Poluvodički uređaji - vrste, pregled i uporaba
Nagli razvoj i širenje područja primjene elektroničkih uređaja posljedica je usavršavanja elementne baze na kojoj se temelje poluvodički uređaji... Stoga je za razumijevanje procesa funkcioniranja elektroničkih uređaja potrebno znati uređaj i princip rada glavnih tipova poluvodičkih uređaja.
Poluvodički materijali po svom specifičnom otporu zauzimaju srednji položaj između vodiča i dielektrika.
Glavni materijali za proizvodnju poluvodičkih uređaja su silicij (Si), silicij karbid (SiC), spojevi galija i indija.
Vodljivost poluvodiča ovisi o prisutnosti nečistoća i vanjskih energetskih utjecaja (temperatura, zračenje, tlak itd.). Protok struje uzrokuju dvije vrste nositelja naboja — elektroni i šupljine. Ovisno o kemijskom sastavu razlikuju se čisti poluvodiči i poluvodiči s nečistoćama.
Za proizvodnju elektroničkih uređaja koriste se čvrsti poluvodiči s kristalnom strukturom.
Poluvodički uređaji su uređaji čiji se rad temelji na korištenju svojstava poluvodičkih materijala.
Klasifikacija poluvodičkih elemenata
Na temelju kontinuiranih poluvodiča, poluvodički otpornici:
Linearni otpornik - Otpor malo ovisi o naponu i struji. To je "element" integriranih sklopova.
Varistor - otpor ovisi o primijenjenom naponu.
Termistor - otpor ovisi o temperaturi. Postoje dvije vrste: termistori (kako temperatura raste, otpor se smanjuje) i pozitori (kako temperatura raste, otpor se povećava).
Fotootpornik — otpor ovisi o osvjetljenju (zračenju). Deformator — otpor ovisi o mehaničkoj deformaciji.
Načelo rada većine poluvodičkih uređaja temelji se na svojstvima p-n-spoja spoja elektron-rupa.
Poluvodičke diode
To je poluvodički uređaj s jednim p-n spojem i dva izvoda, čiji se rad temelji na svojstvima p-n spoja.
Glavno svojstvo p-n spoja je jednosmjerno provođenje - struja teče samo u jednom smjeru. Konvencionalna grafička oznaka (UGO) diode ima oblik strelice, koja označava smjer protoka struje kroz uređaj.
Strukturno, dioda se sastoji od p-n spoja zatvorenog u kućište (s izuzetkom otvorenih okvira mikromodula) i dva terminala: od p-regije-anode, od n-regije-katode.
ove. Dioda je poluvodički element koji provodi struju samo u jednom smjeru - od anode do katode.
Ovisnost struje kroz uređaj o primijenjenom naponu naziva se strujno-naponska karakteristika (VAC) uređaja I = f (U).Jednostrano vodljivost diode vidljivo je iz njene I-V karakteristike (slika 1).
Slika 1 — Strujno-naponska karakteristika diode
Ovisno o namjeni, poluvodičke diode dijelimo na ispravljačke, univerzalne, pulsne, zener diode i stabilizatore, tunelske i reverzne diode, LED diode i fotodiode.
Jednostrano provođenje određuje svojstva ispravljanja diode. Kod izravnog spoja («+» na anodu i «-» na katodu) dioda je otvorena i kroz nju teče dovoljno velika struja prema naprijed. U obrnutom smjeru («-» prema anodi i «+» prema katodi), dioda je zatvorena, ali teče mala reverzna struja.
Ispravljačke diode dizajnirane su za pretvaranje niskofrekventne izmjenične struje (obično manje od 50 kHz) u istosmjernu struju, tj. ustati. Njihovi glavni parametri su najveća dopuštena struja naprijed Ipr max i najveći dopušteni povratni napon Uo6p max. Ti se parametri nazivaju ograničavajućim — njihovo prekoračenje može djelomično ili potpuno onemogućiti uređaj.
Da bi se povećali ti parametri, izrađuju se diodni stupovi, čvorovi, matrice, koje su serijski paralelne, mostne ili druge veze p-n-spojeva.
Univerzalne diode koriste se za ispravljanje struja u širokom frekvencijskom rasponu (do nekoliko stotina megaherca). Parametri ovih dioda su isti kao i kod ispravljačkih dioda, samo su upisani dodatni: najveća radna frekvencija (MHz) i kapacitet diode (pF).
Pulsne diode dizajnirane su za pretvorbu impulsnog signala, koriste se u brzim impulsnim krugovima.Zahtjevi za ove diode odnose se na osiguravanje brzog odgovora uređaja na impulsnu prirodu dovedenog napona - kratko vrijeme prijelaza diode iz zatvorenog stanja u otvoreno stanje i obrnuto.
Zener diode - to su poluvodičke diode, čiji pad napona malo ovisi o struji koja teče. Služi za stabilizaciju napetosti.
Varikapi - princip rada temelji se na svojstvu p-n-spoja da promijeni vrijednost kapacitivnosti barijere kada se na njemu promijeni vrijednost obrnutog napona. Koriste se kao naponski kontrolirani promjenjivi kondenzatori. U shemama su varikapi uključeni u suprotnom smjeru.
