Polovodičové zariadenia - typy, prehľad a použitie
Rýchly rozvoj a rozširovanie oblastí použitia elektronických zariadení je spôsobené zdokonaľovaním základne prvkov, na ktorých sú založené polovodičové zariadenia... Preto, aby sme pochopili procesy fungovania elektronických zariadení, je potrebné poznať zariadenie a princíp činnosti hlavných typov polovodičových zariadení.
Polovodičové materiály z hľadiska ich špecifického odporu zaujímajú medzipolohu medzi vodičmi a dielektrikami.
Hlavnými materiálmi na výrobu polovodičových súčiastok sú kremík (Si), karbid kremíka (SiC), zlúčeniny gália a india.
Polovodičová vodivosť závisí od prítomnosti nečistôt a vonkajších energetických vplyvov (teplota, žiarenie, tlak a pod.). Tok prúdu je spôsobený dvoma typmi nosičov náboja - elektrónmi a dierami. V závislosti od chemického zloženia sa rozlišujú čisté a prímesové polovodiče.
Na výrobu elektronických zariadení sa používajú pevné polovodiče s kryštalickou štruktúrou.
Polovodičové zariadenia sú zariadenia, ktorých činnosť je založená na využití vlastností polovodičových materiálov.
Klasifikácia polovodičových prvkov
Na základe spojitých polovodičov, polovodičových rezistorov:
Lineárny rezistor - Odpor mierne závisí od napätia a prúdu. Je to „prvok“ integrovaných obvodov.
Varistor - odpor závisí od použitého napätia.
Termistor - odpor závisí od teploty. Existujú dva typy: termistor (so zvyšovaním teploty sa znižuje odpor) a pozistory (s rastúcou teplotou sa zvyšuje odpor).
Fotorezistor — odpor závisí od osvetlenia (žiarenia). Deformátor — odpor závisí od mechanickej deformácie.
Princíp činnosti väčšiny polovodičových zariadení je založený na vlastnostiach p-n-prechodu elektrón-diera.
Polovodičové diódy
Ide o polovodičovú súčiastku s jedným p-n prechodom a dvoma vývodmi, ktorej činnosť je založená na vlastnostiach p-n prechodu.
Hlavnou vlastnosťou p-n prechodu je jednosmerné vedenie - prúd tečie iba jedným smerom. Bežné grafické označenie (UGO) diódy má tvar šípky, ktorá označuje smer toku prúdu zariadením.
Konštrukčne sa dióda skladá z p-n prechodu uzavretého v puzdre (s výnimkou otvorených rámov mikromodulov) a dvoch vývodov: z p-oblasti-anódy, z n-oblasti-katódy.
Títo. Dióda je polovodičové zariadenie, ktoré vedie prúd iba v jednom smere - od anódy ku katóde.
Závislosť prúdu cez zariadenie od použitého napätia sa nazýva prúdovo-napäťová charakteristika (VAC) zariadenie I = f (U).Jednostranné vedenie diódy je zrejmé z jej I-V charakteristiky (obr. 1).
Obrázok 1 – Diódová prúdovo-napäťová charakteristika
Podľa účelu sa polovodičové diódy delia na usmerňovacie, univerzálne, impulzné, zenerove diódy a stabilizátory, tunelové a reverzné diódy, LED a fotodiódy.
Jednostranné vedenie určuje rektifikačné vlastnosti diódy. Pri priamom zapojení («+» na anódu a «-» na katódu) je dióda otvorená a preteká ňou dostatočne veľký dopredný prúd. V opačnom smere («-» k anóde a «+» ku katóde) je dióda zatvorená, ale preteká malý spätný prúd.
Usmerňovacie diódy sú určené na premenu nízkofrekvenčného striedavého prúdu (zvyčajne menej ako 50 kHz) na jednosmerný, t.j. postaviť sa. Ich hlavnými parametrami sú maximálny povolený priepustný prúd Ipr max a maximálne prípustné spätné napätie Uo6p max. Tieto parametre sa nazývajú obmedzujúce — ich prekročenie môže čiastočne alebo úplne deaktivovať zariadenie.
