Pusvadītāju ierīces — veidi, pārskats un lietojumi
Elektronisko ierīču pielietojuma jomu straujā attīstība un paplašināšanās ir saistīta ar elementu bāzes pilnveidošanos, uz kuras balstās pusvadītāju ierīces... Tāpēc, lai izprastu elektronisko ierīču funkcionēšanas procesus, ir jāzina pusvadītāju ierīču galveno veidu ierīce un darbības princips.
Pusvadītāju materiāli īpatnējās pretestības ziņā tie ieņem starpstāvokli starp vadītājiem un dielektriķiem.
Galvenie materiāli pusvadītāju ierīču ražošanai ir silīcijs (Si), silīcija karbīds (SiC), gallija un indija savienojumi.
Pusvadītāju vadītspēja atkarīgs no piemaisījumu klātbūtnes un ārējās enerģijas ietekmes (temperatūras, starojuma, spiediena utt.). Strāvas plūsmu izraisa divu veidu lādiņnesēji — elektroni un caurumi. Atkarībā no ķīmiskā sastāva izšķir tīros un piemaisījumus pusvadītājus.
Elektronisko ierīču ražošanai tiek izmantoti cietie pusvadītāji ar kristālisku struktūru.
Pusvadītāju ierīces ir ierīces, kuru darbības pamatā ir pusvadītāju materiālu īpašību izmantošana.
Pusvadītāju ierīču klasifikācija
Pamatojoties uz nepārtrauktiem pusvadītājiem, pusvadītāju rezistori:
Lineārais rezistors - pretestība ir nedaudz atkarīga no sprieguma un strāvas. Tas ir integrālo shēmu "elements".
Varistors - pretestība ir atkarīga no pielietotā sprieguma.
Termistors - pretestība ir atkarīga no temperatūras. Ir divi veidi: termistori (temperatūrai paaugstinoties, pretestība samazinās) un pozistori (paaugstinoties temperatūrai, pretestība palielinās).
Fotorezistors — pretestība ir atkarīga no apgaismojuma (starojuma). Deformators — pretestība ir atkarīga no mehāniskās deformācijas.
Lielākās daļas pusvadītāju ierīču darbības princips ir balstīts uz elektronu caurumu savienojuma p-n-pārejas īpašībām.
Pusvadītāju diodes
Tā ir pusvadītāju ierīce ar vienu p-n pāreju un diviem spailēm, kuras darbība balstās uz p-n savienojuma īpašībām.
P-n krustojuma galvenā īpašība ir vienvirziena vadītspēja - strāva plūst tikai vienā virzienā. Diodes parastajam grafiskajam apzīmējumam (UGO) ir bultiņas forma, kas norāda strāvas plūsmas virzienu caur ierīci.
Strukturāli diode sastāv no p-n savienojuma, kas ir ietverts korpusā (izņemot mikromoduļu atvērtos rāmjus) un diviem spailēm: no p-reģiona-anoda, no n-reģiona-katoda.
Šie. Diode ir pusvadītāju ierīce, kas vada strāvu tikai vienā virzienā - no anoda uz katodu.
Strāvas caur ierīci atkarību no pielietotā sprieguma sauc par strāvas-sprieguma raksturlīknes (VAC) ierīci I = f (U).Diodes vienpusēja vadītspēja ir redzama no tās I-V raksturlīknes (1. att.).
1. attēls. Diodes strāvas-sprieguma raksturlielums
Atkarībā no mērķa pusvadītāju diodes iedala taisngriežu, universālajās, impulsu, zenera diodēs un stabilizatoros, tuneļa un reversajās diodēs, gaismas diodēs un fotodiodēs.
Vienpusējā vadītspēja nosaka diodes rektifikācijas īpašības. Ar tiešu savienojumu («+» uz anodu un «-» uz katodu) diode ir atvērta un caur to plūst pietiekami liela priekšējā strāva. Reversā («-» uz anodu un «+» uz katodu) diode ir aizvērta, bet plūst neliela pretēja strāva.
Taisngriežu diodes ir paredzētas zemfrekvences maiņstrāvas (parasti mazāk nekā 50 kHz) pārvēršanai līdzstrāvā, t.i. piecelties. To galvenie parametri ir maksimāli pieļaujamā tiešā strāva Ipr max un maksimālais pieļaujamais reversais spriegums Uo6p max. Šos parametrus sauc par ierobežojošiem — to pārsniegšana var daļēji vai pilnībā atslēgt ierīci.
