Συσκευές Ημιαγωγών - Τύποι, Επισκόπηση και Χρήσεις
Η ταχεία ανάπτυξη και επέκταση των πεδίων εφαρμογής των ηλεκτρονικών συσκευών οφείλεται στη βελτίωση της βάσης στοιχείων στην οποία βασίζονται οι συσκευές ημιαγωγών... Επομένως, για να κατανοήσουμε τις διαδικασίες λειτουργίας των ηλεκτρονικών συσκευών, είναι απαραίτητο να γνωρίζουμε τη συσκευή και την αρχή λειτουργίας των κύριων τύπων συσκευών ημιαγωγών.
Υλικά ημιαγωγών ως προς την ειδική αντίστασή τους, καταλαμβάνουν μια ενδιάμεση θέση μεταξύ αγωγών και διηλεκτρικών.
Τα κύρια υλικά για την κατασκευή συσκευών ημιαγωγών είναι το πυρίτιο (Si), το καρβίδιο του πυριτίου (SiC), οι ενώσεις του γάλλιου και του ινδίου.
Αγωγιμότητα ημιαγωγών εξαρτάται από την παρουσία ακαθαρσιών και εξωτερικών ενεργειακών επιδράσεων (θερμοκρασία, ακτινοβολία, πίεση κ.λπ.). Η ροή του ρεύματος προκαλείται από δύο τύπους φορέων φορτίου - ηλεκτρόνια και οπές. Ανάλογα με τη χημική σύνθεση, γίνεται διάκριση μεταξύ καθαρών και ακαθαρσιών ημιαγωγών.
Για την παραγωγή ηλεκτρονικών συσκευών χρησιμοποιούνται στερεοί ημιαγωγοί με κρυσταλλική δομή.
Οι συσκευές ημιαγωγών είναι συσκευές των οποίων η λειτουργία βασίζεται στη χρήση των ιδιοτήτων των υλικών ημιαγωγών.
Ταξινόμηση συσκευών ημιαγωγών
Με βάση συνεχείς ημιαγωγούς, αντιστάσεις ημιαγωγών:
Γραμμική αντίσταση - Η αντίσταση εξαρτάται ελαφρώς από την τάση και το ρεύμα. Είναι «στοιχείο» ολοκληρωμένων κυκλωμάτων.
Varistor - η αντίσταση εξαρτάται από την εφαρμοζόμενη τάση.
Θερμίστορ - η αντίσταση εξαρτάται από τη θερμοκρασία. Υπάρχουν δύο τύποι: θερμίστορ (καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία, μειώνεται η αντίσταση) και πόζιστορ (όσο αυξάνεται η θερμοκρασία, αυξάνεται η αντίσταση).
Φωτοαντίσταση — η αντίσταση εξαρτάται από τον φωτισμό (ακτινοβολία). Παραμορφωτής — η αντίσταση εξαρτάται από τη μηχανική παραμόρφωση.
Η αρχή της λειτουργίας των περισσότερων συσκευών ημιαγωγών βασίζεται στις ιδιότητες σύνδεσης ηλεκτρονίου-οπής p-n-διασταύρωσης.
Δίοδοι ημιαγωγών
Είναι μια συσκευή ημιαγωγών με μία σύνδεση p-n και δύο ακροδέκτες, η λειτουργία των οποίων βασίζεται στις ιδιότητες της διασταύρωσης p-n.
Η κύρια ιδιότητα της διασταύρωσης p-n είναι η μονοκατευθυντική αγωγιμότητα - το ρεύμα ρέει μόνο προς μία κατεύθυνση. Η συμβατική γραφική ονομασία (UGO) της διόδου έχει τη μορφή βέλους, το οποίο υποδεικνύει την κατεύθυνση της ροής ρεύματος μέσω της συσκευής.
Δομικά, η δίοδος αποτελείται από μια διασταύρωση p-n που περικλείεται σε μια θήκη (με εξαίρεση τα ανοιχτά πλαίσια μικρομονάδων) και δύο ακροδέκτες: από την περιοχή p-άνοδος, από την n-περιοχή-κάθοδο.
