Pooljuhtseadmed – tüübid, ülevaade ja kasutusalad
Elektroonikaseadmete rakendusvaldkondade kiire areng ja laienemine on tingitud pooljuhtseadmete baasil oleva elemendibaasi paranemisest... Seetõttu on elektroonikaseadmete toimimisprotsesside mõistmiseks vaja teada peamiste pooljuhtseadmete tüüpide seade ja tööpõhimõte.
Pooljuhtmaterjalid oma eritakistuse poolest asuvad nad vahepealsel positsioonil juhtide ja dielektrikute vahel.
Peamised materjalid pooljuhtseadmete valmistamiseks on räni (Si), ränikarbiid (SiC), galliumi ja indiumi ühendid.
Pooljuhtide juhtivus sõltub lisandite olemasolust ja välistest energiamõjudest (temperatuur, kiirgus, rõhk jne). Vooluvoolu põhjustavad kahte tüüpi laengukandjad — elektronid ja augud. Sõltuvalt keemilisest koostisest eristatakse puhtaid ja lisanditega pooljuhte.
Elektroonikaseadmete tootmiseks kasutatakse kristalse struktuuriga tahkeid pooljuhte.
Pooljuhtseadmed on seadmed, mille töö põhineb pooljuhtmaterjalide omaduste kasutamisel.
Pooljuhtseadmete klassifikatsioon
Põhineb pidevatel pooljuhtidel, pooljuhttakistitel:
Lineaarne takisti – takistus sõltub veidi pingest ja voolust. See on integraallülituste "element".
Varistor - takistus sõltub rakendatud pingest.
Termistor - takistus sõltub temperatuurist. Neid on kahte tüüpi: termistor (temperatuuri tõustes takistus väheneb) ja posistor (temperatuuri tõustes takistus suureneb).
Fototakisti — takistus sõltub valgustusest (kiirgusest). Deformaator — vastupidavus sõltub mehaanilisest deformatsioonist.
Enamiku pooljuhtseadmete tööpõhimõte põhineb elektron-augusiirde p-n-siirde omadustel.
Pooljuhtdioodid
Tegemist on ühe p-n-siirde ja kahe klemmiga pooljuhtseadmega, mille töö põhineb p-n-siirde omadustel.
P-n-siirde peamine omadus on ühesuunaline juhtivus – vool liigub ainult ühes suunas. Dioodi tavapärane graafiline tähis (UGO) on noolekujuline, mis näitab seadme kaudu voolava voolu suunda.
Struktuurselt koosneb diood korpusesse suletud p-n-siirdest (välja arvatud mikromooduli avatud raamid) ja kahest klemmist: p-piirkonna anoodilt, n-piirkonna katoodilt.
Need. Diood on pooljuhtseade, mis juhib voolu ainult ühes suunas - anoodist katoodini.
Seadet läbiva voolu sõltuvust rakendatavast pingest nimetatakse voolu-pinge karakteristiku (VAC) seadmeks I = f (U).Dioodi ühepoolne juhtivus ilmneb selle I-V karakteristikust (joonis 1).
Joonis 1 – Dioodi voolu-pinge karakteristikud
Pooljuhtdioodid jagunevad olenevalt otstarbest alaldi-, universaal-, impulss-, zeneri- ja stabilisaatoriteks, tunnel- ja pöörddioodideks, LED-deks ja fotodioodideks.
Ühepoolne juhtivus määrab dioodi alaldusomadused. Otseses ühenduses («+» anoodile ja «-» katoodile) on diood avatud ja seda läbib piisavalt suur pärivool. Tagurpidi («-» anoodile ja «+» katoodile) on diood suletud, kuid voolab väike vastupidine vool.
Alaldi dioodid on ette nähtud madala sagedusega vahelduvvoolu (tavaliselt alla 50 kHz) muutmiseks alalisvooluks, s.o. püsti seisma. Nende peamised parameetrid on maksimaalne lubatud pärivool Ipr max ja maksimaalne lubatud tagasivoolupinge Uo6p max. Neid parameetreid nimetatakse piiravateks – nende ületamine võib seadme osaliselt või täielikult välja lülitada.
Nende parameetrite suurendamiseks tehakse dioodisambad, sõlmed, maatriksid, mis on jada-paralleel-, sild- või muud p-n-siirde ühendused.