Lai palielinātu šos parametrus, tiek izgatavotas diožu kolonnas, mezgli, matricas, kas ir virknes paralēli, tilta vai citi p-n-pāreju savienojumi.
Universālās diodes izmanto strāvu iztaisnošanai plašā frekvenču diapazonā (līdz vairākiem simtiem megahercu). Šo diožu parametri ir tādi paši kā taisngriežu diodēm, tiek ievadīti tikai papildu: maksimālā darba frekvence (MHz) un diodes kapacitāte (pF).
Impulsu diodes ir paredzētas impulsu signāla pārveidošanai, tās izmanto ātrgaitas impulsu ķēdēs.Prasības šīm diodēm ir saistītas ar ierīces ātru reakcijas nodrošināšanu uz pievadītā sprieguma impulsa raksturu — īsu diodes pārejas laiku no slēgta stāvokļa atvērtā stāvoklī un otrādi.
Zenera diodes — tās ir pusvadītāju diodes, kuru sprieguma kritums ir maz atkarīgs no plūstošās strāvas. Tas kalpo, lai stabilizētu spriedzi.
Varikapi - darbības princips ir balstīts uz p-n-pārejas īpašību mainīt barjeras kapacitātes vērtību, kad uz tā mainās reversā sprieguma vērtība. Tos izmanto kā sprieguma kontrolētus mainīgus kondensatorus. Shēmās varikaps ir ieslēgts pretējā virzienā.
Gaismas diodes - tās ir pusvadītāju diodes, kuru darbības princips ir balstīts uz gaismas emisiju no p-n krustojuma, kad caur to iet līdzstrāva.
Fotodiodes - apgrieztā strāva ir atkarīga no p-n-pārejas apgaismojuma.
Šotkija diodes – balstītas uz metāla-pusvadītāju savienojumu, tāpēc tām ir ievērojami augstāks reakcijas ātrums nekā parastajām diodēm.
2. attēls — Diožu parastais grafiskais attēlojums
Plašāku informāciju par diodēm skatiet šeit:
Taisngrieža parametri un shēmas
Fotodiodes: ierīce, īpašības un darbības principi
Tranzistori
Tranzistors ir pusvadītāju ierīce, kas paredzēta elektrisko signālu pastiprināšanai, ģenerēšanai un konvertēšanai, kā arī elektrisko ķēžu pārslēgšanai.
Tranzistora atšķirīgā iezīme ir spēja pastiprināt spriegumu un strāvu - spriegumi un strāvas, kas darbojas tranzistora ieejā, izraisa ievērojami augstāku spriegumu un strāvu parādīšanos tā izejā.
Izplatoties digitālajai elektronikai un impulsu shēmām, tranzistora galvenā īpašība ir tā spēja būt atvērtā un slēgtā stāvoklī vadības signāla ietekmē.
Savu nosaukumu tranzistors ieguva no divu angļu valodas vārdu saīsinājuma tran (sfer) (re) sistor - vadāms rezistors. Šis nosaukums nav nejaušs, jo tranzistoram pievadītā ieejas sprieguma ietekmē pretestību starp tā izejas spailēm var regulēt ļoti plašā diapazonā.
Tranzistors ļauj regulēt strāvu ķēdē no nulles līdz maksimālajai vērtībai.
Tranzistoru klasifikācija:
— pēc darbības principa: lauks (vienpolārs), bipolārs, kombinēts.
— pēc izkliedētās jaudas vērtības: zema, vidēja un augsta.
— pēc ierobežojošās frekvences vērtības: zema, vidēja, augsta un īpaši augsta frekvence.
— pēc darba sprieguma vērtības: zems un augsts spriegums.
— pēc funkcionālā mērķa: universāls, pastiprinošs, atslēga utt.
-dizaina ziņā: ar atvērtu rāmi un kastes tipa versijā, ar stingriem un elastīgiem spailēm.
Atkarībā no veiktajām funkcijām tranzistori var darboties trīs režīmos:
1) Aktīvais režīms - izmanto elektrisko signālu pastiprināšanai analogajās ierīcēs.Tranzistora pretestība mainās no nulles uz maksimālo vērtību - viņi saka, ka tranzistors "atveras" vai "aizveras".
