Halvlederenheder - typer, oversigt og anvendelser
Den hurtige udvikling og udvidelse af anvendelsesområderne for elektroniske enheder skyldes forbedringen af elementbasen, som halvlederenheder er baseret på... Derfor, for at forstå processerne for elektroniske enheders funktion, er det nødvendigt at vide enheden og princippet om drift af hovedtyperne af halvlederenheder.
Halvledermaterialer med hensyn til deres specifikke modstand indtager de en mellemposition mellem ledere og dielektrikum.
De vigtigste materialer til fremstilling af halvlederenheder er silicium (Si), siliciumcarbid (SiC), gallium og indiumforbindelser.
Halvleder ledningsevne afhænger af tilstedeværelsen af urenheder og eksterne energipåvirkninger (temperatur, stråling, tryk osv.). Strømstrømmen er forårsaget af to typer ladningsbærere - elektroner og huller. Afhængig af den kemiske sammensætning skelnes der mellem rene og urene halvledere.
Til produktion af elektroniske enheder anvendes solide halvledere med en krystallinsk struktur.
Halvlederenheder er enheder, hvis drift er baseret på brugen af egenskaberne af halvledermaterialer.
Klassificering af halvlederenheder
Baseret på kontinuerlige halvledere, halvledermodstande:
Lineær modstand - Modstand afhænger lidt af spænding og strøm. Det er et "element" af integrerede kredsløb.
Varistor - modstanden afhænger af den påførte spænding.
Termistor - modstand afhænger af temperatur. Der er to typer: termistorer (når temperaturen stiger, falder modstanden) og posistorer (når temperaturen stiger, øges modstanden).
Fotomodstand — modstanden afhænger af belysningen (strålingen). Deformer - modstand afhænger af mekanisk deformation.
Funktionsprincippet for de fleste halvlederenheder er baseret på elektron-hul-krydset p-n-junction-egenskaber.
Halvleder dioder
Det er en halvlederenhed med en p-n-forbindelse og to terminaler, hvis drift er baseret på egenskaberne for p-n-forbindelsen.
Hovedegenskaben ved p-n-krydset er ensrettet ledning - strømmen løber kun i én retning. Den konventionelle grafiske betegnelse (UGO) af dioden har form af en pil, som angiver retningen af strømstrømmen gennem enheden.
Strukturelt består dioden af en p-n-forbindelse indesluttet i et hus (med undtagelse af mikromodulets åbne rammer) og to terminaler: fra p-region-anoden, fra n-region-katoden.
Disse. En diode er en halvlederenhed, der kun leder strøm i én retning - fra anoden til katoden.
Afhængigheden af strømmen gennem enheden af den påførte spænding kaldes strøm-spændingskarakteristikken (VAC) enheden I = f (U).Diodens enkeltsidede ledning fremgår af dens I-V karakteristik (fig. 1).
Figur 1 — Diodestrøm-spændingskarakteristik
Afhængigt af formålet er halvlederdioder opdelt i ensretter, universal, puls, zener dioder og stabilisatorer, tunnel- og omvendte dioder, LED'er og fotodioder.
Den ensidede ledning bestemmer diodens ensretningsegenskaber. Med direkte forbindelse («+» til anoden og «-» til katoden) er dioden åben, og en tilstrækkelig stor fremadgående strøm løber gennem den. Omvendt («-» til anoden og «+» til katoden), er dioden lukket, men der løber en lille omvendt strøm.
Ensretterdioder er designet til at konvertere lavfrekvent vekselstrøm (normalt mindre end 50 kHz) til jævnstrøm, dvs. at stå op. Deres hovedparametre er den maksimalt tilladte fremadgående strøm Ipr max og den maksimalt tilladte reverse spænding Uo6p max. Disse parametre kaldes begrænsning - overskridelse af dem kan delvist eller helt deaktivere enheden.
For at øge disse parametre laves diodesøjler, knudepunkter, matricer, som er serieparallelle, bro- eller andre forbindelser af p-n-forbindelser.
Universaldioder bruges til at ensrette strømme i et bredt frekvensområde (op til flere hundrede megahertz). Parametrene for disse dioder er de samme som for ensretterdioderne, kun yderligere er indtastet: den maksimale driftsfrekvens (MHz) og diodekapacitansen (pF).
Pulsdioder er designet til pulssignalkonvertering, de bruges i højhastigheds pulskredsløb.Kravene til disse dioder er relateret til at sikre en hurtig reaktion fra enheden på impulskarakteren af den leverede spænding - en kort overgangstid for dioden fra lukket tilstand til åben tilstand og omvendt.
Zener-dioder - disse er halvlederdioder, hvor spændingsfaldet afhænger lidt af strømmen. Det tjener til at stabilisere spændingen.