Na zvýšenie týchto parametrov sa vyrábajú diódové stĺpce, uzly, matice, ktoré sú sériovo-paralelné, mostové alebo iné spojenia p-n-prechodov.
Univerzálne diódy sa používajú na usmernenie prúdov v širokom frekvenčnom rozsahu (až niekoľko stoviek megahertzov). Parametre týchto diód sú rovnaké ako parametre usmerňovacích diód, zadávajú sa len ďalšie: maximálna pracovná frekvencia (MHz) a kapacita diódy (pF).
Pulzné diódy sú určené na konverziu impulzného signálu, používajú sa vo vysokorýchlostných impulzných obvodoch.Požiadavky na tieto diódy súvisia so zabezpečením rýchlej odozvy zariadenia na impulzný charakter privádzaného napätia — krátky čas prechodu diódy zo zatvoreného stavu do otvoreného stavu a naopak.
Zenerove diódy — sú to polovodičové diódy, ktorých pokles napätia v malej miere závisí od pretekajúceho prúdu. Slúži na stabilizáciu napätia.
Varikapi - princíp činnosti je založený na vlastnosti p-n-prechodu meniť hodnotu kapacity bariéry, keď sa na ňom mení hodnota spätného napätia. Používajú sa ako napäťovo riadené premenné kondenzátory. V schémach sú varikapy zapnuté v opačnom smere.
LED diódy - sú to polovodičové diódy, ktorých princíp je založený na emisii svetla z p-n prechodu, keď ním prechádza jednosmerný prúd.
Fotodiódy - spätný prúd závisí od osvetlenia p-n-prechodu.
Schottkyho diódy - založené na prechode kov-polovodič, preto majú výrazne vyššiu odozvu ako bežné diódy.
Obrázok 2 – Konvenčné grafické znázornenie diód
Viac informácií o diódach nájdete tu:
Parametre a schémy usmerňovača
Fotodiódy: zariadenie, charakteristika a princíp činnosti
Tranzistory
Tranzistor je polovodičové zariadenie určené na zosilnenie, generovanie a konverziu elektrických signálov, ako aj spínanie elektrických obvodov.
Charakteristickým rysom tranzistora je schopnosť zosilniť napätie a prúd - napätia a prúdy pôsobiace na vstupe tranzistora vedú k výskytu výrazne vyšších napätí a prúdov na jeho výstupe.
S rozšírením digitálnej elektroniky a impulzných obvodov je hlavnou vlastnosťou tranzistora jeho schopnosť byť v otvorenom a uzavretom stave pod vplyvom riadiaceho signálu.
Tranzistor dostal svoj názov podľa skratky dvoch anglických slov tran (sfer) (re) sistor - riadený odpor. Tento názov nie je náhodný, pretože pri pôsobení vstupného napätia aplikovaného na tranzistor je možné nastaviť odpor medzi jeho výstupnými svorkami vo veľmi širokom rozsahu.
Tranzistor umožňuje nastaviť prúd v obvode od nuly po maximálnu hodnotu.
Klasifikácia tranzistorov:
— podľa princípu pôsobenia: poľný (unipolárny), bipolárny, kombinovaný.
— podľa hodnoty rozptýleného výkonu: nízka, stredná a vysoká.
— hodnotou limitnej frekvencie: nízka, stredná, vysoká a ultravysoká frekvencia.
— hodnotou prevádzkového napätia: nízke a vysoké napätie.
— podľa funkčného účelu: univerzálny, výstužný, kľúčový atď.
-konštrukčne: s otvoreným rámom a v krabicovom prevedení s pevnými a ohybnými koncovkami.
V závislosti od vykonávaných funkcií môžu tranzistory pracovať v troch režimoch:
1) Aktívny režim - používa sa na zosilnenie elektrických signálov v analógových zariadeniach.Odpor tranzistora sa mení z nuly na maximálnu hodnotu - hovorí sa, že tranzistor sa "otvorí" alebo "zatvorí".
