Mga Semiconductor Device - Mga Uri, Pangkalahatang-ideya at Paggamit
Ang mabilis na pag-unlad at pagpapalawak ng mga larangan ng aplikasyon ng mga elektronikong aparato ay dahil sa pagpapabuti ng base ng elemento kung saan nakabatay ang mga aparatong semiconductor... Samakatuwid, upang maunawaan ang mga proseso ng paggana ng mga elektronikong aparato, kinakailangang malaman ang aparato at ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng mga pangunahing uri ng mga aparatong semiconductor.
Mga materyales sa semiconductor sa mga tuntunin ng kanilang tiyak na pagtutol, sila ay sumasakop sa isang intermediate na posisyon sa pagitan ng mga conductor at dielectrics.
Ang mga pangunahing materyales para sa paggawa ng mga aparatong semiconductor ay silicon (Si), silicon carbide (SiC), gallium at indium compound.
Semiconductor conductivity depende sa pagkakaroon ng mga impurities at panlabas na impluwensya ng enerhiya (temperatura, radiation, presyon, atbp.). Ang kasalukuyang daloy ay sanhi ng dalawang uri ng mga tagadala ng singil - mga electron at butas. Depende sa komposisyon ng kemikal, ang isang pagkakaiba ay ginawa sa pagitan ng dalisay at karumihang semiconductors.
Para sa paggawa ng mga elektronikong aparato, ginagamit ang mga solidong semiconductor na may isang mala-kristal na istraktura.
Ang mga aparatong semiconductor ay mga aparato na ang operasyon ay batay sa paggamit ng mga katangian ng mga materyales ng semiconductor.
Pag-uuri ng mga aparatong semiconductor
Batay sa tuluy-tuloy na semiconductors, semiconductor resistors:
Linear Resistor - Ang paglaban ay bahagyang nakasalalay sa boltahe at kasalukuyang. Ito ay isang "elemento" ng mga integrated circuit.
Varistor - ang paglaban ay nakasalalay sa inilapat na boltahe.
Thermistor - ang paglaban ay depende sa temperatura. Mayroong dalawang uri: thermistor (habang tumataas ang temperatura, bumababa ang resistensya) at posistor (habang tumataas ang temperatura, tumataas ang resistensya).
Photoresistor — ang paglaban ay nakasalalay sa pag-iilaw (radiation). Deformer - ang paglaban ay nakasalalay sa mekanikal na pagpapapangit.
Ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng karamihan sa mga aparatong semiconductor ay batay sa mga katangian ng electron-hole junction p-n-junction.
Semiconductor diodes
Ito ay isang aparatong semiconductor na may isang p-n junction at dalawang terminal, ang pagpapatakbo nito ay batay sa mga katangian ng p-n junction.
Ang pangunahing pag-aari ng p-n junction ay unidirectional conduction - ang kasalukuyang dumadaloy sa isang direksyon lamang. Ang conventional graphic designation (UGO) ng diode ay may anyo ng isang arrow, na nagpapahiwatig ng direksyon ng kasalukuyang daloy sa pamamagitan ng device.
Sa istruktura, ang diode ay binubuo ng isang p-n junction na nakapaloob sa isang case (maliban sa micromodule open frames) at dalawang terminal: mula sa p-region-anode, mula sa n-region-cathode.
Ang mga ito. Ang diode ay isang semiconductor device na nagsasagawa ng kasalukuyang sa isang direksyon lamang—mula sa anode hanggang sa cathode.
Ang pag-asa ng kasalukuyang sa pamamagitan ng aparato sa inilapat na boltahe ay tinatawag na kasalukuyang-boltahe na katangian (VAC) na aparato I = f (U).Ang solong-panig na pagpapadaloy ng diode ay maliwanag mula sa katangian nitong I-V (Larawan 1).
Figure 1 — Katangian ng kasalukuyang-boltahe ng diode
Depende sa layunin, ang mga semiconductor diodes ay nahahati sa rectifier, universal, pulse, zener diodes at stabilizer, tunnel at reverse diodes, LEDs at photodiodes.
Tinutukoy ng one-sided conduction ang mga katangian ng pagwawasto ng diode. Sa direktang koneksyon («+» sa anode at «-» sa cathode) ang diode ay bukas at isang sapat na malaking pasulong na kasalukuyang dumadaloy dito. Sa reverse («-» sa anode at «+» sa cathode), ang diode ay sarado, ngunit isang maliit na reverse current ang dumadaloy.
