Halfgeleiderapparaten - Typen, overzicht en gebruik
De snelle ontwikkeling en uitbreiding van de toepassingsgebieden van elektronische apparaten is te danken aan de verbetering van de elementbasis waarop halfgeleiderapparaten zijn gebaseerd... Om de werkingsprocessen van elektronische apparaten te begrijpen, is het daarom noodzakelijk om te weten het apparaat en het werkingsprincipe van de belangrijkste soorten halfgeleiderapparaten.
Halfgeleider materialen in termen van hun specifieke weerstand nemen ze een tussenpositie in tussen geleiders en diëlektrica.
De belangrijkste materialen voor de fabricage van halfgeleidercomponenten zijn silicium (Si), siliciumcarbide (SiC), gallium- en indiumverbindingen.
Halfgeleider geleidbaarheid hangt af van de aanwezigheid van onzuiverheden en externe energie-invloeden (temperatuur, straling, druk, enz.). De stroom wordt veroorzaakt door twee soorten ladingsdragers: elektronen en gaten. Afhankelijk van de chemische samenstelling wordt onderscheid gemaakt tussen zuivere en onzuivere halfgeleiders.
Voor de productie van elektronische apparaten worden vaste halfgeleiders met een kristallijne structuur gebruikt.
Halfgeleiderapparaten zijn apparaten waarvan de werking is gebaseerd op het gebruik van de eigenschappen van halfgeleidermaterialen.
Classificatie van halfgeleiderapparaten
Gebaseerd op continue halfgeleiders, halfgeleiderweerstanden:
Lineaire weerstand - Weerstand is enigszins afhankelijk van spanning en stroom. Het is een "element" van geïntegreerde schakelingen.
Varistor - de weerstand is afhankelijk van de aangelegde spanning.
Thermistor - weerstand is afhankelijk van de temperatuur. Er zijn twee typen: thermistor (als de temperatuur stijgt, neemt de weerstand af) en posistors (als de temperatuur stijgt, neemt de weerstand toe).
Fotoresistor — de weerstand is afhankelijk van de verlichting (straling). Deformer - weerstand hangt af van mechanische vervorming.
Het werkingsprincipe van de meeste halfgeleiderapparaten is gebaseerd op de p-n-junctie-eigenschappen van de elektron-gatovergang.
Halfgeleider diodes
Het is een halfgeleiderapparaat met één pn-overgang en twee aansluitingen, waarvan de werking is gebaseerd op de eigenschappen van de pn-overgang.
De belangrijkste eigenschap van de pn-overgang is unidirectionele geleiding - de stroom stroomt slechts in één richting. De conventionele grafische aanduiding (UGO) van de diode heeft de vorm van een pijl, die de stroomrichting door het apparaat aangeeft.
Structureel bestaat de diode uit een pn-overgang ingesloten in een behuizing (met uitzondering van open frames van micromodules) en twee terminals: van de p-regio-anode, van de n-regio-kathode.
Deze. Een diode is een halfgeleiderapparaat dat stroom slechts in één richting geleidt: van de anode naar de kathode.
De afhankelijkheid van de stroom door het apparaat van de aangelegde spanning wordt het stroom-spanningskarakteristiek (VAC) apparaat I = f (U) genoemd.De eenzijdige geleiding van de diode blijkt uit de I-V-karakteristiek (afb. 1).
Figuur 1 — Diodestroom-spanningskarakteristiek
Afhankelijk van het doel worden halfgeleiderdiodes onderverdeeld in gelijkrichter, universeel, puls, zenerdiodes en stabilisatoren, tunnel- en sperdiodes, LED's en fotodiodes.
De eenzijdige geleiding bepaalt de gelijkrichteigenschappen van de diode. Bij directe aansluiting («+» op de anode en «-» op de kathode) is de diode open en vloeit er een voldoende grote doorlaatstroom doorheen. Omgekeerd («-» naar de anode en «+» naar de kathode), is de diode gesloten, maar er vloeit een kleine tegenstroom.
