Félvezető eszközök – típusok, áttekintés és felhasználás
Az elektronikai eszközök alkalmazási területeinek rohamos fejlődése és bővülése a félvezető eszközök alapjául szolgáló elembázis javulásának köszönhető... Ezért az elektronikai eszközök működési folyamatainak megértéséhez ismerni kell a félvezető eszközök fő típusainak eszköze és működési elve.
Félvezető anyagok fajlagos ellenállásukat tekintve a vezetők és a dielektrikumok között köztes helyet foglalnak el.
A félvezető eszközök gyártásának fő anyagai a szilícium (Si), a szilícium-karbid (SiC), a gallium- és indiumvegyületek.
Félvezető vezetőképesség függ a szennyeződések jelenlététől és a külső energiahatásoktól (hőmérséklet, sugárzás, nyomás stb.). Az áramáramlást kétféle töltéshordozó okozza - elektronok és lyukak. A kémiai összetételtől függően megkülönböztetünk tiszta és szennyezett félvezetőket.
Elektronikus eszközök gyártásához szilárd, kristályos szerkezetű félvezetőket használnak.
A félvezető eszközök olyan eszközök, amelyek működése a félvezető anyagok tulajdonságainak felhasználásán alapul.
A félvezető eszközök osztályozása
Folyamatos félvezetők, félvezető ellenállások alapján:
Lineáris ellenállás - Az ellenállás kissé függ a feszültségtől és az áramerősségtől. Az integrált áramkörök "eleme".
Varisztor - az ellenállás az alkalmazott feszültségtől függ.
Termisztor - az ellenállás a hőmérséklettől függ. Két típusa van: termisztoros (a hőmérséklet emelkedésével az ellenállás csökken) és poszisztoros (a hőmérséklet növekedésével az ellenállás nő).
Fotoellenállás – az ellenállás a megvilágítástól (sugárzástól) függ. Deformátor – az ellenállás a mechanikai deformációtól függ.
A legtöbb félvezető eszköz működési elve az elektron-lyuk átmenet p-n-átmenet tulajdonságain alapul.
Félvezető diódák
Egy p-n átmenettel és két kivezetéssel rendelkező félvezető eszköz, melynek működése a p-n átmenet tulajdonságain alapul.
A p-n átmenet fő tulajdonsága az egyirányú vezetés - az áram csak egy irányba folyik. A dióda hagyományos grafikus jelölése (UGO) nyíl alakú, amely az eszközön áthaladó áram irányát jelzi.
Szerkezetileg a dióda egy házba zárt p-n átmenetből (a mikromodul nyitott keretek kivételével) és két csatlakozóból áll: a p-régió-anódból, az n-régió-katódból.
Ezek. A dióda olyan félvezető eszköz, amely csak egy irányba vezet áramot - az anódtól a katódig.
Az eszközön áthaladó áram függőségét az alkalmazott feszültségtől áram-feszültség karakterisztikának (VAC) nevezzük I = f (U).A dióda egyoldali vezetése nyilvánvaló az I-V karakterisztika alapján (1. ábra).
1. ábra – Dióda áram-feszültség karakterisztikája
A céltól függően a félvezető diódákat egyenirányító, univerzális, impulzus, zener diódákra és stabilizátorokra, alagút- és fordított diódákra, LED-ekre és fotodiódákra osztják.
Az egyoldali vezetés határozza meg a dióda egyenirányító tulajdonságait. Közvetlen csatlakozással ("+" az anódhoz és "-" a katódhoz) a dióda nyitott, és kellően nagy előremenő áram folyik rajta. Fordítva ("-" az anódhoz és "+" a katódhoz) a dióda zárva van, de kis fordított áram folyik.
Az egyenirányító diódákat arra tervezték, hogy az alacsony frekvenciájú váltakozó áramot (általában 50 kHz-nél kisebb) egyenárammá alakítsák, pl. felállni. Fő paramétereik a legnagyobb megengedett előremenő áram Ipr max és a maximálisan megengedhető fordított feszültség Uo6p max. Ezeket a paramétereket korlátozónak nevezzük – túllépésük részben vagy teljesen letilthatja az eszközt.