Αυτά τα. Μια δίοδος είναι μια συσκευή ημιαγωγών που μεταφέρει ρεύμα μόνο σε μία κατεύθυνση—από την άνοδο στην κάθοδο.
Η εξάρτηση του ρεύματος μέσω της συσκευής από την εφαρμοζόμενη τάση ονομάζεται συσκευή χαρακτηριστικής τάσης ρεύματος (VAC) I = f (U).Η μονόπλευρη αγωγιμότητα της διόδου είναι εμφανής από το χαρακτηριστικό I-V της (Εικ. 1).
Σχήμα 1 — Χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης διόδου
Ανάλογα με το σκοπό, οι δίοδοι ημιαγωγών χωρίζονται σε ανορθωτές, γενικές, παλμικές, ζένερ δίοδοι και σταθεροποιητές, διόδους σήραγγας και αντίστροφης λειτουργίας, LED και φωτοδίοδοι.
Η μονόπλευρη αγωγιμότητα καθορίζει τις ιδιότητες ανόρθωσης της διόδου. Με απευθείας σύνδεση («+» στην άνοδο και «-» στην κάθοδο) η δίοδος είναι ανοιχτή και ένα αρκετά μεγάλο προς τα εμπρός ρεύμα ρέει μέσα από αυτήν. Αντίστροφα («-» στην άνοδο και «+» στην κάθοδο), η δίοδος είναι κλειστή, αλλά ρέει ένα μικρό αντίστροφο ρεύμα.
Οι δίοδοι ανορθωτή έχουν σχεδιαστεί για να μετατρέπουν εναλλασσόμενο ρεύμα χαμηλής συχνότητας (συνήθως μικρότερο από 50 kHz) σε συνεχές ρεύμα, δηλ. Για να σηκωθούν. Οι κύριες παράμετροί τους είναι το μέγιστο επιτρεπόμενο ρεύμα προς τα εμπρός Ipr max και η μέγιστη επιτρεπόμενη αντίστροφη τάση Uo6p max. Αυτές οι παράμετροι ονομάζονται περιοριστικές — η υπέρβασή τους μπορεί να απενεργοποιήσει μερικώς ή πλήρως τη συσκευή.
Για να αυξηθούν αυτές οι παράμετροι, κατασκευάζονται στήλες διόδων, κόμβοι, πίνακες, που είναι σειρές-παράλληλες, γέφυρες ή άλλες συνδέσεις p-n-junctions.
Οι γενικές δίοδοι χρησιμοποιούνται για την διόρθωση ρευμάτων σε ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων (έως και αρκετές εκατοντάδες megahertz). Οι παράμετροι αυτών των διόδων είναι οι ίδιες με αυτές των διόδων ανορθωτή, εισάγονται μόνο πρόσθετες: η μέγιστη συχνότητα λειτουργίας (MHz) και η χωρητικότητα της διόδου (pF).
Οι παλμικές δίοδοι έχουν σχεδιαστεί για μετατροπή σήματος παλμού, χρησιμοποιούνται σε κυκλώματα παλμών υψηλής ταχύτητας.Οι απαιτήσεις για αυτές τις διόδους σχετίζονται με τη διασφάλιση μιας γρήγορης απόκρισης της συσκευής στην παλμική φύση της παρεχόμενης τάσης — ένας σύντομος χρόνος μετάβασης της διόδου από την κλειστή κατάσταση στην ανοιχτή κατάσταση και αντίστροφα.
Δίοδοι Zener — αυτές είναι δίοδοι ημιαγωγών, η πτώση τάσης κατά μήκος της οποίας εξαρτάται ελάχιστα από το ρεύμα που ρέει. Χρησιμεύει στη σταθεροποίηση της έντασης.
