Halvlederenheter - typer, oversikt og bruksområder
Den raske utviklingen og utvidelsen av bruksområdene for elektroniske enheter skyldes forbedringen av elementbasen som halvlederenheter er basert på... Derfor, for å forstå funksjonsprosessene til elektroniske enheter, er det nødvendig å vite enheten og prinsippet for drift av hovedtypene av halvlederenheter.
Halvledermaterialer når det gjelder deres spesifikke motstand, inntar de en mellomposisjon mellom ledere og dielektrikum.
Hovedmaterialene for fremstilling av halvlederenheter er silisium (Si), silisiumkarbid (SiC), gallium og indiumforbindelser.
Halvleder ledningsevne avhenger av tilstedeværelsen av urenheter og ytre energipåvirkninger (temperatur, stråling, trykk, etc.). Strømstrømmen er forårsaket av to typer ladningsbærere - elektroner og hull. Avhengig av den kjemiske sammensetningen skilles det mellom rene og urene halvledere.
For produksjon av elektroniske enheter brukes solide halvledere med en krystallinsk struktur.
Halvlederenheter er enheter hvis drift er basert på bruk av egenskapene til halvledermaterialer.
Klassifisering av halvlederenheter
Basert på kontinuerlige halvledere, halvledermotstander:
Lineær motstand - Motstand avhenger litt av spenning og strøm. Det er et "element" av integrerte kretser.
Varistor - motstanden avhenger av påført spenning.
Termistor - motstand avhenger av temperatur. Det er to typer: termistor (når temperaturen øker, reduseres motstanden) og posistorer (når temperaturen øker, øker motstanden).
Fotoresistor — motstanden avhenger av belysningen (strålingen). Deformer - motstand avhenger av mekanisk deformasjon.
Driftsprinsippet for de fleste halvlederenheter er basert på p-n-kryssets egenskaper for elektron-hull-krysset.
Halvlederdioder
Det er en halvlederenhet med ett p-n-kryss og to terminaler, hvis drift er basert på egenskapene til p-n-krysset.
Hovedegenskapen til p-n-krysset er ensrettet ledning - strømmen flyter bare i én retning. Den konvensjonelle grafiske betegnelsen (UGO) til dioden har form av en pil, som indikerer retningen på strømstrømmen gjennom enheten.
Strukturelt består dioden av et p-n-kryss innelukket i et hus (med unntak av mikromodul åpne rammer) og to terminaler: fra p-region-anoden, fra n-region-katoden.
Disse. En diode er en halvlederenhet som leder strøm i bare én retning - fra anoden til katoden.
Avhengigheten av strømmen gjennom enheten av den påførte spenningen kalles strøm-spenningskarakteristikken (VAC) enheten I = f (U).Den ensidige ledningen til dioden er tydelig fra dens I-V-karakteristikk (fig. 1).
Figur 1 — Diodestrøm-spenningskarakteristikk
Avhengig av formålet er halvlederdioder delt inn i likeretter, universal, puls, zener dioder og stabilisatorer, tunnel og revers dioder, LED og fotodioder.
Den ensidige ledningen bestemmer diodens likerettingsegenskaper. Med direkte forbindelse («+» til anoden og «-» til katoden) er dioden åpen og en tilstrekkelig stor foroverstrøm går gjennom den. I revers («-» til anoden og «+» til katoden), er dioden lukket, men en liten revers strøm flyter.
Likeretterdioder er designet for å konvertere lavfrekvent vekselstrøm (vanligvis mindre enn 50 kHz) til likestrøm, dvs. å stå opp. Hovedparametrene deres er den maksimalt tillatte foroverstrømmen Ipr max og den maksimalt tillatte reversspenningen Uo6p max. Disse parametrene kalles begrensende - overskridelse av dem kan deaktivere enheten helt eller delvis.
For å øke disse parametrene lages diodesøyler, noder, matriser, som er serieparallelle, bro eller andre forbindelser av p-n-kryss.
Universaldioder brukes til å likerette strømmer i et bredt frekvensområde (opptil flere hundre megahertz). Parametrene til disse diodene er de samme som for likeretterdiodene, bare flere er lagt inn: maksimal driftsfrekvens (MHz) og diodekapasitans (pF).
Pulsdioder er designet for pulssignalkonvertering, de brukes i høyhastighets pulskretser.Kravene til disse diodene er knyttet til å sikre en rask respons fra enheten til impulsnaturen til den tilførte spenningen - en kort overgangstid for dioden fra lukket tilstand til åpen tilstand og omvendt.
Zener-dioder - disse er halvlederdioder, spenningsfallet over som avhenger lite av strømmen som flyter. Det tjener til å stabilisere spenningen.
Varikapi - operasjonsprinsippet er basert på egenskapen til p-n-krysset for å endre verdien av barrierekapasitansen når verdien av omvendt spenning endres på den. De brukes som spenningsstyrte variable kondensatorer. I ordningene er varicaps slått på i motsatt retning.