Ezen paraméterek növelésére dióda oszlopokat, csomópontokat, mátrixokat készítenek, amelyek soros párhuzamos, híd vagy egyéb p-n átmenetek összeköttetései.
Az univerzális diódák széles frekvenciatartományban (akár több száz megahertzig) áramok egyenirányítására szolgálnak. Ezeknek a diódáknak a paraméterei megegyeznek az egyenirányító diódáéval, csak továbbiakat kell megadni: a maximális működési frekvenciát (MHz) és a dióda kapacitását (pF).
Az impulzusdiódákat impulzusjel-átalakításra tervezték, nagy sebességű impulzusáramkörökben használják.Az ilyen diódákkal szemben támasztott követelmények az eszköz gyors reagálásának biztosítására vonatkoznak a betáplált feszültség impulzusjellegére – a dióda rövid átmeneti idejére a zárt állapotból a nyitott állapotba és fordítva.
Zener-diódák – ezek félvezető diódák, amelyeken a feszültségesés kevéssé függ az átfolyó áramtól. A feszültség stabilizálására szolgál.
Varikapi - a működési elv a p-n átmenet azon tulajdonságán alapul, hogy megváltoztatja a gát kapacitásának értékét, amikor a fordított feszültség értéke megváltozik rajta. Feszültségvezérelt változó kondenzátorként használják. A sémákban a varikapok az ellenkező irányban vannak bekapcsolva.
LED-ek - ezek félvezető diódák, amelyek elve a p-n átmenet fényének kibocsátásán alapul, amikor egyenáram halad át rajta.
Fotodiódák - a fordított áram a p-n átmenet megvilágításától függ.
Schottky diódák - fém-félvezető átmeneten alapulnak, ezért a válaszadási arányuk lényegesen magasabb, mint a hagyományos diódáké.
2. ábra – Diódák hagyományos grafikus ábrázolása
További információ a diódákról itt:
Az egyenirányító paraméterei és sémái
Fotodiódák: készülék, jellemzők és működési elvek
Tranzisztorok
A tranzisztor egy félvezető eszköz, amelyet elektromos jelek erősítésére, generálására és átalakítására, valamint elektromos áramkörök kapcsolására terveztek.
A tranzisztor megkülönböztető jellemzője a feszültség és az áram erősítésének képessége - a tranzisztor bemenetén ható feszültségek és áramok lényegesen magasabb feszültségek és áramok megjelenéséhez vezetnek a kimenetén.
A digitális elektronika és az impulzusáramkörök elterjedésével a tranzisztor fő tulajdonsága, hogy egy vezérlőjel hatására nyitott és zárt állapotban van.
A tranzisztor a nevét a két angol szó rövidítéséből kapta, a tran (sfer) (re) sistor - vezérelt ellenállás. Ez az elnevezés nem véletlen, mert a tranzisztorra adott bemeneti feszültség hatására a kimeneti kapcsai közötti ellenállás igen széles tartományban állítható.
A tranzisztor lehetővé teszi, hogy az áramkörben lévő áramot nulláról a maximális értékre állítsa.
A tranzisztorok osztályozása:
— hatáselv szerint: mező (unipoláris), bipoláris, kombinált.
— a disszipált teljesítmény értékével: alacsony, közepes és magas.
— a határfrekvencia értékével: alacsony, közepes, magas és ultramagas frekvencia.
— az üzemi feszültség értékével: kis- és nagyfeszültség.
— funkcionális cél szerint: univerzális, erősítő, kulcs stb.
-kialakítását tekintve: nyitott kerettel és dobozos kivitelben, merev és rugalmas kapcsokkal.
Az elvégzett funkcióktól függően a tranzisztorok három üzemmódban működhetnek:
1) Aktív mód - elektromos jelek erősítésére használják analóg eszközökben A tranzisztor ellenállása nulláról a maximális értékre változik - azt mondják, hogy a tranzisztor "nyit" vagy "zár".
