Puolijohdelaitteet - tyypit, yleiskuvaus ja käyttötarkoitukset
Elektroniikkalaitteiden sovellusalojen nopea kehitys ja laajentuminen johtuu puolijohdelaitteiden perustana olevan elementtipohjan parantumisesta... Siksi elektronisten laitteiden toimintaprosessien ymmärtämiseksi on tarpeen tietää puolijohdelaitteiden päätyyppien laite ja toimintaperiaate.
Puolijohdemateriaalit Ominaisvastuksensa suhteen ne ovat johtimien ja eristeiden välissä.
Puolijohdelaitteiden valmistuksen päämateriaaleja ovat pii (Si), piikarbidi (SiC), gallium- ja indiumyhdisteet.
Puolijohteiden johtavuus riippuu epäpuhtauksien läsnäolosta ja ulkoisista energiavaikutuksista (lämpötila, säteily, paine jne.). Virtauksen aiheuttavat kahden tyyppiset varauksen kantajat - elektronit ja aukot. Kemiallisen koostumuksen mukaan erotetaan puhtaat ja epäpuhtaudet puolijohteet.
Elektronisten laitteiden valmistukseen käytetään kiinteitä puolijohteita, joilla on kiderakenne.
Puolijohdelaitteet ovat laitteita, joiden toiminta perustuu puolijohdemateriaalien ominaisuuksien käyttöön.
Puolijohdelaitteiden luokitus
Perustuu jatkuviin puolijohteisiin, puolijohdevastukset:
Lineaarinen vastus - Resistanssi riippuu hieman jännitteestä ja virrasta. Se on integroitujen piirien "elementti".
Varistori - vastus riippuu käytetystä jännitteestä.
Termistori - vastus riippuu lämpötilasta. On olemassa kahta tyyppiä: termistori (lämpötilan noustessa resistanssi pienenee) ja posistorit (lämpötilan noustessa resistanssi kasvaa).
Valovastus — vastus riippuu valaistuksesta (säteilystä). Muovaaja – vastus riippuu mekaanisesta muodonmuutoksesta.
Useimpien puolijohdelaitteiden toimintaperiaate perustuu elektroni-reikäliitoksen p-n-liitoksen ominaisuuksiin.
Puolijohdediodit
Se on puolijohdelaite yhdellä p-n-liitoksella ja kahdella liittimellä, jonka toiminta perustuu p-n-liitoksen ominaisuuksiin.
P-n-liitoksen pääominaisuus on yksisuuntainen johtavuus - virta kulkee vain yhteen suuntaan. Diodin tavanomainen graafinen merkintä (UGO) on nuolen muotoinen, joka osoittaa virran suunnan laitteen läpi.
Rakenteellisesti diodi koostuu koteloon suljetusta p-n-liitoksesta (lukuun ottamatta mikromoduulin avoimia kehyksiä) ja kahdesta liittimestä: p-alue-anodista, n-alueen katodista.
Nämä. Diodi on puolijohdelaite, joka johtaa virtaa vain yhteen suuntaan - anodista katodille.
Laitteen läpi kulkevan virran riippuvuutta syötetystä jännitteestä kutsutaan virta-jännite ominaiskäyräksi (VAC) I = f (U).Diodin yksipuolinen johtavuus käy ilmi sen I-V-ominaiskäyrästä (kuva 1).
Kuva 1 — Diodin virta-jännite-ominaisuus
Puolijohdediodit jaetaan käyttötarkoituksen mukaan tasasuuntaaviin, yleisdiodeihin, pulssi-, zener- ja stabilointidiodeihin, tunneli- ja käänteisdiodeihin, LEDeihin ja valodiodeihin.
Yksipuolinen johtavuus määrää diodin tasasuuntausominaisuudet. Suoralla kytkennällä («+» anodille ja «-» katodille) diodi on auki ja sen läpi kulkee riittävän suuri eteenpäinvirtaus. Taaksepäin («-» anodille ja «+» katodille) diodi on kiinni, mutta pieni vastavirta kulkee.
