Полупроводнички уређаји – типови, преглед и употреба
Брзи развој и ширење области примене електронских уређаја последица је унапређења елементарне базе на којој се заснивају полупроводнички уређаји... Због тога је за разумевање процеса функционисања електронских уређаја неопходно познавање уређај и принцип рада главних типова полупроводничких уређаја.
Полупроводнички материјали по свом специфичном отпору заузимају међупозицију између проводника и диелектрика.
Главни материјали за производњу полупроводничких уређаја су силицијум (Си), силицијум карбид (СиЦ), једињења галијума и индијума.
Проводљивост полупроводника зависи од присуства нечистоћа и спољашњих енергетских утицаја (температура, зрачење, притисак итд.). Проток струје изазивају две врсте носилаца наелектрисања — електрони и рупе. У зависности од хемијског састава, разликују се чисти и нечисти полупроводници.
За производњу електронских уређаја користе се чврсти полупроводници са кристалном структуром.
Полупроводнички уређаји су уређаји чији се рад заснива на коришћењу својстава полупроводничких материјала.
Класификација полупроводничких уређаја
На основу континуалних полупроводника, полупроводнички отпорници:
Линеарни отпорник - Отпор незнатно зависи од напона и струје. То је „елемент” интегрисаних кола.
Варистор - отпор зависи од примењеног напона.
Термистор - отпор зависи од температуре. Постоје два типа: термистор (како се температура повећава, отпор се смањује) и позистори (како температура расте, отпор расте).
Фотоотпорник — отпор зависи од осветљења (зрачења). Деформатор — отпор зависи од механичке деформације.
Принцип рада већине полупроводничких уређаја заснива се на својствима п-н споја електрон-рупа.
Полупроводничке диоде
То је полупроводнички уређај са једним п-н спојем и два терминала, чији се рад заснива на својствима п-н споја.
Главно својство п-н споја је једносмерна проводљивост - струја тече само у једном правцу. Конвенционална графичка ознака (УГО) диоде има облик стрелице, која указује на смер протока струје кроз уређај.
Структурно, диода се састоји од п-н споја затвореног у кућиште (са изузетком отворених оквира микромодула) и два терминала: од п-регије-аноде, од н-регије-катоде.
Ове. Диода је полупроводнички уређај који спроводи струју само у једном правцу — од аноде до катоде.
Зависност струје кроз уређај од примењеног напона назива се струјно-напонска карактеристика (ВАЦ) уређаја И = ф (У).Једнострана проводљивост диоде је евидентна из њене И-В карактеристике (слика 1).
Слика 1 — струјно-напонска карактеристика диоде
У зависности од намене, полупроводничке диоде се деле на исправљачке, универзалне, импулсне, зенер диоде и стабилизаторе, тунелске и реверзне диоде, ЛЕД и фотодиоде.
Једнострано провођење одређује својства исправљања диоде. Са директном везом («+» на аноду и «-» на катоду) диода је отворена и кроз њу тече довољно велика струја напред. У обрнутом смеру («-» ка аноди и «+» ка катоди), диода је затворена, али тече мала обрнута струја.
Исправљачке диоде су дизајниране да претварају наизменичну струју ниске фреквенције (обично мање од 50 кХз) у једносмерну, тј. да устане. Њихови главни параметри су максимална дозвољена струја напред Ипр мак и максимални дозвољени реверзни напон Уо6п мак. Ови параметри се зову ограничавајући — њихово прекорачење може делимично или потпуно онемогућити уређај.
За повећање ових параметара израђују се диодни стубови, чворови, матрице које су серијско-паралелне, мосне или друге везе п-н-спојева.
Универзалне диоде се користе за исправљање струја у широком фреквентном опсегу (до неколико стотина мегахерца). Параметри ових диода су исти као и исправљачких диода, само се уносе додатни: максимална радна фреквенција (МХз) и капацитивност диоде (пФ).
Импулсне диоде су дизајниране за конверзију импулсног сигнала, користе се у брзим импулсним колима.Захтеви за ове диоде односе се на обезбеђивање брзог одговора уређаја на импулсну природу доведеног напона — кратко време преласка диоде из затвореног у отворено стање и обрнуто.
Зенер диоде — ово су полупроводничке диоде чији пад напона мало зависи од струје која тече. Служи за стабилизацију напетости.