LED diode - to su poluvodičke diode, čije se načelo temelji na emisiji svjetlosti iz p-n spoja kada kroz njega prolazi istosmjerna struja.
Fotodiode - reverzna struja ovisi o osvijetljenosti p-n-spoja.
Schottky diode - baziraju se na spoju metal-poluvodič, zbog čega imaju znatno veći odziv od konvencionalnih dioda.
Slika 2 — Konvencionalni grafički prikaz dioda
Za više informacija o diodama pogledajte ovdje:
Fotodiode: uređaj, karakteristike i principi rada
Tranzistori
Tranzistor je poluvodički uređaj dizajniran za pojačavanje, generiranje i pretvaranje električnih signala, kao i za prebacivanje električnih krugova.
Posebnost tranzistora je sposobnost pojačavanja napona i struje - naponi i struje koji djeluju na ulazu tranzistora dovode do pojave znatno viših napona i struja na njegovom izlazu.
Širenjem digitalne elektronike i impulsnih sklopova, glavno svojstvo tranzistora je njegova sposobnost da bude u otvorenom i zatvorenom stanju pod utjecajem upravljačkog signala.
Tranzistor je dobio ime po skraćenici dviju engleskih riječi tran (sfer) (re) sistor - kontrolirani otpornik. Ovaj naziv nije slučajan, jer pod djelovanjem ulaznog napona koji se primjenjuje na tranzistor, otpor između njegovih izlaznih priključaka može se podesiti u vrlo širokom rasponu.
Tranzistor vam omogućuje podešavanje struje u krugu od nule do maksimalne vrijednosti.
Klasifikacija tranzistora:
— prema principu djelovanja: polje (unipolarno), bipolarno, kombinirano.
— prema vrijednosti disipirane snage: mala, srednja i visoka.
— prema vrijednosti granične frekvencije: niske, srednje, visoke i ultravisoke frekvencije.
— prema vrijednosti radnog napona: niski i visoki napon.
— prema funkcionalnoj namjeni: univerzalni, armaturni, ključni itd.
-konstrukcijski: s otvorenim okvirom iu kutijastoj izvedbi, s krutim i fleksibilnim stezaljkama.
Ovisno o izvršenim funkcijama, tranzistori mogu raditi u tri načina:
1) Aktivni način rada - koristi se za pojačavanje električnih signala u analognim uređajima Otpor tranzistora se mijenja od nule do maksimalne vrijednosti - kažu da se tranzistor "otvara" ili "zatvara".
2) Način zasićenja — otpor tranzistora teži nuli. U ovom slučaju, tranzistor je ekvivalentan zatvorenom kontaktu releja.
3) Režim prekida — tranzistor je zatvoren i ima veliki otpor, tj. to je ekvivalentno otvorenom kontaktu releja.
Načini zasićenja i prekida koriste se u digitalnim, pulsnim i sklopnim krugovima.
Bipolarni tranzistor je poluvodički uređaj s dva p-n spoja i tri vodiča koji osiguravaju pojačanje snage električnih signala.
U bipolarnim tranzistorima, struja je uzrokovana kretanjem nositelja naboja dvije vrste: elektrona i rupa, što objašnjava njihov naziv.
Na dijagramima je dopušteno prikazati tranzistore, kako u krugu tako i bez njega (slika 3). Strelica pokazuje smjer toka struje u tranzistoru.
Slika 3 - Konvencionalno-grafički zapis tranzistora n-p-n (a) i p-n-p (b)
Osnova tranzistora je poluvodička ploča u kojoj se formiraju tri dijela s promjenjivom vrstom vodljivosti - elektron i rupa. Ovisno o izmjeni slojeva, razlikuju se dvije vrste strukture tranzistora: n-p-n (slika 3, a) i p-n-p (slika 3, b).
Emiter (E) — sloj koji je izvor nositelja naboja (elektrona ili šupljina) i stvara struju na uređaju;
Kolektor (K) — sloj koji prihvaća nositelje naboja koji dolaze iz emitera;
Baza (B) — srednji sloj koji kontrolira struju tranzistora.
Kada je tranzistor spojen na krug, jedna od njegovih elektroda je ulaz (izvor ulaznog izmjeničnog signala je uključen), druga je izlaz (opterećenje je uključeno), treća elektroda je zajednička za ulaz i izlaz. U većini slučajeva koristi se zajednički emiterski krug (slika 4). Napon ne veći od 1 V primjenjuje se na bazu, više od 1 V na kolektor, na primjer +5 V, +12 V, +24 V itd.
Slika 4 — Dijagrami spoja bipolarnog tranzistora sa zajedničkim emiterom
Struja kolektora javlja se samo kada teče bazna struja Ib (određena s Ube).Što je više Ib, to je više Ik. Ib se mjeri u jedinicama mA, a kolektorska struja se mjeri u desecima i stotinama mA, t.j. IbIk. Stoga, kada se AC signal male amplitude primijeni na bazu, mali Ib će se promijeniti, a veliki Ic će se promijeniti proporcionalno tome. Kada je kolektor otpora opterećenja uključen u krug, signal će se distribuirati na njega, ponavljajući oblik ulaza, ali s većom amplitudom, tj. pojačani signal.