2) Piesātinājuma režīms — tranzistora pretestība tiecas uz nulli. Šajā gadījumā tranzistors ir līdzvērtīgs slēgtam releja kontaktam.
3) Atslēgšanas režīms — tranzistors ir slēgts un tam ir augsta pretestība, t.i. tas ir līdzvērtīgs atvērtam releja kontaktam.
Piesātinājuma un izslēgšanas režīmi tiek izmantoti digitālajās, impulsu un komutācijas shēmās.
Bipolārais tranzistors ir pusvadītāju ierīce ar diviem p-n savienojumiem un trim vadītājiem, kas nodrošina elektrisko signālu jaudas pastiprināšanu.
Bipolāros tranzistoros strāvu izraisa divu veidu lādiņu nesēju kustība: elektroni un caurumi, kas veido to nosaukumu.
Diagrammās ir atļauts attēlot tranzistorus gan aplī, gan bez tā (3. att.). Bultiņa parāda strāvas plūsmas virzienu tranzistorā.
3. attēls. Tranzistoru n-p-n (a) un p-n-p (b) parastais grafiskais apzīmējums
Tranzistora pamatā ir pusvadītāju plāksne, kurā tiek veidotas trīs sekcijas ar mainīgu vadītspējas veidu - elektronu un caurumu. Atkarībā no slāņu maiņas izšķir divus tranzistoru struktūras veidus: n-p-n (3. att., a) un p-n-p (3. att., b).
Izstarotājs (E) — slānis, kas ir lādiņu nesēju (elektronu vai caurumu) avots un rada strāvu uz ierīces;
Kolektors (K) — slānis, kas pieņem lādiņnesējus, kas nāk no emitētāja;
Bāze (B) - vidējais slānis, kas kontrolē tranzistora strāvu.
Kad tranzistors ir pievienots ķēdei, viens no tā elektrodiem tiek ievadīts (ieslēgts ieejas mainīgā signāla avots), otrs tiek izvadīts (slodze ir ieslēgta), trešais elektrods ir kopīgs ieejai un izvadei. Vairumā gadījumu tiek izmantota kopēja emitētāja ķēde (4. attēls). Pamatnei tiek pielikts ne vairāk kā 1 V spriegums, kolektoram vairāk par 1 V, piemēram, +5 V, +12 V, +24 V utt.
4. attēls. Kopējā emitētāja bipolārā tranzistora shēmas
Kolektora strāva rodas tikai tad, kad plūst bāzes strāva Ib (nosaka Ube).Jo vairāk Ib, jo vairāk Ik. Ib mēra mA vienībās, bet kolektora strāvu mēra desmitos un simtos mA, t.i. IbIk. Tāpēc, ja bāzei tiek pielietots mazs amplitūdas maiņstrāvas signāls, mazais Ib mainīsies un lielais Ic mainīsies proporcionāli tam. Kad ķēdē ir iekļauts slodzes pretestības kolektors, uz to tiks izplatīts signāls, atkārtojot ieejas formu, bet ar lielāku amplitūdu, t.i. pastiprināts signāls.
Maksimāli pieļaujamie tranzistoru parametri, pirmkārt, ietver: maksimālo pieļaujamo jaudu, kas izkliedēta uz kolektora Pk.max, spriegumu starp kolektoru un emitētāju Uke.max, kolektora strāvu Ik.max.
Lai palielinātu ierobežojošos parametrus, tiek ražoti tranzistoru komplekti, kuros vienā korpusā var būt līdz pat vairākiem simtiem paralēli savienotu tranzistoru.
Bipolāri tranzistori tagad tiek izmantoti arvien retāk, jo īpaši impulsu enerģijas tehnoloģijā. Tos aizstāj ar MOSFET un kombinētajiem IGBT, kam šajā elektronikas jomā ir neapstrīdamas priekšrocības.
Lauka efekta tranzistoros strāvu nosaka tikai vienas zīmes (elektronu vai caurumu) nesēju kustība. Atšķirībā no bipolāriem, tranzistora strāvu darbina elektriskais lauks, kas maina vadošā kanāla šķērsgriezumu.