Gelijkrichterdiodes zijn ontworpen om laagfrequente wisselstroom (meestal minder dan 50 kHz) om te zetten in gelijkstroom, d.w.z. opstaan. Hun belangrijkste parameters zijn de maximaal toegestane doorlaatstroom Ipr max en de maximaal toegestane sperspanning Uo6p max. Deze parameters worden beperkend genoemd - als u ze overschrijdt, kan het apparaat gedeeltelijk of volledig worden uitgeschakeld.
Om deze parameters te vergroten, worden diodekolommen, knooppunten, matrices gemaakt, die serie-parallel, brug of andere verbindingen van pn-overgangen zijn.
Universele diodes worden gebruikt om stromen in een breed frequentiebereik (tot enkele honderden megahertz) te corrigeren. De parameters van deze diodes zijn dezelfde als die van de gelijkrichterdiodes, alleen worden er extra ingevoerd: de maximale werkfrequentie (MHz) en de diodecapaciteit (pF).
Pulsdioden zijn ontworpen voor pulssignaalomzetting, ze worden gebruikt in snelle pulscircuits.De vereisten voor deze diodes hebben betrekking op het waarborgen van een snelle reactie van het apparaat op de impulsaard van de geleverde spanning - een korte overgangstijd van de diode van de gesloten toestand naar de open toestand en vice versa.
Zenerdiodes - dit zijn halfgeleiderdiodes, waarvan de spanningsval weinig afhangt van de stroom die vloeit. Het dient om de spanning te stabiliseren.
Varikapi - het werkingsprincipe is gebaseerd op de eigenschap van de pn-overgang om de waarde van de barrièrecapaciteit te veranderen wanneer de waarde van de sperspanning erop verandert. Ze worden gebruikt als spanningsgestuurde variabele condensatoren. In de schema's zijn de varicaps in de tegenovergestelde richting ingeschakeld.
LED's - dit zijn halfgeleiderdiodes, waarvan het principe is gebaseerd op de emissie van licht van een pn-overgang wanneer er een gelijkstroom doorheen gaat.
Fotodiodes - de tegenstroom hangt af van de verlichting van de pn-overgang.
Schottky-diodes - gebaseerd op een metaal-halfgeleiderovergang, daarom hebben ze een aanzienlijk hogere respons dan conventionele diodes.
Figuur 2 — Conventionele grafische weergave van diodes
Zie hier voor meer informatie over diodes:
Parameters en schema's van de gelijkrichter
Fotodiodes: apparaat, kenmerken en werkingsprincipes
Transistoren
Een transistor is een halfgeleiderapparaat dat is ontworpen om elektrische signalen te versterken, te genereren en om te zetten, en om elektrische circuits te schakelen.
Een onderscheidend kenmerk van de transistor is het vermogen om spanning en stroom te versterken - spanningen en stromen die aan de ingang van de transistor werken, leiden tot het optreden van aanzienlijk hogere spanningen en stromen aan de uitgang.
Met de verspreiding van digitale elektronica en pulscircuits, is de belangrijkste eigenschap van de transistor het vermogen om onder invloed van een stuursignaal in de open en gesloten toestand te zijn.
De transistor dankt zijn naam aan de afkorting van twee Engelse woorden tran (sfer) (re) sistor - gestuurde weerstand. Deze naam is niet toevallig, omdat onder invloed van de ingangsspanning die op de transistor wordt toegepast, de weerstand tussen de uitgangsklemmen in een zeer breed bereik kan worden aangepast.
Met de transistor kunt u de stroom in het circuit aanpassen van nul tot de maximale waarde.
Classificatie van transistoren:
— volgens het werkingsprincipe: veld (unipolair), bipolair, gecombineerd.
— door de waarde van het gedissipeerde vermogen: laag, gemiddeld en hoog.
— door de waarde van de beperkende frequentie: lage, gemiddelde, hoge en ultrahoge frequentie.
— door de waarde van de bedrijfsspanning: laag- en hoogspanning.
— per functioneel doel: universeel, versterkend, sleutel, enz.
- qua design: met open frame en in kastuitvoering, met starre en flexibele terminals.
Afhankelijk van de uitgevoerde functies kunnen transistors in drie modi werken:
1) Actieve modus - gebruikt om elektrische signalen in analoge apparaten te versterken.De weerstand van de transistor verandert van nul naar de maximale waarde - ze zeggen dat de transistor "opent" of "sluit".