2) Režim saturácie — odpor tranzistora má tendenciu k nule. V tomto prípade je tranzistor ekvivalentný uzavretému reléovému kontaktu.
3) Režim cut-off — tranzistor je uzavretý a má vysoký odpor, t.j. je to ekvivalent otvoreného reléového kontaktu.
Režimy nasýtenia a odpojenia sa používajú v digitálnych, impulzných a spínacích obvodoch.
Bipolárny tranzistor je polovodičová súčiastka s dvoma p-n prechodmi a tromi vodičmi, ktoré poskytujú výkonové zosilnenie elektrických signálov.
V bipolárnych tranzistoroch je prúd spôsobený pohybom nosičov náboja dvoch typov: elektrónov a dier, čo zodpovedá ich názvu.
Na schémach je dovolené zobrazovať tranzistory v kruhu aj bez neho (obr. 3). Šípka ukazuje smer toku prúdu v tranzistore.
Obrázok 3 - Konvenčný grafický zápis tranzistorov n-p-n (a) a p-n-p (b)
Základom tranzistora je polovodičová doska, v ktorej sú vytvorené tri sekcie s premenlivým typom vodivosti - elektrónová a dierová. V závislosti od striedania vrstiev sa rozlišujú dva typy tranzistorovej štruktúry: n-p-n (obr. 3, a) a p-n-p (obr. 3, b).
Emitor (E) — vrstva, ktorá je zdrojom nosičov náboja (elektrónov alebo dier) a vytvára prúd na zariadení;
Kolektor (K) — vrstva, ktorá prijíma nosiče náboja prichádzajúce z žiariča;
Báza (B) — stredná vrstva, ktorá riadi prúd tranzistora.
Keď je tranzistor zapojený do obvodu, jedna z jeho elektród je vstupná (zdroj vstupného striedavého signálu je zapnutý), druhá je výstupná (záťaž je zapnutá), tretia elektróda je spoločná pre vstup a výstup. Vo väčšine prípadov sa používa obvod so spoločným emitorom (obrázok 4). Napätie nie je väčšie ako 1 V na základňu, viac ako 1 V na kolektor, napríklad +5 V, +12 V, +24 V atď.
Obrázok 4 – Schéma zapojenia bipolárneho tranzistora so spoločným emitorom
Kolektorový prúd sa vyskytuje iba vtedy, keď prúdi základný prúd Ib (určený Ube).Čím viac Ib, tým viac Ik. Ib sa meria v jednotkách mA a kolektorový prúd sa meria v desiatkach a stovkách mA, t.j. IbIk. Preto, keď sa na základňu aplikuje striedavý signál s malou amplitúdou, malé Ib sa zmení a veľké Ic sa zmení úmerne tomu. Keď je do obvodu zaradený zberač záťažového odporu, bude do neho distribuovaný signál, ktorý bude opakovať tvar vstupu, ale s väčšou amplitúdou, t.j. zosilnený signál.
Medzi maximálne prípustné parametre tranzistorov patria predovšetkým: maximálny prípustný výkon rozptýlený na kolektore Pk.max, napätie medzi kolektorom a emitorom Uke.max, kolektorový prúd Ik.max.
Pre zvýšenie limitujúcich parametrov sa vyrábajú tranzistorové zostavy, ktoré môžu mať až niekoľko stoviek paralelne zapojených tranzistorov uzavretých v jednom puzdre.
Bipolárne tranzistory sa v súčasnosti používajú čoraz menej, najmä v technológii pulzného napájania. Nahrádzajú ich MOSFETy a kombinované IGBT, ktoré majú v tejto oblasti elektroniky nesporné výhody.
V tranzistoroch s efektom poľa je prúd určený pohybom nosičov iba jedného znaku (elektrónov alebo dier). Na rozdiel od bipolárneho je prúd tranzistora poháňaný elektrickým poľom, ktoré mení prierez vodivého kanála.