U najveće dopuštene parametre tranzistora spadaju prije svega: najveća dopuštena snaga rasipanja na kolektoru Pk.max, napon između kolektora i emitera Uke.max, struja kolektora Ik.max.
Da bi se povećali granični parametri, proizvode se sklopovi tranzistora koji mogu imati do nekoliko stotina paralelno spojenih tranzistora zatvorenih u jedno kućište.
Bipolarni tranzistori sada se koriste sve manje i manje, posebno u tehnologiji impulsnog napajanja. Zamjenjuju ih MOSFET-ovi i kombinirani IGBT-ovi koji imaju neosporne prednosti u ovom području elektronike.
U tranzistorima s efektom polja struja je određena kretanjem nositelja samo jednog predznaka (elektrona ili šupljina). Za razliku od bipolarnog, struju tranzistora pokreće električno polje koje mijenja presjek provodnog kanala.
Budući da u ulaznom krugu nema ulazne struje, potrošnja energije ovog sklopa je praktički jednaka nuli, što je nedvojbena prednost tranzistora s efektom polja.
Strukturno, tranzistor se sastoji od provodnog kanala n- ili p-tipa, na čijim se krajevima nalaze područja: izvor koji emitira nositelje naboja i odvod koji prihvaća nositelje.Elektroda koja se koristi za podešavanje poprečnog presjeka kanala naziva se vrata.
Tranzistor s efektom polja je poluvodički uređaj koji regulira struju u krugu promjenom presjeka provodnog kanala.
Postoje tranzistori s efektom polja s vratima u obliku pn spoja i s izoliranim vratima.
U tranzistorima s efektom polja s izoliranim vratima između poluvodičkog kanala i metalnih vrata nalazi se izolacijski sloj dielektrika - MIS tranzistori (metal - dielektrik - poluvodič), poseban slučaj - silicijev oksid - MOS tranzistori.
Ugrađeni kanalni MOS tranzistor ima početnu vodljivost koja je, u nedostatku ulaznog signala (Uzi = 0), približno polovina maksimalne. U MOS tranzistorima s induciranim kanalom pri naponu Uzi = 0, izlazna struja je odsutna, Ic = 0, jer u početku nema vodljivog kanala.
MOSFET-ovi s induciranim kanalom nazivaju se i MOSFET-ovi. Uglavnom se koriste kao ključni elementi, na primjer u sklopnim izvorima napajanja.
Ključni elementi temeljeni na MOS tranzistorima imaju niz prednosti: signalni krug nije galvanski povezan s izvorom upravljačkog djelovanja, upravljački krug ne troši struju i ima dvostranu vodljivost. Tranzistori s efektom polja, za razliku od bipolarnih, ne boje se pregrijavanja.
Za više informacija o tranzistorima pogledajte ovdje:
Tiristori
Tiristor je poluvodički uređaj koji radi u dva stabilna stanja - niske vodljivosti (tiristor zatvoren) i visoke vodljivosti (tiristor otvoren). Strukturno, tiristor ima tri ili više p-n spojeva i tri izlaza.
Osim anode i katode, u dizajnu tiristora predviđen je treći izlaz (elektroda), koji se naziva kontrola.
Tiristor je namijenjen za beskontaktno uključivanje i isključivanje električnih krugova. Karakterizira ih velika brzina i sposobnost prebacivanja struja vrlo značajne veličine (do 1000 A). Postupno ih zamjenjuju sklopni tranzistori.
Slika 5 - Konvencionalno - grafička oznaka tiristora
Dinistori (dvije elektrode) — kao i konvencionalni ispravljači, imaju anodu i katodu. Kako se prednji napon povećava na određenu vrijednost Ua = Uon, dinistor se otvara.
Tiristori (SCR - tri elektrode) - imaju dodatnu upravljačku elektrodu; Uin se mijenja kontrolnom strujom koja teče kroz kontrolnu elektrodu.
Da bi se tiristor prebacio u zatvoreno stanje, potrebno je primijeniti obrnuti napon (- na anodu, + na katodu) ili smanjiti prednju struju ispod vrijednosti koja se naziva Iuderova struja zadržavanja.
Tiristor za zaključavanje - može se prebaciti u zatvoreno stanje primjenom kontrolnog impulsa obrnutog polariteta.
Tiristori: princip rada, dizajn, vrste i metode uključivanja
Trijaci (simetrični tiristori) — provode struju u oba smjera.
Tiristori se koriste kao blizinske sklopke i upravljivi ispravljači u uređajima za automatizaciju i pretvaračima električne struje. U krugovima izmjenične i impulsne struje moguće je promijeniti vrijeme otvorenog stanja tiristora, a time i vrijeme protoka struje kroz opterećenje. To vam omogućuje podešavanje snage raspodijeljene na opterećenje.