Halvledarenheter - typer, översikt och användningsområden
Den snabba utvecklingen och expansionen av användningsområdena för elektroniska enheter beror på förbättringen av elementbasen som halvledarenheter är baserade på... Därför, för att förstå hur elektroniska enheter fungerar, är det nödvändigt att veta enheten och funktionsprincipen för huvudtyperna av halvledarenheter.
Halvledarmaterial när det gäller deras specifika motstånd intar de en mellanposition mellan ledare och dielektrikum.
Huvudmaterialen för tillverkning av halvledarenheter är kisel (Si), kiselkarbid (SiC), gallium och indiumföreningar.
Halvledarkonduktivitet beror på närvaron av föroreningar och extern energipåverkan (temperatur, strålning, tryck, etc.). Strömflödet orsakas av två typer av laddningsbärare - elektroner och hål. Beroende på den kemiska sammansättningen skiljer man mellan rena och orenheter halvledare.
För produktion av elektroniska enheter används solida halvledare med en kristallin struktur.
Halvledarenheter är enheter vars funktion är baserad på användningen av egenskaperna hos halvledarmaterial.
Klassificering av halvledarenheter
Baserat på kontinuerliga halvledare, halvledarmotstånd:
Linjärt motstånd - Motståndet beror något på spänning och ström. Det är ett "element" av integrerade kretsar.
Varistor - resistansen beror på den applicerade spänningen.
Termistor - resistans beror på temperatur. Det finns två typer: termistor (när temperaturen ökar, minskar motståndet) och posistorer (när temperaturen ökar, ökar motståndet).
Fotoresistor — motståndet beror på belysningen (strålningen). Deformerare — motstånd beror på mekanisk deformation.
Funktionsprincipen för de flesta halvledarenheter är baserad på p-n-övergångsegenskaperna för elektron-hålsövergången.
Halvledardioder
Det är en halvledarenhet med en p-n-övergång och två terminaler, vars funktion är baserad på egenskaperna hos p-n-övergången.
Huvudegenskapen hos p-n-övergången är enkelriktad ledning - strömmen flyter endast i en riktning. Den konventionella grafiska beteckningen (UGO) för dioden har formen av en pil, som indikerar riktningen för strömflödet genom enheten.
Strukturellt består dioden av en p-n-övergång innesluten i ett hölje (med undantag för mikromodulens öppna ramar) och två terminaler: från p-region-anoden, från n-region-katoden.
Dessa. En diod är en halvledarenhet som leder ström i endast en riktning - från anoden till katoden.
Beroendet av strömmen genom enheten av den pålagda spänningen kallas ström-spänningskarakteristiken (VAC) enheten I = f (U).Diodens enkelsidiga ledning framgår av dess I-V-karakteristik (fig. 1).
Figur 1 — Diodström-spänningskarakteristik
Beroende på syftet är halvledardioder indelade i likriktare, universaldioder, puls-, zenerdioder och stabilisatorer, tunnel- och omvänddioder, lysdioder och fotodioder.
Den ensidiga ledningen bestämmer diodens likriktningsegenskaper. Med direkt anslutning («+» till anoden och «-» till katoden) är dioden öppen och en tillräckligt stor framåtström flyter genom den. Omvänt («-» till anoden och «+» till katoden) är dioden stängd, men en liten omvänd ström flyter.
Likriktardioder är utformade för att omvandla lågfrekvent växelström (vanligtvis mindre än 50 kHz) till likström, d.v.s. att stå upp. Deras huvudparametrar är den maximalt tillåtna framåtströmmen Ipr max och den maximalt tillåtna backspänningen Uo6p max. Dessa parametrar kallas begränsning - överskridande av dem kan helt eller delvis inaktivera enheten.
För att öka dessa parametrar görs diodkolonner, noder, matriser, som är serieparallella, bryggor eller andra anslutningar av p-n-korsningar.
Universaldioder används för att likrikta strömmar i ett brett frekvensområde (upp till flera hundra megahertz). Parametrarna för dessa dioder är desamma som för likriktardioderna, endast ytterligare skrivs in: den maximala driftsfrekvensen (MHz) och diodkapacitansen (pF).
Pulsdioder är designade för pulssignalomvandling, de används i höghastighetspulskretsar.Kraven för dessa dioder är relaterade till att säkerställa ett snabbt svar från enheten på impulskaraktären hos den tillförda spänningen - en kort övergångstid för dioden från stängt tillstånd till öppet tillstånd och vice versa.
Zenerdioder — dessa är halvledardioder, vars spänningsfall beror lite på strömmen som flyter. Det tjänar till att stabilisera spänningen.