Ang mga rectifier diode ay idinisenyo upang i-convert ang low-frequency na alternating current (karaniwan ay mas mababa sa 50 kHz) sa direktang kasalukuyang, i.e. para tumayo. Ang kanilang mga pangunahing parameter ay ang maximum na pinapayagang forward current Ipr max at ang maximum na pinapayagang reverse voltage Uo6p max. Ang mga parameter na ito ay tinatawag na paglilimita — ang paglampas sa mga ito ay maaaring bahagyang o ganap na hindi paganahin ang device.
Upang madagdagan ang mga parameter na ito, ang mga haligi ng diode, node, matrice ay ginawa, na mga serye-parallel, tulay o iba pang mga koneksyon ng p-n-junctions.
Ang mga unibersal na diode ay ginagamit upang itama ang mga alon sa isang malawak na hanay ng dalas (hanggang sa ilang daang megahertz). Ang mga parameter ng mga diode na ito ay pareho sa mga diode ng rectifier, ang mga karagdagang lamang ang ipinasok: ang maximum na dalas ng pagpapatakbo (MHz) at ang kapasidad ng diode (pF).
Ang mga diode ng pulso ay idinisenyo para sa conversion ng signal ng pulso, ginagamit ang mga ito sa mga high-speed pulse circuit.Ang mga kinakailangan para sa mga diode na ito ay nauugnay sa pagtiyak ng isang mabilis na pagtugon ng aparato sa likas na salpok ng ibinigay na boltahe - isang maikling oras ng paglipat ng diode mula sa saradong estado patungo sa bukas na estado at kabaliktaran.
Zener diodes — ito ay mga semiconductor diode, ang pagbaba ng boltahe sa kabuuan na kung saan ay bahagyang nakasalalay sa kasalukuyang dumadaloy. Nagsisilbi itong patatagin ang tensyon.
Varikapi - ang prinsipyo ng operasyon ay batay sa pag-aari ng p-n-junction upang baguhin ang halaga ng kapasidad ng hadlang kapag ang halaga ng reverse boltahe ay nagbabago dito. Ginagamit ang mga ito bilang mga variable na capacitor na kinokontrol ng boltahe. Sa mga scheme, ang mga varicap ay naka-on sa kabaligtaran na direksyon.
LEDs - ito ay semiconductor diodes, ang prinsipyo nito ay batay sa paglabas ng liwanag mula sa isang p-n junction kapag ang isang direktang kasalukuyang dumadaan dito.
Photodiodes - ang reverse current ay nakasalalay sa pag-iilaw ng p-n-junction.
Schottky diodes - batay sa isang metal-semiconductor junction, kung kaya't mayroon silang mas mataas na rate ng pagtugon kaysa sa mga maginoo na diode.
Figure 2 - Maginoo graphical na representasyon ng mga diode
Para sa karagdagang impormasyon sa mga diode tingnan dito:
Mga parameter at scheme ng rectifier
Photodiodes: aparato, mga katangian at mga prinsipyo ng pagpapatakbo
Mga transistor
Ang transistor ay isang semiconductor device na idinisenyo upang palakasin, bumuo, at i-convert ang mga electrical signal, pati na rin ang paglipat ng mga electrical circuit.
Ang isang natatanging tampok ng transistor ay ang kakayahang palakasin ang boltahe at kasalukuyang - ang mga boltahe at alon na kumikilos sa input ng transistor ay humahantong sa hitsura ng mas mataas na boltahe at alon sa output nito.
Sa pagkalat ng mga digital electronics at pulse circuit, ang pangunahing pag-aari ng transistor ay ang kakayahang maging bukas at sarado na estado sa ilalim ng impluwensya ng isang control signal.
Nakuha ng transistor ang pangalan nito mula sa pagdadaglat ng dalawang salitang Ingles na tran (sfer) (re) sistor - kinokontrol na risistor. Ang pangalan na ito ay hindi sinasadya, dahil sa ilalim ng pagkilos ng input boltahe na inilapat sa transistor, ang paglaban sa pagitan ng mga terminal ng output nito ay maaaring iakma sa isang napakalawak na hanay.
Pinapayagan ka ng transistor na ayusin ang kasalukuyang sa circuit mula sa zero hanggang sa pinakamataas na halaga.
Pag-uuri ng mga transistor:
— ayon sa prinsipyo ng pagkilos: field (unipolar), bipolar, pinagsama.
— sa pamamagitan ng halaga ng dissipated power: mababa, katamtaman at mataas.
— sa pamamagitan ng halaga ng naglilimita sa dalas: mababa, katamtaman, mataas at napakataas na dalas.
— ayon sa halaga ng operating boltahe: mababa at mataas na boltahe.
— sa pamamagitan ng functional na layunin: unibersal, reinforcing, key, atbp.