Varikapi - η αρχή λειτουργίας βασίζεται στην ιδιότητα της διασταύρωσης p-n να αλλάζει την τιμή της χωρητικότητας φραγμού όταν η τιμή της αντίστροφης τάσης αλλάζει σε αυτήν. Χρησιμοποιούνται ως μεταβλητοί πυκνωτές ελεγχόμενης τάσης. Στα σχήματα, τα varicaps ενεργοποιούνται προς την αντίθετη κατεύθυνση.
LED - αυτές είναι δίοδοι ημιαγωγών, η αρχή των οποίων βασίζεται στην εκπομπή φωτός από μια διασταύρωση p-n όταν διέρχεται συνεχές ρεύμα.
Φωτοδίοδοι - το αντίστροφο ρεύμα εξαρτάται από τον φωτισμό της διασταύρωσης p-n.
Οι δίοδοι Schottky - βασίζονται σε μια διασταύρωση μετάλλου-ημιαγωγού, γι' αυτό και έχουν σημαντικά υψηλότερο ποσοστό απόκρισης από τις συμβατικές δίοδοι.
Σχήμα 2 — Συμβατική γραφική αναπαράσταση διόδων
Για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με τις διόδους δείτε εδώ:
Παράμετροι και σχήματα του ανορθωτή
Φωτοδίοδοι: συσκευή, χαρακτηριστικά και αρχές λειτουργίας
Τρανζίστορ
Ένα τρανζίστορ είναι μια συσκευή ημιαγωγών που έχει σχεδιαστεί για να ενισχύει, να δημιουργεί και να μετατρέπει ηλεκτρικά σήματα, καθώς και να διακόπτει ηλεκτρικά κυκλώματα.
Ένα χαρακτηριστικό γνώρισμα του τρανζίστορ είναι η ικανότητα ενίσχυσης τάσης και ρεύματος - οι τάσεις και τα ρεύματα που δρουν στην είσοδο του τρανζίστορ οδηγούν στην εμφάνιση σημαντικά υψηλότερων τάσεων και ρευμάτων στην έξοδό του.
Με την εξάπλωση των ψηφιακών ηλεκτρονικών και των κυκλωμάτων παλμών, η κύρια ιδιότητα του τρανζίστορ είναι η ικανότητά του να βρίσκεται σε ανοιχτή και κλειστή κατάσταση υπό την επίδραση ενός σήματος ελέγχου.
Το τρανζίστορ πήρε το όνομά του από τη συντομογραφία δύο αγγλικών λέξεων tran (sfer) (re) sistor - ελεγχόμενη αντίσταση. Αυτό το όνομα δεν είναι τυχαίο, επειδή υπό τη δράση της τάσης εισόδου που εφαρμόζεται στο τρανζίστορ, η αντίσταση μεταξύ των ακροδεκτών εξόδου του μπορεί να ρυθμιστεί σε πολύ μεγάλο εύρος.
Το τρανζίστορ σάς επιτρέπει να ρυθμίσετε το ρεύμα στο κύκλωμα από το μηδέν στη μέγιστη τιμή.
Ταξινόμηση τρανζίστορ:
— σύμφωνα με την αρχή της δράσης: πεδίο (μονοπολικό), διπολικό, συνδυασμένο.
— με την τιμή της κατανεμημένης ισχύος: χαμηλή, μεσαία και υψηλή.
— με την τιμή της οριακής συχνότητας: χαμηλή, μεσαία, υψηλή και εξαιρετικά υψηλή συχνότητα.
— από την τιμή της τάσης λειτουργίας: χαμηλή και υψηλή τάση.
— κατά λειτουργικό σκοπό: γενικό, ενισχυτικό, κλειδί, κ.λπ.
-σχεδιαστικά: με ανοιχτό πλαίσιο και σε έκδοση τύπου box, με άκαμπτους και εύκαμπτους ακροδέκτες.
Ανάλογα με τις λειτουργίες που εκτελούνται, τα τρανζίστορ μπορούν να λειτουργήσουν σε τρεις τρόπους:
1) Ενεργή λειτουργία - χρησιμοποιείται για την ενίσχυση ηλεκτρικών σημάτων σε αναλογικές συσκευές Η αντίσταση του τρανζίστορ αλλάζει από το μηδέν στη μέγιστη τιμή - λένε ότι το τρανζίστορ "ανοίγει" ή "κλείνει".