Варикапи - принцип рада је заснован на својству п-н-спојнице да мења вредност капацитивности баријере када се на њему промени вредност обрнутог напона. Користе се као напонски променљиви кондензатори. У шемама, варикапи су укључени у супротном смеру.
ЛЕД диоде - ово су полупроводничке диоде, чији се принцип заснива на емисији светлости из п-н споја када једносмерна струја пролази кроз њега.
Фотодиоде - реверзна струја зависи од осветљења п-н споја.
Шоткијеве диоде – засноване на споју метал-полупроводник, због чега имају знатно већу стопу одзива од конвенционалних диода.
Слика 2 — Конвенционални графички приказ диода
За више информација о диодама погледајте овде:
Фотодиоде: уређај, карактеристике и принципи рада
Транзистори
Транзистор је полупроводнички уређај дизајниран за појачавање, генерисање и претварање електричних сигнала, као и за пребацивање електричних кола.
Посебност транзистора је способност да појача напон и струју — напони и струје које делују на улазу транзистора доводе до појаве знатно већих напона и струја на његовом излазу.
Са ширењем дигиталне електронике и импулсних кола, главно својство транзистора је његова способност да буде у отвореном и затвореном стању под утицајем контролног сигнала.
Транзистор је добио име по скраћеници две енглеске речи тран (сфер) (ре) систор - контролисани отпорник. Ово име није случајно, јер се под дејством улазног напона примењеног на транзистор, отпор између његових излазних терминала може подесити у веома широком опсегу.
Транзистор вам омогућава да подесите струју у колу од нуле до максималне вредности.
Класификација транзистора:
— по принципу деловања: поље (униполарно), биполарно, комбиновано.
— по вредности дисипиране снаге: ниска, средња и висока.
— по вредности граничне фреквенције: ниске, средње, високе и ултрависоке фреквенције.
— по вредности радног напона: ниског и високог напона.
— по функционалној намени: универзални, ојачавајући, кључ итд.
-конструкцијски: са отвореним оквиром иу кутијастом облику, са крутим и флексибилним терминалима.
У зависности од извршених функција, транзистори могу да раде у три режима:
1) Активни режим - користи се за појачавање електричних сигнала у аналогним уређајима.Отпор транзистора се мења од нуле до максималне вредности - кажу да се транзистор "отвара" или "затвара".
2) Режим засићења — отпор транзистора тежи нули. У овом случају, транзистор је еквивалентан затвореном контакту релеја.
3) Цут-офф режим — транзистор је затворен и има велики отпор, тј. то је еквивалентно отвореном контакту релеја.
Режими засићења и искључења се користе у дигиталним, импулсним и прекидачким колима.
Биполарни транзистор је полупроводнички уређај са два п-н споја и три проводника који омогућавају појачање електричне енергије.
У биполарним транзисторима струја је узрокована кретањем носилаца наелектрисања два типа: електрона и рупа, што објашњава њихово име.
На дијаграмима је дозвољено приказивање транзистора, како у кругу, тако и без њега (слика 3). Стрелица показује смер тока струје у транзистору.
Слика 3 – Конвенционално-графичко означавање транзистора н-п-н (а) и п-н-п (б)
Основа транзистора је полупроводничка плоча, у којој се формирају три секције са променљивом врстом проводљивости - електрон и рупа. У зависности од смене слојева, разликују се два типа структуре транзистора: н-п-н (слика 3, а) и п-н-п (слика 3, б).
Емитер (Е) — слој који је извор носилаца наелектрисања (електрона или рупа) и ствара струју на уређају;
Колектор (К) — слој који прихвата носиоце наелектрисања који долазе из емитера;
База (Б) — средњи слој који контролише струју транзистора.
Када је транзистор прикључен на коло, једна од његових електрода је улазна (извор улазног наизменичног сигнала је укључен), друга је излазна (оптерећење је укључено), трећа електрода је заједничка за улаз и излаз. У већини случајева користи се коло заједничког емитера (слика 4). Напон не већи од 1 В се примењује на базу, више од 1 В на колектор, на пример +5 В, +12 В, +24 В, итд.
Слика 4 — Шеме кола биполарног транзистора са заједничким емитером
Струја колектора се јавља само када тече базна струја Иб (одређена Убе).Што више Иб, то више Ик. Иб се мери у јединицама мА, а струја колектора мери се у десетинама и стотинама мА, тј. ИбИк. Стога, када се на базу примени наизменични сигнал мале амплитуде, мали Иб ће се променити, а велики Иц ће се променити пропорционално њему. Када је колектор отпора оптерећења укључен у коло, на њега ће се дистрибуирати сигнал, понављајући облик улаза, али са већом амплитудом, тј. појачан сигнал.