Tasasuuntausdiodit on suunniteltu muuttamaan matalataajuinen vaihtovirta (yleensä alle 50 kHz) tasavirraksi, ts. nousta seisomaan. Niiden pääparametrit ovat suurin sallittu myötävirta Ipr max ja suurin sallittu paluujännite Uo6p max. Näitä parametreja kutsutaan rajoittaviksi – niiden ylittäminen voi poistaa laitteen käytöstä osittain tai kokonaan.
Näiden parametrien lisäämiseksi tehdään diodipylväitä, solmuja, matriiseja, jotka ovat sarja-rinnakkais-, silta- tai muita p-n-liitosten kytkentöjä.
Yleisdiodeja käytetään virtojen tasasuuntaamiseen laajalla taajuusalueella (jopa useita satoja megahertsejä). Näiden diodien parametrit ovat samat kuin tasasuuntausdiodien, vain lisää syötetään: suurin käyttötaajuus (MHz) ja diodin kapasitanssi (pF).
Pulssidiodit on suunniteltu pulssisignaalin muuntamiseen, niitä käytetään nopeissa pulssipiireissä.Vaatimukset näille diodeille liittyvät sen varmistamiseen, että laite reagoi nopeasti syötettävän jännitteen impulssiluonteeseen — diodin lyhyt siirtymäaika suljetusta tilasta avoimeen tilaan ja päinvastoin.
Zener-diodit - nämä ovat puolijohdediodeja, joiden jännitehäviö riippuu vähän virtaavasta virrasta. Se auttaa tasaamaan jännitystä.
Varikapi - toimintaperiaate perustuu p-n-liitoksen ominaisuuteen muuttaa estekapasitanssin arvoa, kun käänteisen jännitteen arvo muuttuu siinä. Niitä käytetään jänniteohjattuina muuttuvina kondensaattoreina. Kaavioissa varicapit kytketään päälle vastakkaiseen suuntaan.
LEDit - nämä ovat puolijohdediodeja, joiden periaate perustuu valon säteilyyn p-n-liitoksesta, kun tasavirta kulkee sen läpi.
Valodiodit - käänteinen virta riippuu p-n-liitoksen valaistuksesta.
Schottky-diodit - perustuvat metalli-puolijohdeliitokseen, minkä vuoksi niillä on huomattavasti suurempi vastenopeus kuin perinteisillä diodeilla.
Kuva 2 — Tavanomainen graafinen esitys diodeista
Katso lisätietoja diodeista täältä:
Tasasuuntaajan parametrit ja kaaviot
Valodiodit: laite, ominaisuudet ja toimintaperiaatteet
Transistorit
Transistori on puolijohdelaite, joka on suunniteltu vahvistamaan, generoimaan ja muuntamaan sähköisiä signaaleja sekä kytkemään sähköpiirejä.
Transistorin erottuva piirre on kyky vahvistaa jännitettä ja virtaa - transistorin sisääntulossa vaikuttavat jännitteet ja virrat johtavat huomattavasti suurempien jännitteiden ja virtojen ilmaantumista sen lähdössä.
Digitaalisen elektroniikan ja pulssipiirien leviämisen myötä transistorin pääominaisuus on sen kyky olla avoimessa ja suljetussa tilassa ohjaussignaalin vaikutuksesta.
Transistori on saanut nimensä kahden englanninkielisen sanan lyhenteestä trans (sfer) (re) sistor - ohjattu vastus. Tämä nimi ei ole sattumaa, koska transistoriin syötetyn tulojännitteen vaikutuksesta sen lähtöliittimien välistä vastusta voidaan säätää erittäin laajalla alueella.
Transistorin avulla voit säätää piirin virtaa nollasta maksimiarvoon.
Transistorien luokitus:
— toimintaperiaatteen mukaan: kenttä (unipolaarinen), bipolaarinen, yhdistetty.
— hajonneen tehon arvon mukaan: pieni, keskitaso ja korkea.
— rajataajuuden arvon mukaan: matala, keskitaso, korkea ja ultrakorkea taajuus.
— käyttöjännitteen arvon mukaan: matala ja korkea jännite.
— toiminnallisen tarkoituksen mukaan: yleiskäyttöinen, vahvistava, avain jne.
-suunnittelun suhteen: avoimella rungolla ja laatikkomaisessa versiossa, jäykillä ja joustavilla liittimillä.
