Peranti Semikonduktor - Jenis, Gambaran Keseluruhan dan Kegunaan
Perkembangan pesat dan pengembangan bidang aplikasi peranti elektronik adalah disebabkan oleh penambahbaikan asas elemen di mana peranti semikonduktor berasaskan... Oleh itu, untuk memahami proses fungsi peranti elektronik, adalah perlu untuk mengetahui peranti dan prinsip operasi jenis utama peranti semikonduktor.
Bahan semikonduktor dari segi rintangan khusus mereka, mereka menduduki kedudukan pertengahan antara konduktor dan dielektrik.
Bahan utama untuk pembuatan peranti semikonduktor ialah silikon (Si), silikon karbida (SiC), galium dan sebatian indium.
Kekonduksian semikonduktor bergantung kepada kehadiran kekotoran dan pengaruh tenaga luaran (suhu, sinaran, tekanan, dll.). Aliran semasa disebabkan oleh dua jenis pembawa cas - elektron dan lubang. Bergantung kepada komposisi kimia, perbezaan dibuat antara semikonduktor tulen dan kekotoran.
Untuk pengeluaran peranti elektronik, semikonduktor pepejal dengan struktur kristal digunakan.
Peranti semikonduktor ialah peranti yang operasinya berdasarkan penggunaan sifat bahan semikonduktor.
Klasifikasi peranti semikonduktor
Berdasarkan semikonduktor berterusan, perintang semikonduktor:
Perintang Linear - Rintangan bergantung sedikit pada voltan dan arus. Ia adalah "elemen" litar bersepadu.
Varistor - rintangan bergantung pada voltan yang digunakan.
Termistor - rintangan bergantung pada suhu. Terdapat dua jenis: termistor (apabila suhu meningkat, rintangan berkurangan) dan posistor (apabila suhu meningkat, rintangan meningkat).
Photoresistor — rintangan bergantung kepada pencahayaan (radiasi). Deformer — rintangan bergantung kepada ubah bentuk mekanikal.
Prinsip operasi kebanyakan peranti semikonduktor adalah berdasarkan sifat-sifat simpang p-n-simpang lubang elektron.
Diod semikonduktor
Ia adalah peranti semikonduktor dengan satu simpang p-n dan dua terminal, operasinya adalah berdasarkan sifat simpang p-n.
Sifat utama persimpangan p-n ialah pengaliran satu arah - arus mengalir dalam satu arah sahaja. Penamaan grafik konvensional (UGO) diod mempunyai bentuk anak panah, yang menunjukkan arah aliran arus melalui peranti.
Secara struktur, diod terdiri daripada simpang p-n yang disertakan dalam kes (dengan pengecualian bingkai terbuka mikromodule) dan dua terminal: dari anod-p-rantau, dari katod-n-rantau.
Ini. Diod ialah peranti semikonduktor yang mengalirkan arus hanya dalam satu arah-dari anod ke katod.
Kebergantungan arus melalui peranti pada voltan yang digunakan dipanggil peranti ciri voltan semasa (VAC) I = f (U).Pengaliran satu sisi diod adalah jelas daripada ciri I-Vnya (Rajah 1).
Rajah 1 — Ciri voltan arus diod
Bergantung pada tujuan, diod semikonduktor dibahagikan kepada penerus, universal, nadi, diod zener dan penstabil, diod terowong dan terbalik, LED dan fotodiod.
Pengaliran satu sisi menentukan sifat pembetulan diod. Dengan sambungan terus («+» ke anod dan «-» ke katod) diod terbuka dan arus ke hadapan yang cukup besar mengalir melaluinya. Secara terbalik («-» ke anod dan «+» ke katod), diod ditutup, tetapi arus songsang kecil mengalir.
Diod penerus direka untuk menukar arus ulang alik frekuensi rendah (biasanya kurang daripada 50 kHz) kepada arus terus, i.e. untuk berdiri. Parameter utamanya ialah Ipr maks arus hadapan maksimum yang dibenarkan dan voltan terbalik maksimum yang dibenarkan Uo6p maks. Parameter ini dipanggil mengehadkan — melebihinya boleh melumpuhkan sebahagian atau sepenuhnya peranti.