2) Λειτουργία κορεσμού — η αντίσταση του τρανζίστορ τείνει στο μηδέν. Σε αυτή την περίπτωση, το τρανζίστορ είναι ισοδύναμο με μια κλειστή επαφή ρελέ.
3) Λειτουργία αποκοπής — το τρανζίστορ είναι κλειστό και έχει υψηλή αντίσταση, δηλ. ισοδυναμεί με επαφή ανοιχτού ρελέ.
Οι τρόποι κορεσμού και αποκοπής χρησιμοποιούνται σε ψηφιακά, παλμικά και κυκλώματα μεταγωγής.
Ένα διπολικό τρανζίστορ είναι μια συσκευή ημιαγωγών με δύο συνδέσεις p-n και τρεις αγωγούς που παρέχουν ενίσχυση ισχύος ηλεκτρικών σημάτων.
Στα διπολικά τρανζίστορ, το ρεύμα προκαλείται από την κίνηση των φορέων φορτίου δύο τύπων: ηλεκτρονίων και οπών, που οφείλεται στο όνομά τους.
Στα διαγράμματα, επιτρέπεται η απεικόνιση τρανζίστορ, τόσο σε κύκλο όσο και χωρίς αυτό (Εικ. 3). Το βέλος δείχνει την κατεύθυνση της ροής του ρεύματος στο τρανζίστορ.
Εικόνα 3 - Συμβατική γραφική σημειογραφία των τρανζίστορ n-p-n (a) και p-n-p (b)
Η βάση του τρανζίστορ είναι μια πλάκα ημιαγωγών, στην οποία σχηματίζονται τρία τμήματα με μεταβλητό τύπο αγωγιμότητας - ηλεκτρόνιο και οπή. Ανάλογα με την εναλλαγή των στρωμάτων, διακρίνονται δύο τύποι δομής τρανζίστορ: n-p-n (Εικ. 3, α) και p-n-p (Εικ. 3, β).
Εκπομπός (E) — ένα στρώμα που είναι πηγή φορέων φορτίου (ηλεκτρόνια ή οπές) και δημιουργεί ρεύμα στη συσκευή.
Συλλέκτης (K) — ένα στρώμα που δέχεται φορείς φορτίου που προέρχονται από τον πομπό.
Βάση (Β) — το μεσαίο στρώμα που ελέγχει το ρεύμα του τρανζίστορ.
Όταν το τρανζίστορ είναι συνδεδεμένο στο κύκλωμα, ένα από τα ηλεκτρόδιά του είναι είσοδος (η πηγή του εναλλασσόμενου σήματος εισόδου είναι ενεργοποιημένη), το άλλο εξέρχεται (το φορτίο είναι ενεργοποιημένο), το τρίτο ηλεκτρόδιο είναι κοινό στην είσοδο και στην έξοδο. Στις περισσότερες περιπτώσεις, χρησιμοποιείται ένα κοινό κύκλωμα εκπομπού (Εικόνα 4). Εφαρμόζεται τάση όχι μεγαλύτερη από 1 V στη βάση, μεγαλύτερη από 1 V στον συλλέκτη, για παράδειγμα +5 V, +12 V, +24 V, κ.λπ.
Σχήμα 4 — Διαγράμματα κυκλώματος ενός διπολικού τρανζίστορ κοινού εκπομπού
Το ρεύμα συλλέκτη εμφανίζεται μόνο όταν το ρεύμα βάσης Ib (που καθορίζεται από το Ube) ρέει.Όσο περισσότερο Ib, τόσο περισσότερο Ik. Το Ib μετριέται σε μονάδες mA και το ρεύμα συλλέκτη μετράται σε δεκάδες και εκατοντάδες mA, δηλ. IbIk. Επομένως, όταν εφαρμόζεται ένα σήμα AC μικρού πλάτους στη βάση, το μικρό Ib θα αλλάξει και το μεγάλο Ic θα αλλάξει ανάλογα με αυτό. Όταν ένας συλλέκτης αντίστασης φορτίου περιλαμβάνεται στο κύκλωμα, θα διανεμηθεί ένα σήμα σε αυτό, επαναλαμβάνοντας το σχήμα της εισόδου, αλλά με μεγαλύτερο πλάτος, δηλ. ενισχυμένο σήμα.