2) Verzadigingsmodus - de weerstand van de transistor neigt naar nul. In dit geval is de transistor gelijk aan een gesloten relaiscontact.
3) Uitschakelmodus — de transistor is gesloten en heeft een hoge weerstand, d.w.z. het komt overeen met een open relaiscontact.
De saturation- en cutoff-modi worden gebruikt in digitale, puls- en schakelcircuits.
Een bipolaire transistor is een halfgeleiderapparaat met twee pn-overgangen en drie geleiders die zorgen voor vermogensversterking van elektrische signalen.
In bipolaire transistors wordt de stroom veroorzaakt door de beweging van twee soorten ladingsdragers: elektronen en gaten, vandaar hun naam.
Op de diagrammen is het toegestaan transistors weer te geven, zowel in een cirkel als zonder (Fig. 3). De pijl geeft de stroomrichting in de transistor aan.
Figuur 3 - Conventioneel-grafische notatie van transistoren npn (a) en pnp (b)
De basis van de transistor is een halfgeleiderplaat, waarin drie secties met een variabel type geleidbaarheid - elektron en gat - zijn gevormd. Afhankelijk van de afwisseling van de lagen worden twee soorten transistorstructuren onderscheiden: n-p-n (Fig. 3, a) en p-n-p (Fig. 3, b).
Emitter (E) — een laag die een bron is van ladingsdragers (elektronen of gaten) en een stroom creëert op het apparaat;
Collector (K) - een laag die ladingsdragers accepteert die van de zender komen;
Basis (B) — de middelste laag die de stroom van de transistor regelt.
Wanneer de transistor op het circuit is aangesloten, wordt een van de elektroden ingevoerd (de bron van het ingangswisselsignaal is ingeschakeld), de andere wordt uitgevoerd (de belasting is ingeschakeld), de derde elektrode is gemeenschappelijk voor de invoer en uitvoer. In de meeste gevallen wordt een gemeenschappelijk emittercircuit gebruikt (Afbeelding 4). Op de basis staat een spanning van niet meer dan 1 V, op de collector meer dan 1 V, bijvoorbeeld +5 V, +12 V, +24 V, enz.
Figuur 4 — Schakelschema's van een bipolaire transistor met gemeenschappelijke emitter
De collectorstroom treedt alleen op als de basisstroom Ib (bepaald door Ube) vloeit.Hoe meer Ib, hoe meer Ik. Ib wordt gemeten in eenheden van mA en de collectorstroom wordt gemeten in tientallen en honderden mA, d.w.z. IbIk. Daarom, wanneer een AC-signaal met kleine amplitude op de basis wordt aangelegd, zal de kleine Ib veranderen en zal de grote Ic evenredig daarmee veranderen. Wanneer een belastingsweerstandcollector in het circuit is opgenomen, zal er een signaal naar toe worden gedistribueerd, waarbij de vorm van de ingang wordt herhaald, maar met een grotere amplitude, d.w.z. versterkt signaal.
De maximaal toelaatbare parameters van de transistoren omvatten ten eerste: het maximaal toelaatbare vermogen gedissipeerd op de collector Pk.max, de spanning tussen de collector en de emitter Uke.max, de collectorstroom Ik.max.
Om de beperkende parameters te vergroten, worden transistorassemblages geproduceerd, die kunnen oplopen tot enkele honderden parallel geschakelde transistors die in een enkele behuizing zijn ingesloten.
Bipolaire transistors worden nu steeds minder gebruikt, vooral in de gepulseerde vermogenstechnologie. Ze worden vervangen door MOSFET's en gecombineerde IGBT's, die onbetwistbare voordelen hebben op dit gebied van elektronica.
In veldeffecttransistors wordt de stroom bepaald door de beweging van dragers van slechts één teken (elektronen of gaten). In tegenstelling tot bipolair wordt transistorstroom aangedreven door een elektrisch veld dat de dwarsdoorsnede van het geleidende kanaal verandert.