2) Telítettségi mód – a tranzisztor ellenállása nullára hajlik. Ebben az esetben a tranzisztor egy zárt reléérintkezővel egyenértékű.
3) Lezárási mód — a tranzisztor zárt és nagy ellenállású, pl. ez egyenértékű a nyitott reléérintkezővel.
A telítési és levágási módokat digitális, impulzus- és kapcsolóáramkörökben használják.
A bipoláris tranzisztor két p-n átmenettel és három vezetővel rendelkező félvezető eszköz, amely az elektromos jelek teljesítményerősítését biztosítja.
A bipoláris tranzisztorokban az áramot kétféle töltéshordozó mozgása okozza: elektronok és lyukak, ami a nevüket adja.
A diagramokon megengedett a tranzisztorok ábrázolása körben és anélkül is (3. ábra). A nyíl mutatja az áram irányát a tranzisztorban.
3. ábra - Az n-p-n (a) és p-n-p (b) tranzisztorok hagyományos grafikus jelölése
A tranzisztor alapja egy félvezető lemez, amelyben három változó típusú vezetőképességű szakasz - elektron és lyuk - alakul ki. A rétegek váltakozásától függően kétféle tranzisztorszerkezetet különböztetünk meg: n-p-n (3. ábra, a) és p-n-p (3. ábra, b).
Emitter (E) - egy réteg, amely töltéshordozók (elektronok vagy lyukak) forrása, és áramot hoz létre az eszközön;
Gyűjtő (K) — az emittertől érkező töltéshordozókat fogadó réteg;
Base (B) - a középső réteg, amely szabályozza a tranzisztor áramát.
Amikor a tranzisztort az áramkörre csatlakoztatjuk, az egyik elektródája bemenet (a bemeneti váltakozó jel forrása be van kapcsolva), a másik kimenet (a terhelés be van kapcsolva), a harmadik elektródája közös a bemeneten és a kimeneten. A legtöbb esetben közös emitter áramkört használnak (4. ábra). Az alapra legfeljebb 1 V, a kollektorra 1 V-nál nem nagyobb feszültség kerül, például +5 V, +12 V, +24 V stb.
4. ábra – Egy közös emitteres bipoláris tranzisztor kapcsolási rajzai
A kollektoráram csak akkor lép fel, ha az Ib alapáram (amelyet az Ube határoz meg) folyik.Minél több Ib, annál több Ik. Az Ib-t mA egységben, a kollektoráramot pedig tíz és száz mA-ben mérik, azaz. IbIk. Ezért amikor egy kis amplitúdójú váltakozó áramú jelet alkalmazunk az alapra, a kis Ib megváltozik, és a nagy Ic ennek arányában. Ha az áramkörbe terhelési ellenállás kollektor kerül, akkor a bemenet alakját megismétlő, de nagyobb amplitúdójú jelet osztanak ki rá, pl. erősített jel.
A tranzisztorok megengedett legnagyobb paraméterei mindenekelőtt a következőket tartalmazzák: a Pk.max kollektoron disszipált legnagyobb megengedett teljesítmény, a kollektor és az emitter közötti feszültség Uke.max, a kollektoráram Ik.max.
A korlátozó paraméterek növelésére tranzisztor-szerelvényeket gyártanak, amelyek akár több száz párhuzamosan kapcsolt tranzisztort is tartalmazhatnak egyetlen házba zárva.
A bipoláris tranzisztorokat ma már egyre ritkábban használják, különösen az impulzusos energiatechnológiában. Ezeket MOSFET-ek és kombinált IGBT-k váltják fel, amelyek vitathatatlan előnyökkel járnak ezen az elektronikai területen.
A térhatású tranzisztorokban az áramerősséget csak egy előjelű hordozók (elektronok vagy lyukak) mozgása határozza meg. A bipoláristól eltérően a tranzisztoráramot elektromos tér hajtja, amely megváltoztatja a vezető csatorna keresztmetszetét.
Mivel a bemeneti áramkörben nincs bemeneti áram, ennek az áramkörnek a fogyasztása gyakorlatilag nulla, ami kétségtelenül a térhatású tranzisztor előnye.