Οι μέγιστες επιτρεπόμενες παράμετροι των τρανζίστορ περιλαμβάνουν, πρώτα απ 'όλα: τη μέγιστη επιτρεπόμενη ισχύ που καταναλώνεται στον συλλέκτη Pk.max, την τάση μεταξύ του συλλέκτη και του πομπού Uke.max, το ρεύμα συλλέκτη Ik.max.
Για να αυξηθούν οι περιοριστικές παράμετροι, παράγονται συγκροτήματα τρανζίστορ, τα οποία μπορούν να αριθμούν έως και αρκετές εκατοντάδες παράλληλα συνδεδεμένα τρανζίστορ που περικλείονται σε ένα μόνο περίβλημα.
Τα διπολικά τρανζίστορ χρησιμοποιούνται πλέον όλο και λιγότερο, ειδικά στην τεχνολογία παλμικής ισχύος. Αντικαθίστανται από MOSFET και συνδυασμένα IGBT, έχοντας αδιαμφισβήτητα πλεονεκτήματα σε αυτόν τον τομέα των ηλεκτρονικών.
Στα τρανζίστορ φαινομένου πεδίου, το ρεύμα καθορίζεται από την κίνηση των φορέων ενός μόνο σημείου (ηλεκτρόνια ή οπές). Σε αντίθεση με το διπολικό, το ρεύμα του τρανζίστορ οδηγείται από ένα ηλεκτρικό πεδίο που αλλάζει τη διατομή του αγώγιμου καναλιού.
Δεδομένου ότι δεν υπάρχει ρεύμα εισόδου στο κύκλωμα εισόδου, η κατανάλωση ισχύος αυτού του κυκλώματος είναι πρακτικά μηδενική, κάτι που είναι αναμφίβολα ένα πλεονέκτημα του τρανζίστορ φαινομένου πεδίου.
Δομικά, ένα τρανζίστορ αποτελείται από ένα αγώγιμο κανάλι τύπου n ή p, στα άκρα του οποίου υπάρχουν περιοχές: μια πηγή που εκπέμπει φορείς φορτίου και μια αποστράγγιση που δέχεται φορείς.Το ηλεκτρόδιο που χρησιμοποιείται για τη ρύθμιση της διατομής του καναλιού ονομάζεται πύλη.
Ένα τρανζίστορ φαινομένου πεδίου είναι μια συσκευή ημιαγωγών που ρυθμίζει το ρεύμα σε ένα κύκλωμα αλλάζοντας τη διατομή του αγώγιμου καναλιού.
Υπάρχουν τρανζίστορ φαινομένου πεδίου με πύλη με τη μορφή σύνδεσης pn και με απομονωμένη πύλη.
Στα τρανζίστορ φαινομένου πεδίου με μονωμένη πύλη μεταξύ του καναλιού ημιαγωγού και της μεταλλικής πύλης υπάρχει ένα μονωτικό στρώμα από τρανζίστορ διηλεκτρικού - MIS (μέταλλο - διηλεκτρικό - ημιαγωγός), ειδική θήκη - οξείδιο του πυριτίου - τρανζίστορ MOS.
Ένα ενσωματωμένο τρανζίστορ MOS καναλιού έχει μια αρχική αγωγιμότητα που, ελλείψει σήματος εισόδου (Uzi = 0), είναι περίπου το μισό της μέγιστης. Στα τρανζίστορ MOS με επαγόμενο κανάλι σε τάση Uzi = 0, το ρεύμα εξόδου απουσιάζει, Ic = 0, επειδή αρχικά δεν υπάρχει αγώγιμο κανάλι.