Aangezien er geen ingangsstroom in het ingangscircuit zit, is het stroomverbruik van dit circuit praktisch nul, wat ongetwijfeld een voordeel is van de veldeffecttransistor.
Structureel bestaat een transistor uit een geleidend kanaal van het n- of p-type, met aan de uiteinden gebieden: een source die ladingsdragers uitzendt en een drain die dragers accepteert.De elektrode die wordt gebruikt om de dwarsdoorsnede van het kanaal aan te passen, wordt de poort genoemd.
Een veldeffecttransistor is een halfgeleiderapparaat dat de stroom in een circuit regelt door de dwarsdoorsnede van het geleidende kanaal te veranderen.
Er zijn veldeffecttransistors met een poort in de vorm van een pn-overgang en met een geïsoleerde poort.
In veldeffecttransistors met een geïsoleerde poort tussen het halfgeleiderkanaal en de metalen poort bevindt zich een isolerende laag van diëlektrische - MIS-transistors (metaal - diëlektrisch - halfgeleider), een speciaal geval - siliciumoxide - MOS-transistors.
Een ingebouwde kanaal-MOS-transistor heeft een begingeleiding die bij afwezigheid van een ingangssignaal (Uzi = 0) ongeveer de helft van het maximum is. In MOS-transistors met een geïnduceerd kanaal bij een spanning Uzi = 0 is de uitgangsstroom afwezig, Ic = 0, omdat er aanvankelijk geen geleidend kanaal is.
MOSFET's met een geïnduceerd kanaal worden ook wel MOSFET's genoemd. Ze worden voornamelijk gebruikt als sleutelelementen, bijvoorbeeld bij schakelende voedingen.
De sleutelelementen op basis van MOS-transistors hebben een aantal voordelen: het signaalcircuit is niet galvanisch verbonden met de bron van de besturingsactie, het besturingscircuit verbruikt geen stroom en heeft een dubbelzijdige geleidbaarheid. Veldeffecttransistors zijn, in tegenstelling tot bipolaire, niet bang voor oververhitting.
Zie hier voor meer informatie over transistors:
Thyristoren
Een thyristor is een halfgeleiderapparaat dat in twee stabiele toestanden werkt: lage geleiding (thyristor gesloten) en hoge geleiding (thyristor open). Structureel heeft een thyristor drie of meer pn-overgangen en drie uitgangen.
Naast de anode en kathode is er een derde uitgang (elektrode) voorzien in het ontwerp van de thyristor, die de besturing wordt genoemd.
De thyristor is ontworpen voor contactloos schakelen (aan en uit) van elektrische circuits. Ze worden gekenmerkt door hoge snelheid en het vermogen om stromen van een zeer significante omvang (tot 1000 A) te schakelen. Ze worden langzamerhand vervangen door schakelende transistoren.
Figuur 5 - Conventioneel - grafische aanduiding van thyristors
Dynistors (twee-elektrode) - net als conventionele gelijkrichters hebben ze een anode en een kathode. Naarmate de doorlaatspanning toeneemt bij een bepaalde waarde Ua = Uon, gaat de dinistor open.
Thyristors (SCR's - drie-elektrode) - hebben een extra stuurelektrode; Uin wordt gewijzigd door de stuurstroom die door de stuurelektrode vloeit.
Om de thyristor in de gesloten toestand te brengen, is het nodig om een sperspanning aan te leggen (- op de anode, + op de kathode) of de voorwaartse stroom te verlagen tot onder een waarde die de Iuder-houdstroom wordt genoemd.
Vergrendelende thyristor - kan in de gesloten toestand worden geschakeld door een stuurpuls met omgekeerde polariteit toe te passen.
Thyristors: werkingsprincipe, ontwerp, soorten en methoden van opname
Triacs (symmetrische thyristors) - geleidende stroom in beide richtingen.
Thyristors worden gebruikt als naderingsschakelaars en regelbare gelijkrichters in automatiseringsapparaten en elektrische stroomomvormers. In wisselstroom- en pulsstroomcircuits is het mogelijk om de tijd van de open toestand van de thyristor te veranderen, en daarmee de tijd van de stroom die door de belasting vloeit. Hiermee kunt u het vermogen dat wordt verdeeld over de belasting aanpassen.