Максимално дозвољени параметри транзистора укључују, пре свега: максималну дозвољену снагу расејану на колектору Пк.мак, напон између колектора и емитера Уке.мак, струју колектора Ик.мак.
Да би се повећали гранични параметри, производе се транзисторски склопови који могу бројати до неколико стотина паралелно повезаних транзистора затворених у једно кућиште.
Биполарни транзистори се сада све мање користе, посебно у технологији импулсне енергије. Замењују их МОСФЕТ и комбиновани ИГБТ, који имају неоспорне предности у овој области електронике.
Код транзистора са ефектом поља струја је одређена кретањем носилаца само једног знака (електрона или рупа). За разлику од биполарне, струју транзистора покреће електрично поље које мења попречни пресек проводног канала.
Пошто у улазном колу нема улазне струје, потрошња енергије овог кола је практично нула, што је несумњиво предност транзистора са ефектом поља.
Структурно, транзистор се састоји од проводног канала н- или п-типа, на чијим крајевима се налазе региони: извор који емитује носиоце набоја и одвод који прихвата носиоце.Електрода која се користи за подешавање попречног пресека канала назива се капија.
Транзистор са ефектом поља је полупроводнички уређај који регулише струју у колу променом попречног пресека проводног канала.
Постоје транзистори са ефектом поља са капијом у облику пн споја и са изолованом капијом.
У транзисторима са ефектом поља са изолованом капијом између полупроводничког канала и металне капије постоји изолациони слој диелектрика - МИС транзистори (метал - диелектрик - полупроводник), посебан случај - силицијум оксид - МОС транзистори.
Уграђени канални МОС транзистор има почетну проводљивост која је, у одсуству улазног сигнала (Узи = 0), приближно половина максималне. У МОС транзисторима са индукованим каналом на напону Узи = 0, излазна струја је одсутна, Иц = 0, јер у почетку нема проводног канала.
МОСФЕТ-ови са индукованим каналом се такође називају МОСФЕТ-ови. Углавном се користе као кључни елементи, на пример у прекидачким изворима напајања.
Кључни елементи засновани на МОС транзисторима имају низ предности: сигнално коло није галвански повезано са извором контролног дејства, управљачко коло не троши струју и има двострану проводљивост. Транзистори са ефектом поља, за разлику од биполарних, не плаше се прегревања.
За више информација о транзисторима погледајте овде:
тиристори
Тиристор је полупроводнички уређај који ради у два стабилна стања — ниске проводљивости (тиристор затворен) и високе проводљивости (тиристор отворен). Структурно, тиристор има три или више п-н спојева и три излаза.
Поред аноде и катоде, у дизајну тиристора је предвиђен и трећи излаз (електрода), који се назива контролни.
Тиристор је дизајниран за бесконтактно укључивање (укључивање и искључивање) електричних кола. Одликују се великом брзином и способношћу пребацивања струја веома значајне величине (до 1000 А). Они се постепено замењују преклопним транзисторима.
Слика 5 – Конвенционално – графичка ознака тиристора
Динистори (две електроде) — као и конвенционални исправљачи, имају аноду и катоду. Како напредни напон расте на одређеној вредности Уа = Уон, динистор се отвара.
Тиристори (СЦР — троелектродни) — имају додатну контролну електроду; Уин се мења контролном струјом која тече кроз контролну електроду.
За превођење тиристора у затворено стање потребно је применити обрнути напон (- на аноду, + на катоду) или смањити директну струју испод вредности која се зове Иудерова струја задржавања.
Тиристор за закључавање - може се пребацити у затворено стање применом контролног импулса обрнутог поларитета.
Тиристори: принцип рада, дизајн, врсте и методе укључивања
Тријаци (симетрични тиристори) — провођење струје у оба смера.
Тиристори се користе као близински прекидачи и управљиви исправљачи у уређајима за аутоматизацију и претварачима електричне струје. У колима наизменичне и импулсне струје могуће је променити време отвореног стања тиристора, а самим тим и време протока струје кроз оптерећење. Ово вам омогућава да прилагодите снагу распоређену на оптерећење.