Varikapi - princippet om drift er baseret på egenskaben af p-n-krydset for at ændre værdien af barrierekapaciteten, når værdien af den omvendte spænding ændres på den. De bruges som spændingsstyrede variable kondensatorer. I ordningerne er varicaps tændt i den modsatte retning.
LED'er - disse er halvlederdioder, hvis princip er baseret på emission af lys fra et p-n-kryds, når en jævnstrøm passerer gennem den.
Fotodioder - den omvendte strøm afhænger af belysningen af p-n-krydset.
Schottky-dioder - baseret på en metal-halvlederforbindelse, hvorfor de har en væsentlig højere responsrate end konventionelle dioder.
Figur 2 — Konventionel grafisk repræsentation af dioder
For mere information om dioder se her:
Parametre og skemaer for ensretteren
Fotodioder: enhed, egenskaber og funktionsprincipper
Transistorer
En transistor er en halvlederenhed designet til at forstærke, generere og konvertere elektriske signaler samt skifte elektriske kredsløb.
Et karakteristisk træk ved transistoren er evnen til at forstærke spænding og strøm - spændinger og strømme, der virker ved transistorens input, fører til fremkomsten af betydeligt højere spændinger og strømme ved dens udgang.
Med spredningen af digital elektronik og pulskredsløb er transistorens hovedegenskab dens evne til at være i åben og lukket tilstand under påvirkning af et styresignal.
Transistoren har fået sit navn fra forkortelsen af to engelske ord tran (sfer) (re) sistor - kontrolleret modstand. Dette navn er ikke tilfældigt, for under påvirkning af indgangsspændingen påført transistoren kan modstanden mellem dens udgangsterminaler justeres i et meget bredt område.
Transistoren giver dig mulighed for at justere strømmen i kredsløbet fra nul til maksimumværdien.
Klassificering af transistorer:
— efter handlingsprincippet: felt (unipolær), bipolær, kombineret.
— ved værdien af den dissiperede effekt: lav, medium og høj.
— ved værdien af den begrænsende frekvens: lav, middel, høj og ultrahøj frekvens.
— ved værdien af driftsspændingen: lav og høj spænding.
— efter funktionelt formål: universel, forstærkende, nøgle osv.
-designmæssigt: med åben ramme og i boks-type version, med stive og fleksible terminaler.
Afhængigt af de udførte funktioner kan transistorer arbejde i tre tilstande:
1) Aktiv tilstand - bruges til at forstærke elektriske signaler i analoge enheder. Transistorens modstand ændres fra nul til maksimal værdi - de siger, at transistoren "åbner" eller "lukker".
2) Mætningstilstand - transistorens modstand har en tendens til nul. I dette tilfælde svarer transistoren til en lukket relækontakt.
3) Cut-off mode — transistoren er lukket og har en høj modstand, dvs. det svarer til en åben relækontakt.
Mætnings- og afskæringstilstandene bruges i digitale, puls- og koblingskredsløb.
En bipolær transistor er en halvlederenhed med to p-n-forbindelser og tre ledere, der giver effektforstærkning af elektriske signaler.
I bipolære transistorer er strømmen forårsaget af bevægelsen af ladningsbærere af to typer: elektroner og huller, som står for deres navn.
På diagrammerne er det tilladt at afbilde transistorer, både i en cirkel og uden den (fig. 3). Pilen viser strømretningen i transistoren.
Figur 3 - Konventionel grafisk notation af transistorer n-p-n (a) og p-n-p (b)
Grundlaget for transistoren er en halvlederplade, hvori tre sektioner med en variabel type ledningsevne - elektron og hul - er dannet. Afhængigt af lagenes vekslen skelnes der mellem to typer transistorstruktur: n-p-n (fig. 3, a) og p-n-p (fig. 3, b).
Emitter (E) — et lag, der er en kilde til ladningsbærere (elektroner eller huller) og skaber en strøm på enheden;
Samler (K) — et lag, der accepterer ladningsbærere, der kommer fra emitteren;
Base (B) - det mellemste lag, der styrer strømmen af transistoren.
Når transistoren er forbundet til kredsløbet, er en af dens elektroder input (kilden til input-vekselsignalet er tændt), den anden er output (belastningen er tændt), den tredje elektrode er fælles for input og output. I de fleste tilfælde bruges et fælles emitterkredsløb (figur 4). En spænding på højst 1 V tilføres basen, mere end 1 V til solfangeren, for eksempel +5 V, +12 V, +24 V osv.
Figur 4 — Kredsløbsdiagrammer for en fælles emitter bipolær transistor
Kollektorstrømmen opstår kun, når basisstrømmen Ib (bestemt af Ube) løber.Jo mere Ib, jo mere Ik. Ib måles i enheder af mA, og kollektorstrømmen måles i tiere og hundreder af mA, dvs. IbIk. Derfor, når et AC-signal med lille amplitude påføres basen, vil den lille Ib ændre sig, og den store Ic vil ændre sig i forhold til den. Når en belastningsmodstandskollektor er inkluderet i kredsløbet, vil et signal blive fordelt til det, der gentager formen på input, men med en større amplitude, dvs. forstærket signal.
