричат ​​още MOSFET. Те се използват главно като ключови елементи, например при превключване на захранвания.

Ключовите елементи, базирани на MOS транзистори, имат редица предимства: сигналната верига не е галванично свързана с източника на управляващо действие, управляващата верига не консумира ток и има двустранна проводимост. Транзисторите с полеви ефекти, за разлика от биполярните, не се страхуват от прегряване.

За повече информация относно транзисторите вижте тук:

Биполярни транзистори

IGBT транзистори

Тиристори

Тиристор е полупроводниково устройство, работещо в две стационарни състояния — ниска проводимост (тиристорът е затворен) и висока проводимост (тиристор е отворен). Структурно тиристорът има три или повече p-n прехода и три изхода.

В допълнение към анода и катода, в конструкцията на тиристора е предвиден трети изход (електрод), който се нарича управляващ.

Тиристорът е предназначен за безконтактно включване (включване и изключване) на електрически вериги. Те се характеризират с висока скорост и възможност за превключване на токове с много значителна величина (до 1000 А). Те постепенно се заменят с превключване на транзистори.

Фигура 5 — Конвенционално — графично обозначение на тиристори

Динистори (двуелектродни) — подобно на конвенционалните токоизправители, те имат анод и катод. С увеличаване на напрежението напред при определена стойност Ua = Uon, динисторът се отваря.

Тиристори (SCRs — триелектродни) — да имат допълнителен управляващ електрод; Uin се променя от управляващия ток, протичащ през управляващия електрод.

За да прехвърлите тиристора в затворено състояние, е необходимо да приложите обратно напрежение (- към анода, + към катода) или да намалите тока напред под стойност, наречена задържащ ток Iuder.

Заключващ се тиристор — може да се превключи в затворено състояние чрез прилагане на контролен импулс с обратна полярност.

Тиристори: принцип на действие, дизайн, видове и методи на включване

Триаци (симетрични тиристори) — провеждане на ток в двете посоки.

Тиристорите се използват като превключватели за близост и управляеми токоизправители в устройства за автоматизация и преобразуватели на електрически ток. В схемите на променлив и импулсен ток е възможно да се промени времето на отворено състояние на тиристора, а оттам и времето на протичане на тока през товара. Това ви позволява да регулирате мощността, разпределена на товара.