Keďže vo vstupnom obvode nie je žiadny vstupný prúd, spotreba tohto obvodu je prakticky nulová, čo je nepochybne výhodou tranzistora s efektom poľa.
Konštrukčne pozostáva tranzistor z vodivého kanála typu n alebo p, na koncoch ktorého sú oblasti: zdroj, ktorý emituje nosiče náboja a odtok, ktorý prijíma nosiče.Elektróda používaná na nastavenie prierezu kanála sa nazýva brána.
Tranzistor s efektom poľa je polovodičové zariadenie, ktoré reguluje prúd v obvode zmenou prierezu vodivého kanála.
Existujú tranzistory s efektom poľa s hradlom vo forme pn prechodu a s izolovaným hradlom.
V tranzistoroch s efektom poľa s izolovaným hradlom medzi polovodičovým kanálom a kovovým hradlom je izolačná vrstva dielektrika - MIS tranzistory (kov - dielektrikum - polovodič), špeciálne puzdro - oxid kremičitý - MOS tranzistory.
Vstavaný kanálový MOS tranzistor má počiatočnú vodivosť, ktorá je pri absencii vstupného signálu (Uzi = 0) približne polovičná oproti maximu. V MOS tranzistoroch s indukovaným kanálom pri napätí Uzi = 0 výstupný prúd chýba, Ic = 0, pretože spočiatku nie je žiadny vodivý kanál.
MOSFETy s indukovaným kanálom sa tiež nazývajú MOSFETy. Používajú sa najmä ako kľúčové prvky, napríklad pri spínaných zdrojoch.
Kľúčové prvky na báze MOS tranzistorov majú množstvo výhod: signálový obvod nie je galvanicky spojený so zdrojom riadiacej činnosti, riadiaci obvod nespotrebováva prúd a má obojstrannú vodivosť. Tranzistory s efektom poľa, na rozdiel od bipolárnych, sa neboja prehriatia.
Viac informácií o tranzistoroch nájdete tu:
Tyristory
Tyristor je polovodičové zariadenie pracujúce v dvoch ustálených stavoch – nízka vodivosť (tyristor zatvorený) a vysoká vodivosť (tyristor otvorený). Štrukturálne má tyristor tri alebo viac p-n prechodov a tri výstupy.
Okrem anódy a katódy je v konštrukcii tyristora poskytnutý tretí výstup (elektróda), ktorý sa nazýva riadenie.
Tyristor je určený na bezkontaktné spínanie (zapínanie a vypínanie) elektrických obvodov. Vyznačujú sa vysokou rýchlosťou a schopnosťou spínať prúdy veľmi významnej veľkosti (až 1000 A). Postupne sa nahrádzajú spínacími tranzistormi.
Obrázok 5 - Konvenčné - grafické označenie tyristorov
Dynistory (dvojelektródové) — ako bežné usmerňovače majú anódu a katódu. Keď sa priepustné napätie zvýši pri určitej hodnote Ua = Uon, dinistor sa otvorí.
Tyristory (SCR – trojelektródové) – majú prídavnú riadiacu elektródu; Uin sa mení riadiacim prúdom pretekajúcim riadiacou elektródou.
Na prepnutie tyristora do uzavretého stavu je potrebné priviesť spätné napätie (- na anódu, + na katódu) alebo znížiť priepustný prúd pod hodnotu nazývanú Iuderov prídržný prúd.
Blokovací tyristor - možno prepnúť do zatvoreného stavu privedením riadiaceho impulzu opačnej polarity.
Tyristory: princíp činnosti, konštrukcia, typy a spôsoby inklúzie
Triaky (symetrické tyristory) — vedenie prúdu v oboch smeroch.
Tyristory sa používajú ako bezdotykové spínače a ovládateľné usmerňovače v automatizačných zariadeniach a meničoch elektrického prúdu. V obvodoch striedavého a impulzného prúdu je možné meniť čas otvoreného stavu tyristora a tým aj čas toku prúdu záťažou. To vám umožní prispôsobiť výkon distribuovaný záťaži.