Suoritettavista toiminnoista riippuen transistorit voivat toimia kolmessa tilassa:
1) Aktiivinen tila - käytetään vahvistamaan sähköisiä signaaleja analogisissa laitteissa. Transistorin resistanssi muuttuu nollasta maksimiarvoon - sanotaan, että transistori "avautuu" tai "sulkeutuu".
2) Saturaatiotila — transistorin resistanssi on yleensä nolla. Tässä tapauksessa transistori vastaa suljettua relekontaktia.
3) Katkaisutila — transistori on suljettu ja sillä on korkea resistanssi, ts. se vastaa avointa relekosketinta.
Kyllästys- ja katkaisutiloja käytetään digitaalisissa, pulssi- ja kytkentäpiireissä.
Bipolaarinen transistori on puolijohdelaite, jossa on kaksi p-n-liitosta ja kolme johdinta, jotka vahvistavat sähköisiä signaaleja.
Bipolaarisissa transistoreissa virran aiheuttaa kahden tyyppisten varauksenkuljettajien liike: elektronit ja aukot, mikä selittää niiden nimen.
Kaavioissa on sallittua kuvata transistorit sekä ympyrässä että ilman sitä (kuva 3). Nuoli näyttää virran suunnan transistorin sisällä.
Kuva 3 - Transistorien n-p-n (a) ja p-n-p (b) perinteinen graafinen merkintä
Transistorin perusta on puolijohdelevy, johon muodostetaan kolme erityyppistä johtavuusosaa - elektroni ja reikä. Kerrosten vuorottelusta riippuen erotetaan kaksi transistorirakennetyyppiä: n-p-n (kuva 3, a) ja p-n-p (kuva 3, b).
Emitter (E) - kerros, joka on varauksenkuljettajien (elektronien tai reikien) lähde ja luo virran laitteeseen;
Kokooja (K) — kerros, joka hyväksyy emitteriltä tulevat varauksenkantajat;
Kanta (B) - keskikerros, joka ohjaa transistorin virtaa.
Kun transistori on kytketty piiriin, yksi sen elektrodeista on tulona (tulon vaihtosignaalin lähde on päällä), toinen on lähtönä (kuorma on päällä), kolmas elektrodi on yhteinen tulolle ja ulostulolle. Useimmissa tapauksissa käytetään yhteistä emitteripiiriä (kuva 4). Kantaan syötetään enintään 1 V jännite, kollektoriin yli 1 V, esimerkiksi +5 V, +12 V, +24 V jne.
Kuva 4 — Yhteisen emitterin bipolaaritransistorin piirikaaviot
Kollektorivirta esiintyy vain, kun kantavirta Ib (määrittää Ube) virtaa.Mitä enemmän Ib, sitä enemmän Ik. Ib mitataan mA-yksiköissä ja kollektorivirtaa kymmenissä ja sadoissa mA, ts. IbIk. Siksi, kun pieni amplitudi AC-signaali kohdistetaan kantaan, pieni Ib muuttuu ja suuri Ic muuttuu suhteessa siihen. Kun piiriin on sisällytetty kuormitusvastuskollektori, sille jaetaan signaali, joka toistaa tulon muotoa, mutta suuremmalla amplitudilla, ts. vahvistettu signaali.
Transistoreiden suurimmat sallitut parametrit sisältävät ensinnäkin: kollektorissa suurin sallittu tehohäviö Pk.max, kollektorin ja emitterin välinen jännite Uke.max, kollektorivirta Ik.max.
Rajoittavien parametrien lisäämiseksi valmistetaan transistorikokoonpanoja, joissa voi olla jopa useita satoja rinnakkain kytkettyjä transistoreita, jotka on suljettu yhteen koteloon.
Bipolaarisia transistoreita käytetään nykyään yhä vähemmän, etenkin pulssitehotekniikassa. Ne korvataan MOSFETeillä ja yhdistetyillä IGBT:illä, joilla on kiistattomia etuja tällä elektroniikan alalla.
Kenttätransistoreissa virran määrää vain yhden merkin kantoaaltojen (elektronien tai reikien) liike. Toisin kuin bipolaarinen, transistorivirtaa ohjaa sähkökenttä, joka muuttaa johtavan kanavan poikkileikkausta.