De maksimalt tilladte parametre for transistorerne omfatter først og fremmest: den maksimalt tilladte effekt afgivet på kollektoren Pk.max, spændingen mellem kollektoren og emitteren Uke.max, kollektorstrømmen Ik.max.
For at øge de begrænsende parametre fremstilles transistorsamlinger, som kan tælle op til flere hundrede parallelforbundne transistorer indesluttet i et enkelt hus.
Bipolære transistorer bruges nu mindre og mindre, især i pulserende strømteknologi. De erstattes af MOSFET'er og kombinerede IGBT'er, der har ubestridelige fordele inden for dette område af elektronik.
I felteffekttransistorer bestemmes strømmen af bevægelsen af bærere af kun ét tegn (elektroner eller huller). I modsætning til bipolar er transistorstrømmen drevet af et elektrisk felt, der ændrer tværsnittet af den ledende kanal.
Da der ikke er nogen indgangsstrøm i indgangskredsløbet, er strømforbruget af dette kredsløb praktisk talt nul, hvilket uden tvivl er en fordel ved felteffekttransistoren.
Strukturelt består en transistor af en n- eller p-type ledende kanal, i hvis ender der er områder: en kilde, der udsender ladningsbærere og et dræn, der accepterer bærere.Elektroden, der bruges til at justere tværsnittet af kanalen, kaldes porten.
En felteffekttransistor er en halvlederenhed, der regulerer strømmen i et kredsløb ved at ændre tværsnittet af den ledende kanal.
Der er felteffekttransistorer med en gate i form af en pn-junction og med en isoleret gate.
I felteffekttransistorer med en isoleret gate mellem halvlederkanalen og metalporten er der et isolerende lag af dielektriske - MIS-transistorer (metal - dielektrisk - halvleder), et særligt tilfælde - siliciumoxid - MOS-transistorer.
En indbygget kanal MOS-transistor har en indledende konduktans, der i mangel af et indgangssignal (Uzi = 0), er cirka halvdelen af maksimum. I MOS-transistorer med en induceret kanal ved en spænding Uzi = 0, er udgangsstrømmen fraværende, Ic = 0, fordi der i starten ikke er nogen ledende kanal.
MOSFET'er med en induceret kanal kaldes også MOSFET'er. De bruges hovedsageligt som nøgleelementer, for eksempel til at skifte strømforsyning.
Nøgleelementerne baseret på MOS-transistorer har en række fordele: signalkredsløbet er ikke galvanisk forbundet med kilden til kontrolhandlingen, kontrolkredsløbet forbruger ikke strøm og har dobbeltsidet ledningsevne. Felteffekttransistorer, i modsætning til bipolære, er ikke bange for overophedning.
For mere information om transistorer se her:
Thyristorer
En tyristor er en halvlederenhed, der fungerer i to konstante tilstande - lav ledning (tyristor lukket) og høj ledning (tyristor åben). Strukturelt har en tyristor tre eller flere p-n-forbindelser og tre udgange.
Ud over anoden og katoden er der tilvejebragt en tredje udgang (elektrode) i designet af tyristoren, som kaldes styringen.
Tyristoren er designet til berøringsfri kobling (til og fra) af elektriske kredsløb. De er kendetegnet ved høj hastighed og evnen til at skifte strømme af en meget betydelig størrelse (op til 1000 A). De bliver gradvist erstattet af skiftende transistorer.
Figur 5 - Konventionel - grafisk betegnelse af tyristorer
Dynistorer (to-elektrode) - ligesom konventionelle ensrettere har de en anode og en katode. Da fremadspændingen stiger med en vis værdi Ua = Uon, åbner dinistoren.
Thyristorer (SCR'er — tre-elektrode) — har en ekstra kontrolelektrode; Uin ændres af styrestrømmen, der løber gennem styreelektroden.
For at overføre tyristoren til den lukkede tilstand er det nødvendigt at påføre en omvendt spænding (- til anoden, + til katoden) eller reducere fremadstrømmen under en værdi kaldet Iuder-holdestrømmen.
Låsetyristor - kan skiftes til lukket tilstand ved at påføre en kontrolimpuls med omvendt polaritet.
Thyristorer: funktionsprincip, design, typer og metoder til inklusion
Triacs (symmetriske tyristorer) — leder strøm i begge retninger.
Tyristorer bruges som nærhedsafbrydere og kontrollerbare ensrettere i automatiseringsapparater og elektriske strømomformere. I vekselstrøm og pulserende strømkredsløb er det muligt at ændre tiden for tyristorens åbne tilstand og dermed tidspunktet for strømgennemstrømningen gennem belastningen. Dette giver dig mulighed for at justere den fordelte effekt til belastningen.