Untuk meningkatkan parameter ini, lajur diod, nod, matriks dibuat, iaitu siri-selari, jambatan atau sambungan p-n-junction lain.
Diod universal digunakan untuk membetulkan arus dalam julat frekuensi yang luas (sehingga beberapa ratus megahertz). Parameter diod ini adalah sama dengan diod penerus, hanya yang tambahan dimasukkan: frekuensi operasi maksimum (MHz) dan kapasitans diod (pF).
Diod nadi direka untuk penukaran isyarat nadi, ia digunakan dalam litar nadi berkelajuan tinggi.Keperluan untuk diod ini berkaitan dengan memastikan tindak balas pantas peranti kepada sifat impuls voltan yang dibekalkan — masa peralihan singkat diod dari keadaan tertutup ke keadaan terbuka dan sebaliknya.
Diod zener — ini adalah diod semikonduktor, penurunan voltan yang bergantung sedikit pada arus yang mengalir. Ia berfungsi untuk menstabilkan ketegangan.
Varikapi - prinsip operasi adalah berdasarkan sifat p-n-junction untuk menukar nilai kapasitans penghalang apabila nilai voltan terbalik berubah padanya. Ia digunakan sebagai kapasitor pembolehubah terkawal voltan. Dalam skema, varicaps dihidupkan ke arah yang bertentangan.
LED - ini adalah diod semikonduktor, prinsipnya berdasarkan pelepasan cahaya dari persimpangan p-n apabila arus terus melaluinya.
Fotodiod - arus terbalik bergantung kepada pencahayaan simpang p-n.
Diod Schottky - berdasarkan persimpangan logam semikonduktor, itulah sebabnya mereka mempunyai kadar tindak balas yang jauh lebih tinggi daripada diod konvensional.
Rajah 2 — Perwakilan grafik konvensional diod
Untuk maklumat lanjut tentang diod lihat di sini:
Fotodiod: peranti, ciri dan prinsip operasi
Transistor
Transistor ialah peranti semikonduktor yang direka untuk menguatkan, menjana, dan menukar isyarat elektrik, serta menukar litar elektrik.
Ciri tersendiri transistor ialah keupayaan untuk menguatkan voltan dan arus — voltan dan arus yang bertindak pada input transistor membawa kepada kemunculan voltan dan arus yang jauh lebih tinggi pada outputnya.
Dengan penyebaran elektronik digital dan litar nadi, sifat utama transistor adalah keupayaannya untuk berada dalam keadaan terbuka dan tertutup di bawah pengaruh isyarat kawalan.
Transistor mendapat namanya daripada singkatan dua perkataan Inggeris tran (sfer) (re) sistor - perintang dikawal. Nama ini tidak disengajakan, kerana di bawah tindakan voltan masukan yang digunakan pada transistor, rintangan antara terminal keluarannya boleh dilaraskan dalam julat yang sangat luas.
Transistor membolehkan anda melaraskan arus dalam litar dari sifar kepada nilai maksimum.
Klasifikasi transistor:
— mengikut prinsip tindakan: medan (unipolar), bipolar, gabungan.
— mengikut nilai kuasa terlesap: rendah, sederhana dan tinggi.
— mengikut nilai kekerapan mengehadkan: frekuensi rendah, sederhana, tinggi dan ultra tinggi.
— mengikut nilai voltan operasi: voltan rendah dan tinggi.
— mengikut tujuan fungsi: universal, pengukuhan, kunci, dsb.
-dari segi reka bentuk: dengan bingkai terbuka dan dalam versi jenis kotak, dengan terminal tegar dan fleksibel.
Bergantung pada fungsi yang dilakukan, transistor boleh berfungsi dalam tiga mod:
1) Mod aktif - digunakan untuk menguatkan isyarat elektrik dalam peranti analog. Rintangan transistor berubah dari sifar kepada nilai maksimum - mereka mengatakan bahawa transistor "membuka" atau "menutup".