Varikapi - funktionsprincipen är baserad på egenskapen hos p-n-övergången för att ändra värdet på barriärkapacitansen när värdet på den omvända spänningen ändras på den. De används som spänningsstyrda variabla kondensatorer. I scheman slås varicaps på i motsatt riktning.
Lysdioder - dessa är halvledardioder, vars princip är baserad på emission av ljus från en p-n-övergång när en likström passerar genom den.
Fotodioder - den omvända strömmen beror på belysningen av p-n-övergången.
Schottky-dioder - baserade på en metall-halvledarövergång, vilket är anledningen till att de har en betydligt högre svarsfrekvens än konventionella dioder.
Figur 2 — Konventionell grafisk representation av dioder
För mer information om dioder se här:
Parametrar och scheman för likriktaren
Fotodioder: enhet, egenskaper och funktionsprinciper
Transistorer
En transistor är en halvledarenhet utformad för att förstärka, generera och omvandla elektriska signaler, samt byta elektriska kretsar.
En utmärkande egenskap hos transistorn är förmågan att förstärka spänning och ström - spänningar och strömmar som verkar vid transistorns ingång leder till uppkomsten av betydligt högre spänningar och strömmar vid dess utgång.
Med spridningen av digital elektronik och pulskretsar är transistorns huvudsakliga egenskap dess förmåga att vara i öppet och stängt tillstånd under påverkan av en styrsignal.
Transistorn har fått sitt namn från förkortningen av två engelska ord tran (sfer) (re) sistor - kontrollerat motstånd. Detta namn är inte av misstag, för under verkan av inspänningen som appliceras på transistorn kan motståndet mellan dess utgångsterminaler justeras i ett mycket brett område.
Transistorn låter dig justera strömmen i kretsen från noll till maximalt värde.
Klassificering av transistorer:
— enligt handlingsprincipen: fält (unipolär), bipolär, kombinerad.
— efter värdet av den förbrukade effekten: låg, medel och hög.
— efter värdet på den begränsande frekvensen: låg, medelhög, hög och ultrahög frekvens.
— efter värdet på driftspänningen: låg och hög spänning.
— efter funktionellt syfte: universell, förstärkande, nyckel, etc.
-designmässigt: med öppen ram och i lådversion, med styva och flexibla anslutningar.
Beroende på de funktioner som utförs kan transistorer fungera i tre lägen:
1) Aktivt läge - används för att förstärka elektriska signaler i analoga enheter.Transistorns resistans ändras från noll till maxvärdet - de säger att transistorn "öppnar" eller "stänger".
2) Mättnadsläge — transistorns resistans tenderar mot noll. I detta fall är transistorn ekvivalent med en sluten reläkontakt.
3) Cut-off-läge — transistorn är stängd och har ett högt motstånd, d.v.s. det motsvarar en öppen reläkontakt.
Mättnads- och avskärningslägena används i digitala, puls- och omkopplingskretsar.
En bipolär transistor är en halvledarenhet med två p-n-övergångar och tre ledare som ger effektförstärkning av elektriska signaler.
I bipolära transistorer orsakas strömmen av rörelse av laddningsbärare av två typer: elektroner och hål, vilket står för deras namn.
På diagrammen är det tillåtet att avbilda transistorer, både i en cirkel och utan den (fig. 3). Pilen visar strömriktningen i transistorn.
Figur 3 - Konventionell grafisk notation av transistorer n-p-n (a) och p-n-p (b)
Basen för transistorn är en halvledarplatta, i vilken tre sektioner med en variabel typ av konduktivitet - elektron och hål - bildas. Beroende på växlingen av skikten särskiljs två typer av transistorstruktur: n-p-n (fig. 3, a) och p-n-p (fig. 3, b).
Emitter (E) — ett lager som är en källa för laddningsbärare (elektroner eller hål) och skapar en ström på enheten;
Samlare (K) — ett lager som accepterar laddningsbärare som kommer från sändaren;
Bas (B) — mittskiktet som styr transistorns ström.
När transistorn är ansluten till kretsen, är en av dess elektroder ingång (källan för den ingående alternerande signalen är på), den andra matas ut (belastningen är på), den tredje elektroden är gemensam för ingången och utgången. I de flesta fall används en gemensam sändarkrets (Figur 4). En spänning på högst 1 V läggs på basen, mer än 1 V på kollektorn, till exempel +5 V, +12 V, +24 V, etc.
Figur 4 — Kretsdiagram för en gemensam emitter-bipolär transistor
Kollektorströmmen uppstår endast när basströmmen Ib (bestämd av Ube) flyter.Ju mer Ib, desto mer Ik. Ib mäts i enheter av mA, och kollektorströmmen mäts i tiotals och hundratals mA, d.v.s. IbIk. Därför, när en AC-signal med liten amplitud appliceras på basen, kommer den lilla Ib att ändras och den stora Ic att ändras i proportion till den. När en lastresistanskollektor ingår i kretsen kommer en signal att distribueras till den, som upprepar ingångens form, men med en större amplitud, dvs. förstärkt signal.