-sa mga tuntunin ng disenyo: na may bukas na frame at sa isang box-type na bersyon, na may matibay at nababaluktot na mga terminal.
Depende sa mga pag-andar na isinagawa, ang mga transistor ay maaaring gumana sa tatlong mga mode:
1) Active mode - ginagamit upang palakasin ang mga de-koryenteng signal sa mga analog na aparato. Ang paglaban ng transistor ay nagbabago mula sa zero hanggang sa pinakamataas na halaga - sinasabi nila na ang transistor ay "magbubukas" o "magsasara".
2) Saturation mode — ang resistensya ng transistor ay nagiging zero. Sa kasong ito, ang transistor ay katumbas ng isang closed relay contact.
3) Cut-off mode — ang transistor ay sarado at may mataas na resistensya, i.e. ito ay katumbas ng isang bukas na relay contact.
Ang saturation at cutoff mode ay ginagamit sa digital, pulse, at switching circuits.
Ang bipolar transistor ay isang semiconductor device na may dalawang p-n junction at tatlong conductor na nagbibigay ng power amplification ng mga electrical signal.
Sa bipolar transistors, ang kasalukuyang ay sanhi ng paggalaw ng mga carrier ng singil ng dalawang uri: mga electron at mga butas, na tumutukoy sa kanilang pangalan.
Sa mga diagram, pinapayagan na ilarawan ang mga transistor, kapwa sa isang bilog at wala ito (Larawan 3). Ipinapakita ng arrow ang direksyon ng kasalukuyang daloy sa transistor.
Figure 3 - Conventional-graphic notation ng mga transistors n-p-n (a) at p-n-p (b)
Ang batayan ng transistor ay isang semiconductor plate, kung saan nabuo ang tatlong mga seksyon na may variable na uri ng conductivity - electron at hole. Depende sa kahalili ng mga layer, dalawang uri ng istraktura ng transistor ay nakikilala: n-p-n (Larawan 3, a) at p-n-p (Larawan 3, b).
Emitter (E) — isang layer na pinagmumulan ng mga carrier ng singil (mga electron o butas) at lumilikha ng kasalukuyang sa device;
Collector (K) — isang layer na tumatanggap ng mga charge carrier na nagmumula sa emitter;
Base (B) - ang gitnang layer na kumokontrol sa kasalukuyang ng transistor.
Kapag ang transistor ay konektado sa circuit, ang isa sa mga electrodes nito ay input (ang pinagmulan ng input alternating signal ay naka-on), ang isa ay output (ang load ay naka-on), ang ikatlong elektrod ay karaniwan sa input at output. Sa karamihan ng mga kaso, isang karaniwang emitter circuit ang ginagamit (Figure 4). Ang isang boltahe na hindi hihigit sa 1 V ay inilalapat sa base, higit sa 1 V sa kolektor, halimbawa +5 V, +12 V, +24 V, atbp.
Figure 4 — Mga circuit diagram ng isang karaniwang emitter bipolar transistor
Ang collector current ay nangyayari lamang kapag ang base current na Ib (tinukoy ng Ube) ay dumadaloy.Ang daming Ib, ang daming Ik. Ang Ib ay sinusukat sa mga yunit ng mA, at ang kasalukuyang kolektor ay sinusukat sa sampu at daan-daang mA, i.e. IbIk. Samakatuwid, kapag ang isang maliit na amplitude AC signal ay inilapat sa base, ang maliit na Ib ay magbabago at ang malaking Ic ay magbabago sa proporsyon dito. Kapag ang isang load resistance collector ay kasama sa circuit, ang isang signal ay ipamahagi dito, na inuulit ang hugis ng input, ngunit may mas malaking amplitude, i.e. pinalakas na signal.
Ang pinakamataas na pinahihintulutang mga parameter ng mga transistor ay kinabibilangan, una sa lahat: ang pinakamataas na pinahihintulutang kapangyarihan na nawala sa kolektor Pk.max, ang boltahe sa pagitan ng kolektor at ng emitter na Uke.max, ang kasalukuyang kolektor na Ik.max.
Upang madagdagan ang paglilimita ng mga parameter, ang mga transistor assemblies ay ginawa, na maaaring bilang ng hanggang sa ilang daang parallel-connected transistors na nakapaloob sa isang solong pabahay.
Ang mga bipolar transistor ay ginagamit na ngayon nang mas kaunti, lalo na sa pulsed power technology. Ang mga ito ay pinalitan ng mga MOSFET at pinagsamang IGBT, na may hindi mapag-aalinlanganang mga pakinabang sa larangang ito ng electronics.