LED-er - dette er halvlederdioder, hvis prinsipp er basert på emisjon av lys fra et p-n-kryss når en likestrøm passerer gjennom den.
Fotodioder - omvendt strøm avhenger av belysningen av p-n-krysset.
Schottky-dioder - basert på et metall-halvlederkryss, som er grunnen til at de har en betydelig høyere responsrate enn konvensjonelle dioder.
Figur 2 — Konvensjonell grafisk representasjon av dioder
For mer informasjon om dioder se her:
Parametre og skjemaer for likeretteren
Fotodioder: enhet, egenskaper og operasjonsprinsipper
Transistorer
En transistor er en halvlederenhet designet for å forsterke, generere og konvertere elektriske signaler, samt bytte elektriske kretser.
Et særtrekk ved transistoren er evnen til å forsterke spenning og strøm - spenninger og strømmer som virker ved inngangen til transistoren fører til utseendet til betydelig høyere spenninger og strømmer ved utgangen.
Med spredningen av digital elektronikk og pulskretser er transistorens hovedegenskap dens evne til å være i åpen og lukket tilstand under påvirkning av et kontrollsignal.
Transistoren har fått navnet sitt fra forkortelsen av to engelske ord tran (sfer) (re) sistor - kontrollert motstand. Dette navnet er ikke tilfeldig, fordi under virkningen av inngangsspenningen påført transistoren, kan motstanden mellom utgangsterminalene justeres i et veldig bredt område.
Transistoren lar deg justere strømmen i kretsen fra null til maksimal verdi.
Klassifisering av transistorer:
— etter handlingsprinsippet: felt (unipolar), bipolar, kombinert.
— etter verdien av den tapte kraften: lav, middels og høy.
— ved verdien av den begrensende frekvensen: lav, middels, høy og ultrahøy frekvens.
— etter verdien av driftsspenningen: lav og høy spenning.
— etter funksjonelt formål: universell, forsterkende, nøkkel, etc.
-designmessig: med åpen ramme og i boks-type versjon, med stive og fleksible terminaler.
Avhengig av funksjonene som utføres, kan transistorer fungere i tre moduser:
1) Aktiv modus - brukes til å forsterke elektriske signaler i analoge enheter.Transistorens motstand endres fra null til maksimal verdi - de sier at transistoren "åpner" eller "lukker".
2) Metningsmodus — motstanden til transistoren har en tendens til null. I dette tilfellet tilsvarer transistoren en lukket relékontakt.
3) Cut-off-modus — transistoren er lukket og har høy motstand, dvs. det tilsvarer en åpen relékontakt.
Metnings- og avskjæringsmodusene brukes i digitale, puls- og svitsjekretser.
En bipolar transistor er en halvlederenhet med to p-n-kryss og tre ledere som gir effektforsterkning av elektriske signaler.
I bipolare transistorer er strømmen forårsaket av bevegelsen av ladningsbærere av to typer: elektroner og hull, som står for navnet deres.
På diagrammene er det tillatt å avbilde transistorer, både i sirkel og uten (fig. 3). Pilen viser strømretningen i transistoren.
Figur 3 - Konvensjonell grafisk notasjon av transistorene n-p-n (a) og p-n-p (b)
Grunnlaget for transistoren er en halvlederplate, der tre seksjoner med en variabel type ledningsevne - elektron og hull - er dannet. Avhengig av vekslingen av lagene, skilles to typer transistorstruktur: n-p-n (fig. 3, a) og p-n-p (fig. 3, b).
Emitter (E) — et lag som er en kilde til ladningsbærere (elektroner eller hull) og skaper en strøm på enheten;
Collector (K) - et lag som aksepterer ladningsbærere som kommer fra emitteren;
Base (B) - det midterste laget som styrer strømmen til transistoren.
Når transistoren er koblet til kretsen, er en av dens elektroder inngang (kilden til inngangsvekselsignalet er på), den andre er utgang (belastningen er på), den tredje elektroden er felles for inngangen og utgangen. I de fleste tilfeller brukes en felles emitterkrets (Figur 4). En spenning på ikke mer enn 1 V påføres basen, mer enn 1 V til kollektoren, for eksempel +5 V, +12 V, +24 V, etc.
Figur 4 — Kretsdiagrammer for en felles emitter bipolar transistor
Kollektorstrømmen oppstår bare når basisstrømmen Ib (bestemt av Ube) flyter.Jo mer Ib, jo mer Ik. Ib måles i enheter av mA, og kollektorstrømmen måles i titalls og hundrevis av mA, dvs. IbIk. Derfor, når et AC-signal med liten amplitude tilføres basen, vil den lille Ib endres og den store Ic endres proporsjonalt med den. Når en lastmotstandskollektor er inkludert i kretsen, vil et signal bli distribuert til den, som gjentar formen på inngangen, men med en større amplitude, dvs. forsterket signal.