2) Mod ketepuan — rintangan transistor cenderung kepada sifar. Dalam kes ini, transistor adalah bersamaan dengan kenalan geganti tertutup.
3) Mod cut-off — transistor ditutup dan mempunyai rintangan yang tinggi, i.e. ia bersamaan dengan sesentuh geganti terbuka.
Mod ketepuan dan pemotongan digunakan dalam litar digital, nadi dan pensuisan.
Transistor bipolar ialah peranti semikonduktor dengan dua simpang p-n dan tiga konduktor yang menyediakan penguatan kuasa isyarat elektrik.
Dalam transistor bipolar, arus disebabkan oleh pergerakan pembawa cas dua jenis: elektron dan lubang, yang menyumbang kepada nama mereka.
Pada rajah, ia dibenarkan untuk menggambarkan transistor, kedua-duanya dalam bulatan dan tanpanya (Rajah 3). Anak panah menunjukkan arah aliran arus dalam transistor.
Rajah 3 - Tatatanda grafik konvensional bagi transistor n-p-n (a) dan p-n-p (b)
Asas transistor adalah plat semikonduktor, di mana tiga bahagian dengan jenis kekonduksian berubah - elektron dan lubang - terbentuk. Bergantung pada penggantian lapisan, dua jenis struktur transistor dibezakan: n-p-n (Rajah 3, a) dan p-n-p (Rajah 3, b).
Pemancar (E) — lapisan yang merupakan sumber pembawa cas (elektron atau lubang) dan mencipta arus pada peranti;
Pengumpul (K) — lapisan yang menerima pembawa caj yang datang daripada pemancar;
Base (B) — lapisan tengah yang mengawal arus transistor.
Apabila transistor disambungkan ke litar, salah satu elektrodnya adalah input (sumber isyarat seli masukan dihidupkan), satu lagi adalah output (beban dihidupkan), elektrod ketiga adalah biasa kepada input dan output. Dalam kebanyakan kes, litar pemancar biasa digunakan (Rajah 4). Voltan tidak lebih daripada 1 V digunakan pada tapak, lebih daripada 1 V kepada pengumpul, contohnya +5 V, +12 V, +24 V, dsb.
Rajah 4 — Gambar rajah litar bagi transistor bipolar pemancar sepunya
Arus pengumpul berlaku hanya apabila arus asas Ib (ditentukan oleh Ube) mengalir.Lagi banyak Ib, lagi banyak Ik. Ib diukur dalam unit mA, dan arus pengumpul diukur dalam puluhan dan ratusan mA, i.e. IbIk. Oleh itu, apabila isyarat AC amplitud kecil digunakan pada tapak, Ib kecil akan berubah dan Ic besar akan berubah mengikut kadarnya. Apabila pengumpul rintangan beban dimasukkan ke dalam litar, isyarat akan diedarkan kepadanya, mengulangi bentuk input, tetapi dengan amplitud yang lebih besar, i.e. isyarat yang dikuatkan.
Parameter maksimum transistor yang dibenarkan termasuk, pertama sekali: kuasa maksimum yang dibenarkan yang hilang pada pengumpul Pk.max, voltan antara pengumpul dan pemancar Uke.max, arus pengumpul Ik.max.
Untuk meningkatkan parameter pengehadan, pemasangan transistor dihasilkan, yang boleh berjumlah sehingga beberapa ratus transistor bersambung selari yang disertakan dalam satu perumah.
Transistor bipolar kini semakin kurang digunakan, terutamanya dalam teknologi kuasa berdenyut. Ia digantikan oleh MOSFET dan gabungan IGBT, mempunyai kelebihan yang tidak dapat dipertikaikan dalam bidang elektronik ini.
Dalam transistor kesan medan, arus ditentukan oleh pergerakan pembawa hanya satu tanda (elektron atau lubang). Tidak seperti bipolar, arus transistor didorong oleh medan elektrik yang mengubah keratan rentas saluran pengalir.