Szerkezetileg egy tranzisztor egy n- vagy p-típusú vezető csatornából áll, melynek végein régiók találhatók: egy töltéshordozókat kibocsátó forrás és egy hordozót fogadó lefolyó.A csatorna keresztmetszetének beállítására használt elektródát kapunak nevezzük.
A térhatású tranzisztor egy félvezető eszköz, amely a vezető csatorna keresztmetszetének megváltoztatásával szabályozza az áramkör áramát.
Vannak térhatású tranzisztorok pn átmenet formájú kapuval és izolált kapuval.
A félvezető csatorna és a fémkapu között szigetelt kapuval rendelkező térhatású tranzisztorokban dielektromos - MIS tranzisztorok (fém - dielektrikum - félvezető), speciális tok - szilícium-oxid - MOS tranzisztorok szigetelő rétege található.
A beépített csatornás MOS tranzisztor kezdeti vezetőképessége bemeneti jel hiányában (Uzi = 0) megközelítőleg a maximum fele. Az Uzi = 0 feszültségű indukált csatornával rendelkező MOS tranzisztorokban a kimeneti áram hiányzik, Ic = 0, mert kezdetben nincs vezető csatorna.
Az indukált csatornával rendelkező MOSFET-eket MOSFET-nek is nevezik. Főleg kulcselemként használják őket, például kapcsolóüzemű tápegységeknél.
A MOS tranzisztorokon alapuló kulcselemek számos előnnyel rendelkeznek: a jeláramkör nincs galvanikusan csatlakoztatva a vezérlési művelet forrásához, a vezérlőáramkör nem fogyaszt áramot és kétoldali vezetőképességű. A térhatású tranzisztorok a bipolárisokkal ellentétben nem félnek a túlmelegedéstől.
További információ a tranzisztorokról itt:
Tirisztorok
A tirisztor egy félvezető eszköz, amely két állandósult állapotban működik - alacsony vezetőképességű (tirisztor zárt) és magas vezetőképességű (tirisztor nyitott). Szerkezetileg egy tirisztornak három vagy több p-n átmenete és három kimenete van.
A tirisztor kialakításában az anódon és a katódon kívül egy harmadik kimenet (elektróda) is található, amelyet vezérlésnek neveznek.
A tirisztort elektromos áramkörök érintésmentes kapcsolására (be- és kikapcsolására) tervezték. Jellemzőjük a nagy sebesség és a nagyon jelentős (1000 A-ig) áramok kapcsolási képessége. Fokozatosan felváltják őket kapcsolótranzisztorok.
5. ábra - A tirisztorok hagyományos - grafikus jelölése
Dinisztorok (kételektródos) - a hagyományos egyenirányítókhoz hasonlóan anóddal és katóddal rendelkeznek. Ahogy az előremenő feszültség egy bizonyos Ua = Uon értéknél nő, a dinisztor kinyílik.
A tirisztorok (SCR-ek - három elektróda) - további vezérlőelektródával rendelkeznek; Az Uin értéket a vezérlőelektródán átfolyó vezérlőáram változtatja meg.
A tirisztor zárt állapotba hozásához fordított feszültséget kell alkalmazni (- az anódra, + a katódra), vagy az előremenő áramot az Iuder tartóáramnak nevezett érték alá csökkenteni.
Záró tirisztor - fordított polaritású vezérlőimpulzus alkalmazásával zárt állapotba kapcsolható.
Tirisztorok: működési elv, kialakítás, típusok és beépítési módok
Triacok (szimmetrikus tirisztorok) - mindkét irányban áramot vezetnek.
A tirisztorokat közelítéskapcsolóként és vezérelhető egyenirányítóként használják automatizálási eszközökben és elektromos áramátalakítókban. A váltakozó és impulzusáramú áramkörökben lehetőség van a tirisztor nyitott állapotának, és ezáltal a terhelésen áthaladó áram idejének megváltoztatására. Ez lehetővé teszi a terheléshez elosztott teljesítmény beállítását.