De maksimalt tillatte parametrene til transistorene inkluderer først og fremst: den maksimalt tillatte effekten som forsvinner på kollektoren Pk.max, spenningen mellom kollektoren og emitteren Uke.max, kollektorstrømmen Ik.max.
For å øke de begrensende parametrene produseres transistorsammenstillinger som kan telle opptil flere hundre parallellkoblede transistorer innelukket i et enkelt hus.
Bipolare transistorer brukes nå mindre og mindre, spesielt innen pulserende kraftteknologi. De erstattes av MOSFET-er og kombinerte IGBT-er, og har ubestridelige fordeler innen dette elektronikkfeltet.
I felteffekttransistorer bestemmes strømmen av bevegelsen til bærere av bare ett tegn (elektroner eller hull). I motsetning til bipolar, er transistorstrømmen drevet av et elektrisk felt som endrer tverrsnittet til den ledende kanalen.
Siden det ikke er noen inngangsstrøm i inngangskretsen, er strømforbruket til denne kretsen praktisk talt null, noe som utvilsomt er en fordel med felteffekttransistoren.
Strukturelt sett består en transistor av en n- eller p-type ledende kanal, i endene av hvilke det er regioner: en kilde som sender ut ladningsbærere og et avløp som aksepterer bærere.Elektroden som brukes til å justere tverrsnittet av kanalen kalles porten.
En felteffekttransistor er en halvlederenhet som regulerer strømmen i en krets ved å endre tverrsnittet til den ledende kanalen.
Det finnes felteffekttransistorer med en port i form av et pn-kryss og med en isolert port.
I felteffekttransistorer med en isolert port mellom halvlederkanalen og metallporten er det et isolerende lag av dielektriske - MIS-transistorer (metall - dielektrisk - halvleder), et spesielt tilfelle - silisiumoksid - MOS-transistorer.
En innebygd kanal MOS-transistor har en initial konduktans som, i fravær av et inngangssignal (Uzi = 0), er omtrent halvparten av maksimum. I MOS-transistorer med en indusert kanal ved en spenning Uzi = 0, er utgangsstrømmen fraværende, Ic = 0, fordi det i utgangspunktet ikke er noen ledende kanal.
MOSFET-er med en indusert kanal kalles også MOSFET-er. De brukes hovedsakelig som nøkkelelementer, for eksempel ved bytte av strømforsyninger.
Nøkkelelementene basert på MOS-transistorer har en rekke fordeler: signalkretsen er ikke galvanisk koblet til kilden til kontrollhandlingen, kontrollkretsen bruker ikke strøm og har dobbeltsidig ledningsevne. Felteffekttransistorer, i motsetning til bipolare, er ikke redde for overoppheting.
For mer informasjon om transistorer se her:
Tyristorer
En tyristor er en halvlederenhet som opererer i to stabile tilstander - lav ledning (tyristor lukket) og høy ledning (tyristor åpen). Strukturelt sett har en tyristor tre eller flere p-n-kryss og tre utganger.
I tillegg til anoden og katoden, er en tredje utgang (elektrode) gitt i utformingen av tyristoren, som kalles kontrollen.
Tyristoren er designet for berøringsfri kobling (på og av) av elektriske kretser. De er preget av høy hastighet og evnen til å bytte strøm av meget betydelig størrelse (opptil 1000 A). De blir gradvis erstattet av byttetransistorer.
Figur 5 - Konvensjonell - grafisk betegnelse på tyristorer
Dynistorer (to-elektroder) - som konvensjonelle likerettere har de en anode og en katode. Når foroverspenningen øker med en viss verdi Ua = Uon, åpnes dinistoren.
Tyristorer (SCR-er - tre-elektrode) - har en ekstra kontrollelektrode; Uin endres av kontrollstrømmen som flyter gjennom kontrollelektroden.
For å overføre tyristoren til lukket tilstand, er det nødvendig å påføre en omvendt spenning (- til anoden, + til katoden) eller redusere foroverstrømmen under en verdi som kalles Iuder-holdestrømmen.
Låsetyristor - kan byttes til lukket tilstand ved å påføre en kontrollpuls med omvendt polaritet.
Tyristorer: prinsipp for operasjon, design, typer og metoder for inkludering
Triacs (symmetriske tyristorer) - leder strøm i begge retninger.
Tyristorer brukes som nærhetsbrytere og kontrollerbare likerettere i automatiseringsenheter og elektriske strømomformere. I vekselstrøm- og pulsstrømkretser er det mulig å endre tiden for den åpne tilstanden til tyristoren, og dermed tiden for strømmen gjennom belastningen. Dette lar deg justere kraften fordelt på lasten.