Oleh kerana tiada arus masukan dalam litar input, penggunaan kuasa litar ini boleh dikatakan sifar, yang sudah pasti merupakan kelebihan transistor kesan medan.
Secara struktur, transistor terdiri daripada saluran pengalir jenis n atau p, di hujungnya terdapat kawasan: sumber yang memancarkan pembawa cas dan longkang yang menerima pembawa.Elektrod yang digunakan untuk melaraskan keratan rentas saluran dipanggil get.
Transistor kesan medan ialah peranti semikonduktor yang mengawal arus dalam litar dengan menukar keratan rentas saluran pengalir.
Terdapat transistor kesan medan dengan get dalam bentuk simpang pn dan dengan get terpencil.
Dalam transistor kesan medan dengan pintu terlindung antara saluran semikonduktor dan pintu logam terdapat lapisan penebat dielektrik - transistor MIS (logam - dielektrik - semikonduktor), kes khas - silikon oksida - transistor MOS.
Transistor MOS saluran terbina dalam mempunyai konduktans awal yang, jika tiada isyarat input (Uzi = 0), adalah kira-kira separuh daripada maksimum. Dalam transistor MOS dengan saluran teraruh pada voltan Uzi = 0, arus keluaran tidak hadir, Ic = 0, kerana pada mulanya tiada saluran pengalir.
MOSFET dengan saluran teraruh juga dipanggil MOSFET. Ia digunakan terutamanya sebagai elemen utama, contohnya dalam menukar bekalan kuasa.
Elemen utama berdasarkan transistor MOS mempunyai beberapa kelebihan: litar isyarat tidak disambungkan secara galvani kepada punca tindakan kawalan, litar kawalan tidak menggunakan arus dan mempunyai kekonduksian dua sisi. Transistor kesan medan, tidak seperti yang bipolar, tidak takut terlalu panas.
Untuk maklumat lanjut tentang transistor lihat di sini:
Thyristor
Thyristor ialah peranti semikonduktor yang beroperasi dalam dua keadaan mantap - pengaliran rendah (thyristor tertutup) dan pengaliran tinggi (thyristor terbuka). Secara struktur, thyristor mempunyai tiga atau lebih persimpangan p-n dan tiga output.
Sebagai tambahan kepada anod dan katod, keluaran ketiga (elektrod) disediakan dalam reka bentuk thyristor, yang dipanggil kawalan.
Thyristor direka untuk pensuisan bukan sentuhan (hidup dan mati) litar elektrik. Mereka dicirikan oleh kelajuan tinggi dan keupayaan untuk menukar arus dengan magnitud yang sangat ketara (sehingga 1000 A). Mereka secara beransur-ansur digantikan dengan menukar transistor.
Rajah 5 - Konvensional - penunjuk grafik thyristor
Dynistor (dua elektrod) — seperti penerus konvensional, ia mempunyai anod dan katod. Apabila voltan hadapan meningkat pada nilai tertentu Ua = Uon, dinistor terbuka.
Thyristor (SCR — tiga elektrod) — mempunyai elektrod kawalan tambahan; Uin ditukar oleh arus kawalan yang mengalir melalui elektrod kawalan.
Untuk memindahkan thyristor ke keadaan tertutup, adalah perlu untuk menggunakan voltan terbalik (- ke anod, + ke katod) atau mengurangkan arus hadapan di bawah nilai yang dipanggil arus pegangan Iuder.
Mengunci thyristor - boleh ditukar kepada keadaan tertutup dengan menggunakan nadi kawalan kekutuban songsang.
Thyristor: prinsip operasi, reka bentuk, jenis dan kaedah kemasukan
Triacs (thyristor simetri) — mengalirkan arus dalam kedua-dua arah.
Thyristor digunakan sebagai suis kedekatan dan penerus boleh dikawal dalam peranti automasi dan penukar arus elektrik. Dalam litar arus ulang alik dan berdenyut, adalah mungkin untuk menukar masa keadaan terbuka thyristor, dan dengan itu masa aliran arus melalui beban. Ini membolehkan anda melaraskan kuasa yang diagihkan kepada beban.