De maximalt tillåtna parametrarna för transistorerna inkluderar först och främst: den maximala tillåtna effekten som förbrukas på kollektorn Pk.max, spänningen mellan kollektorn och emittern Uke.max, kollektorströmmen Ik.max.
För att öka de begränsande parametrarna tillverkas transistoraggregat som kan ha upp till flera hundra parallellkopplade transistorer inneslutna i ett enda hölje.
Bipolära transistorer används nu mindre och mindre, särskilt inom pulserande kraftteknik. De ersätts av MOSFET:er och kombinerade IGBT:er, med obestridliga fördelar inom detta område av elektronik.
I fälteffekttransistorer bestäms strömmen av rörelsen hos bärare av endast ett tecken (elektroner eller hål). Till skillnad från bipolär drivs transistorström av ett elektriskt fält som ändrar tvärsnittet av den ledande kanalen.
Eftersom det inte finns någon inström i ingångskretsen är effektförbrukningen för denna krets praktiskt taget noll, vilket utan tvekan är en fördel med fälteffekttransistorn.
Strukturellt består en transistor av en ledande kanal av n- eller p-typ, i vars ändar det finns regioner: en källa som avger laddningsbärare och en drain som tar emot bärare.Elektroden som används för att justera kanalens tvärsnitt kallas grinden.
En fälteffekttransistor är en halvledarenhet som reglerar strömmen i en krets genom att ändra den ledande kanalens tvärsnitt.
Det finns fälteffekttransistorer med en gate i form av en pn-övergång och med en isolerad gate.
I fälteffekttransistorer med en isolerad grind mellan halvledarkanalen och metallporten finns ett isolerande lager av dielektriska - MIS-transistorer (metall - dielektriska - halvledare), ett specialfall - kiseloxid - MOS-transistorer.
En inbyggd kanal MOS-transistor har en initial konduktans som, i frånvaro av en insignal (Uzi = 0), är ungefär hälften av den maximala. I MOS-transistorer med en inducerad kanal vid en spänning Uzi = 0 saknas utströmmen, Ic = 0, eftersom det initialt inte finns någon ledande kanal.
MOSFETs med en inducerad kanal kallas även MOSFETs. De används främst som nyckelelement, till exempel för att byta strömförsörjning.
Nyckelelementen baserade på MOS-transistorer har ett antal fördelar: signalkretsen är inte galvaniskt ansluten till källan för kontrollåtgärden, styrkretsen förbrukar inte ström och har dubbelsidig konduktivitet. Fälteffekttransistorer, till skillnad från bipolära, är inte rädda för överhettning.
För mer information om transistorer se här:
Tyristorer
En tyristor är en halvledarenhet som arbetar i två stationära tillstånd - låg ledning (tyristor stängd) och hög ledning (tyristor öppen). Strukturellt har en tyristor tre eller flera p-n-övergångar och tre utgångar.
Förutom anoden och katoden tillhandahålls en tredje utgång (elektrod) i designen av tyristorn, som kallas kontrollen.
Tyristorn är utformad för beröringsfri omkoppling (på och av) av elektriska kretsar. De kännetecknas av hög hastighet och förmågan att byta strömmar av en mycket betydande storlek (upp till 1000 A). De ersätts gradvis av switchande transistorer.
Figur 5 - Konventionell - grafisk beteckning av tyristorer
Dynistorer (tvåelektrod) — liksom konventionella likriktare har de en anod och en katod. När framspänningen ökar vid ett visst värde Ua = Uon öppnar dinistorn.
Tyristorer (SCR - tre elektroder) - har en extra kontrollelektrod; Uin ändras av styrströmmen som flyter genom styrelektroden.
För att överföra tyristorn till det stängda tillståndet är det nödvändigt att applicera en omvänd spänning (- till anoden, + till katoden) eller minska framåtströmmen under ett värde som kallas Iuder-hållström.
Låsande tyristor - kan kopplas om till stängt läge genom att applicera en styrpuls med omvänd polaritet.
Tyristorer: funktionsprincip, design, typer och metoder för inkludering
Triacs (symmetriska tyristorer) — leder ström i båda riktningarna.
Tyristorer används som beröringspunkter och styrbara likriktare i automationsapparater och elektriska strömomvandlare. I växelströms- och pulsströmkretsar är det möjligt att ändra tiden för tyristorns öppna tillstånd, och därmed tiden för strömflödet genom lasten. Detta gör att du kan justera effekten som fördelas till lasten.