Koska tulopiirissä ei ole tulovirtaa, tämän piirin virrankulutus on käytännössä nolla, mikä on epäilemättä kenttätransistorin etu.
Transistori koostuu rakenteellisesti n- tai p-tyypin johtavasta kanavasta, jonka päissä on alueet: varauksenkantoaineita lähettävä lähde ja kantoaaltoja vastaanottava nielu.Kanavan poikkileikkauksen säätämiseen käytettävää elektrodia kutsutaan portiksi.
Kenttätransistori on puolijohdelaite, joka säätelee virtaa piirissä muuttamalla johtavan kanavan poikkileikkausta.
On olemassa kenttätransistoreja, joissa on pn-liitoksen muotoinen hila ja eristetty hila.
Kenttätransistoreissa, joissa on eristetty hila puolijohdekanavan ja metalliportin välillä, on eristävä kerros dielektrisiä - MIS-transistoreja (metalli - dielektrinen - puolijohde), erikoiskotelo - piioksidi - MOS-transistoreja.
Sisäänrakennetun kanavan MOS-transistorin alkujohtavuus, joka tulosignaalin puuttuessa (Uzi = 0) on noin puolet maksimista. MOS-transistoreissa, joissa on indusoitu kanava jännitteellä Uzi = 0, lähtövirta puuttuu, Ic = 0, koska aluksi ei ole johtavaa kanavaa.
MOSFETejä, joissa on indusoitu kanava, kutsutaan myös MOSFETeiksi. Niitä käytetään pääasiassa avainelementteinä esimerkiksi hakkuriteholähteissä.
MOS-transistoreihin perustuvilla avainelementeillä on useita etuja: signaalipiiri ei ole galvaanisesti kytketty ohjaustoiminnan lähteeseen, ohjauspiiri ei kuluta virtaa ja sillä on kaksipuolinen johtavuus. Kenttätransistorit, toisin kuin bipolaariset, eivät pelkää ylikuumenemista.
Katso lisätietoja transistoreista täältä:
Tyristorit
Tyristori on puolijohdelaite, joka toimii kahdessa vakaassa tilassa - matalan johtavuuden (tyristori kiinni) ja korkean johtavuuden (tyristori auki). Rakenteellisesti tyristorissa on kolme tai useampia p-n-liitoksia ja kolme lähtöä.
Anodin ja katodin lisäksi tyristorin suunnittelussa on kolmas lähtö (elektrodi), jota kutsutaan ohjaukseksi.
Tyristori on suunniteltu kosketuksettomaan sähköpiirien kytkemiseen (päälle ja pois). Niille on ominaista suuri nopeus ja kyky vaihtaa erittäin merkittävän suuruisia virtoja (jopa 1000 A). Ne korvataan vähitellen vaihtotransistoreilla.
Kuva 5 - Tyristorien perinteinen graafinen merkintä
Dynistorit (kaksielektrodi) - kuten tavanomaisissa tasasuuntaajissa, niissä on anodi ja katodi. Kun myötäsuuntainen jännite kasvaa tietyllä arvolla Ua = Uon, dinistori avautuu.
Tyristorit (SCR - kolmielektrodi) - niissä on ylimääräinen ohjauselektrodi; Uin muuttuu ohjauselektrodin läpi kulkevan ohjausvirran vaikutuksesta.
Tyristorin siirtämiseksi suljettuun tilaan on käytettävä käänteistä jännitettä (- anodille, + katodille) tai laskettava myötävirtaa Iuderin pitovirraksi kutsutun arvon alapuolelle.
Lukitustyristori - voidaan kytkeä suljettuun tilaan käyttämällä käänteisen napaisuuden ohjauspulssia.
Tyristorit: toimintaperiaate, rakenne, tyypit ja sisällyttämismenetelmät
Triacit (symmetriset tyristorit) - johtavat virtaa molempiin suuntiin.
Tyristoreita käytetään lähestymiskytkiminä ja ohjattavina tasasuuntaajina automaatiolaitteissa ja sähkövirtamuuntimissa. Vaihto- ja pulssivirtapiireissä on mahdollista muuttaa tyristorin avoimen tilan aikaa ja siten virran kulkuaikaa kuorman läpi. Tämän avulla voit säätää kuormaan jakautuvaa tehoa.