Tā kā ievades ķēdē nav ieejas strāvas, šīs ķēdes jaudas patēriņš ir praktiski nulle, kas neapšaubāmi ir lauka efekta tranzistora priekšrocība.
Strukturāli tranzistors sastāv no n- vai p-tipa vadoša kanāla, kura galos atrodas apgabali: avots, kas izstaro lādiņnesējus un notekas, kas pieņem nesējus.Elektrodu, ko izmanto, lai regulētu kanāla šķērsgriezumu, sauc par vārtiem.
Lauka tranzistors ir pusvadītāju ierīce, kas regulē strāvu ķēdē, mainot vadošā kanāla šķērsgriezumu.
Ir lauka efekta tranzistori ar vārtiem pn pārejas formā un ar izolētiem vārtiem.
Lauka efekta tranzistoros ar izolētiem vārtiem starp pusvadītāju kanālu un metāla vārtiem ir izolācijas slānis no dielektriskiem - MIS tranzistori (metāls - dielektrisks - pusvadītājs), īpašs korpuss - silīcija oksīds - MOS tranzistori.
Iebūvēta kanāla MOS tranzistoram ir sākotnējā vadītspēja, kas, ja nav ieejas signāla (Uzi = 0), ir aptuveni puse no maksimālās. MOS tranzistoros ar inducētu kanālu pie sprieguma Uzi = 0 izejas strāvas nav, Ic = 0, jo sākotnēji nav vadoša kanāla.
MOSFET ar inducētu kanālu sauc arī par MOSFET. Tos galvenokārt izmanto kā galvenos elementus, piemēram, komutācijas barošanas avotos.
Galvenajiem elementiem, kuru pamatā ir MOS tranzistori, ir vairākas priekšrocības: signāla ķēde nav galvaniski savienota ar vadības darbības avotu, vadības ķēde nepatērē strāvu un tai ir abpusēja vadītspēja. Lauka efekta tranzistori, atšķirībā no bipolārajiem, nebaidās no pārkaršanas.
Plašāku informāciju par tranzistoriem skatiet šeit:
Tiristori
Tiristors ir pusvadītāju ierīce, kas darbojas divos līdzsvara stāvokļos - zemas vadītspējas (tiristors slēgts) un augstas vadītspējas (tiristors atvērts). Strukturāli tiristoram ir trīs vai vairāk p-n pārejas un trīs izejas.
Tiristora konstrukcijā papildus anodam un katodam tiek nodrošināta trešā izeja (elektrods), ko sauc par vadību.
Tiristors ir paredzēts elektrisko ķēžu bezkontakta ieslēgšanai (ieslēgšanai un izslēgšanai). Tiem raksturīgs liels ātrums un iespēja pārslēgt ļoti nozīmīgas strāvas (līdz 1000 A). Tos pamazām aizstāj ar komutācijas tranzistoriem.
5. attēls. Tradicionāls - tiristoru grafiskais apzīmējums
Dinistori (divu elektrodu) — tāpat kā parastajiem taisngriežiem, tiem ir anods un katods. Palielinoties tiešajam spriegumam pie noteiktas vērtības Ua = Uon, dinistors atveras.
Tiristori (SCR — trīs elektrodi) — ir ar papildu vadības elektrodu; Uin maina vadības strāva, kas plūst caur vadības elektrodu.
Lai tiristoru pārslēgtu uz slēgtu stāvokli, ir jāpieliek apgrieztais spriegums (- anodam, + katodam) vai jāsamazina tiešā strāva zem vērtības, ko sauc par Iudera turēšanas strāvu.
Bloķējošs tiristors - var pārslēgt uz slēgtu stāvokli, pieliekot apgrieztas polaritātes vadības impulsu.
Tiristori: darbības princips, dizains, veidi un iekļaušanas metodes
Triacs (simetriski tiristori) — vada strāvu abos virzienos.
Tiristori tiek izmantoti kā tuvuma slēdži un vadāmi taisngrieži automatizācijas ierīcēs un elektriskās strāvas pārveidotājos. Maiņstrāvas un impulsa strāvas ķēdēs ir iespējams mainīt tiristora atvērtā stāvokļa laiku un līdz ar to arī strāvas plūsmas laiku caur slodzi. Tas ļauj pielāgot slodzei sadalīto jaudu.