Τα MOSFET με επαγόμενο κανάλι ονομάζονται επίσης MOSFET. Χρησιμοποιούνται κυρίως ως βασικά στοιχεία, για παράδειγμα στην εναλλαγή τροφοδοτικών.
Τα βασικά στοιχεία που βασίζονται σε τρανζίστορ MOS έχουν πολλά πλεονεκτήματα: το κύκλωμα σήματος δεν συνδέεται γαλβανικά με την πηγή της δράσης ελέγχου, το κύκλωμα ελέγχου δεν καταναλώνει ρεύμα και έχει αγωγιμότητα διπλής όψης. Τα τρανζίστορ πεδίου, σε αντίθεση με τα διπολικά, δεν φοβούνται την υπερθέρμανση.
Για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με τα τρανζίστορ δείτε εδώ:
Θυρίστορ
Το θυρίστορ είναι μια συσκευή ημιαγωγών που λειτουργεί σε δύο σταθερές καταστάσεις — χαμηλής αγωγιμότητας (κλειστό θυρίστορ) και υψηλής αγωγιμότητας (ανοικτό θυρίστορ). Δομικά, ένα θυρίστορ έχει τρεις ή περισσότερες συνδέσεις p-n και τρεις εξόδους.
Εκτός από την άνοδο και την κάθοδο, παρέχεται μια τρίτη έξοδος (ηλεκτρόδιο) στο σχεδιασμό του θυρίστορ, το οποίο ονομάζεται έλεγχος.
Το θυρίστορ είναι σχεδιασμένο για ενεργοποίηση και απενεργοποίηση χωρίς επαφή ηλεκτρικών κυκλωμάτων. Χαρακτηρίζονται από υψηλή ταχύτητα και δυνατότητα εναλλαγής ρευμάτων πολύ σημαντικού μεγέθους (έως 1000 Α). Σταδιακά αντικαθίστανται από τρανζίστορ μεταγωγής.
Εικόνα 5 - Συμβατική - γραφική ονομασία θυρίστορ
Dynistors (δύο ηλεκτροδίων) — όπως οι συμβατικοί ανορθωτές, έχουν μια άνοδο και μια κάθοδο. Καθώς η τάση προς τα εμπρός αυξάνεται σε μια ορισμένη τιμή Ua = Uon, ανοίγει το dinstor.
Τα θυρίστορ (SCRs — τρία ηλεκτρόδια) — διαθέτουν ένα πρόσθετο ηλεκτρόδιο ελέγχου. Το Uin αλλάζει από το ρεύμα ελέγχου που ρέει μέσω του ηλεκτροδίου ελέγχου.
Για να μεταφέρετε το θυρίστορ στην κλειστή κατάσταση, είναι απαραίτητο να εφαρμόσετε μια αντίστροφη τάση (- στην άνοδο, + στην κάθοδο) ή να μειώσετε το προς τα εμπρός ρεύμα κάτω από μια τιμή που ονομάζεται ρεύμα συγκράτησης Iuder.
Θυρίστορ ασφάλισης - μπορεί να αλλάξει σε κλειστή κατάσταση εφαρμόζοντας έναν παλμό ελέγχου αντίστροφης πολικότητας.
Θυρίστορ: αρχή λειτουργίας, σχεδιασμός, τύποι και μέθοδοι συμπερίληψης
Triacs (συμμετρικά θυρίστορ) — αγώγιμο ρεύμα και προς τις δύο κατευθύνσεις.
Τα θυρίστορ χρησιμοποιούνται ως διακόπτες εγγύτητας και ελεγχόμενοι ανορθωτές σε συσκευές αυτοματισμού και μετατροπείς ηλεκτρικού ρεύματος. Σε κυκλώματα εναλλασσόμενου και παλμικού ρεύματος, είναι δυνατή η αλλαγή του χρόνου της ανοιχτής κατάστασης του θυρίστορ και ως εκ τούτου του χρόνου ροής ρεύματος μέσω του φορτίου. Αυτό σας επιτρέπει να προσαρμόσετε την ισχύ που κατανέμεται στο φορτίο.