Sa field-effect transistors, ang kasalukuyang ay tinutukoy ng paggalaw ng mga carrier ng isang sign lamang (mga electron o butas). Hindi tulad ng bipolar, ang kasalukuyang transistor ay hinihimok ng isang electric field na nagbabago sa cross-section ng conducting channel.
Dahil walang input current sa input circuit, ang konsumo ng kuryente ng circuit na ito ay halos zero, na walang alinlangan na bentahe ng field-effect transistor.
Sa istruktura, ang isang transistor ay binubuo ng isang n- o p-type na conducting channel, sa mga dulo kung saan mayroong mga rehiyon: isang mapagkukunan na naglalabas ng mga carrier ng singil at isang drain na tumatanggap ng mga carrier.Ang elektrod na ginamit upang ayusin ang cross-section ng channel ay tinatawag na gate.
Ang field-effect transistor ay isang semiconductor device na kinokontrol ang kasalukuyang sa isang circuit sa pamamagitan ng pagbabago ng cross-section ng conducting channel.
May mga field-effect transistors na may gate sa anyo ng pn junction at may nakahiwalay na gate.
Sa field-effect transistors na may insulated gate sa pagitan ng semiconductor channel at ng metal gate mayroong isang insulating layer ng dielectric - MIS transistors (metal - dielectric - semiconductor), isang espesyal na kaso - silicon oxide - MOS transistors.
Ang isang built-in na channel na MOS transistor ay may paunang conductance na, sa kawalan ng input signal (Uzi = 0), ay humigit-kumulang kalahati ng maximum. Sa MOS transistors na may sapilitan channel sa isang boltahe Uzi = 0, ang output kasalukuyang ay absent, Ic = 0, dahil sa una ay walang conducting channel.
Ang mga MOSFET na may sapilitan na channel ay tinatawag ding mga MOSFET. Pangunahing ginagamit ang mga ito bilang mga pangunahing elemento, halimbawa sa pagpapalit ng mga suplay ng kuryente.
Ang mga pangunahing elemento batay sa MOS transistors ay may isang bilang ng mga pakinabang: ang signal circuit ay hindi galvanically konektado sa pinagmulan ng control action, ang control circuit ay hindi kumonsumo ng kasalukuyang at may double-sided conductivity. Ang mga field-effect transistors, hindi katulad ng mga bipolar, ay hindi natatakot sa sobrang init.
Para sa karagdagang impormasyon sa mga transistor, tingnan dito:
Mga thyristor
Ang thyristor ay isang semiconductor device na tumatakbo sa dalawang steady states — low conduction (thyristor closed) at high conduction (thyristor open). Sa istruktura, ang isang thyristor ay may tatlo o higit pang p-n junction at tatlong output.
Bilang karagdagan sa anode at cathode, ang isang ikatlong output (electrode) ay ibinibigay sa disenyo ng thyristor, na tinatawag na control.
Ang thyristor ay dinisenyo para sa non-contact switching (on at off) ng mga electrical circuit. Ang mga ito ay nailalarawan sa pamamagitan ng mataas na bilis at ang kakayahang lumipat ng mga alon ng isang napakalaking magnitude (hanggang sa 1000 A). Ang mga ito ay unti-unting pinapalitan ng paglipat ng mga transistor.
Figure 5 - Conventional - graphical na pagtatalaga ng thyristors
Dynistors (two-electrode) — tulad ng conventional rectifiers, mayroon silang anode at cathode. Habang tumataas ang pasulong na boltahe sa isang tiyak na halaga Ua = Uon, bubukas ang dinistor.
Thyristors (SCRs — three-electrode) — ay may karagdagang control electrode; Ang Uin ay binago ng control current na dumadaloy sa control electrode.
Upang ilipat ang thyristor sa saradong estado, kinakailangan na mag-aplay ng reverse boltahe (- sa anode, + sa cathode) o bawasan ang pasulong na kasalukuyang sa ibaba ng isang halaga na tinatawag na Iuder holding current.
Pag-lock ng thyristor - maaaring ilipat sa saradong estado sa pamamagitan ng paglalapat ng control pulse ng reverse polarity.
Thyristors: prinsipyo ng pagpapatakbo, disenyo, mga uri at pamamaraan ng pagsasama
Triacs (symmetric thyristors) — nagsasagawa ng kasalukuyang sa parehong direksyon.
Ginagamit ang mga thyristor bilang proximity switch at nakokontrol na rectifier sa mga automation device at electrical current converter. Sa alternating at pulsed current circuits, posible na baguhin ang oras ng bukas na estado ng thyristor, at samakatuwid ang oras ng kasalukuyang daloy sa pamamagitan ng load. Ito ay nagpapahintulot sa iyo na ayusin ang kapangyarihan na ibinahagi sa pagkarga.