Universaalseid dioode kasutatakse voolude alaldamiseks laias sagedusvahemikus (kuni mitusada megahertsi). Nende dioodide parameetrid on samad, mis alaldi dioodidel, sisestatakse ainult täiendavad: maksimaalne töösagedus (MHz) ja dioodi mahtuvus (pF).
Impulssdioodid on mõeldud impulsssignaali muundamiseks, neid kasutatakse kiiretes impulssahelates.Nendele dioodidele esitatavad nõuded on seotud seadme kiire reageerimise tagamisega toitepinge impulssloomusele — dioodi lühikese üleminekuajaga suletud olekust avatud olekusse ja vastupidi.
Zenerdioodid — need on pooljuhtdioodid, mille pingelangus sõltub voolavast voolust vähe. See aitab pinget stabiliseerida.
Varikapi - tööpõhimõte põhineb p-n-siirde omadusel muuta barjääri mahtuvuse väärtust, kui sellel muutub pöördpinge väärtus. Neid kasutatakse pingega juhitavate muutuva kondensaatoritena. Skeemides on varikapslid sisse lülitatud vastupidises suunas.
LED-id - need on pooljuhtdioodid, mille põhimõte põhineb p-n-siirde valguse emissioonil, kui seda läbib alalisvool.
Fotodioodid - pöördvool sõltub p-n-siirde valgustusest.
Schottky dioodid - põhinevad metall-pooljuht ristmikul, mistõttu on neil oluliselt suurem reageerimissagedus kui tavalistel dioodidel.
Joonis 2 – Dioodide tavapärane graafiline esitus
Lisateavet dioodide kohta leiate siit:
Fotodioodid: seade, omadused ja tööpõhimõtted
Transistorid
Transistor on pooljuhtseade, mis on ette nähtud elektriliste signaalide võimendamiseks, genereerimiseks ja teisendamiseks, samuti elektriahelate vahetamiseks.
Transistori eripäraks on võime võimendada pinget ja voolu - transistori sisendis toimivad pinged ja voolud põhjustavad selle väljundis oluliselt kõrgemaid pingeid ja voolusid.
Digitaalse elektroonika ja impulssahelate levikuga on transistori peamiseks omaduseks võime olla juhtsignaali mõjul avatud ja suletud olekus.
Transistor sai oma nime kahe ingliskeelse sõna transistor (sfer) (re) lühendist – juhitav takisti. See nimi pole juhuslik, sest transistorile rakendatava sisendpinge toimel saab selle väljundklemmide vahelist takistust reguleerida väga laias vahemikus.
Transistor võimaldab reguleerida voolu vooluahelas nullist maksimaalse väärtuseni.
Transistoride klassifikatsioon:
— vastavalt toimepõhimõttele: väli (unipolaarne), bipolaarne, kombineeritud.
— hajutatud võimsuse väärtuse järgi: madal, keskmine ja kõrge.
— piirsageduse väärtuse järgi: madal, keskmine, kõrge ja ülikõrge sagedus.
— tööpinge väärtuse järgi: madal- ja kõrgepinge.
— funktsionaalse eesmärgi järgi: universaalne, tugevdav, võtmega jne.
-disaini poolest: lahtise raamiga ja karbikujulises versioonis, jäikade ja painduvate klemmidega.
Sõltuvalt teostatavatest funktsioonidest võivad transistorid töötada kolmes režiimis:
1) Aktiivne režiim - kasutatakse analoogseadmetes elektriliste signaalide võimendamiseks.Transistori takistus muutub nullist maksimaalse väärtuseni - nad ütlevad, et transistor "avaneb" või "sulgub".
2) Küllastusrežiim — transistori takistus kipub nulli. Sel juhul on transistor samaväärne suletud releekontaktiga.
3) Katkestusrežiim — transistor on suletud ja suure takistusega, s.t. see on samaväärne avatud releekontaktiga.
Küllastus- ja väljalülitusrežiime kasutatakse digitaal-, impulss- ja lülitusahelates.
Bipolaarne transistor on kahe p-n-siirde ja kolme juhiga pooljuhtseade, mis tagavad elektriliste signaalide võimsuse võimenduse.
Bipolaarsetes transistorides põhjustab voolu kahte tüüpi laengukandjate liikumine: elektronid ja augud, mis annab nende nime.
Diagrammidel on lubatud kujutada transistore nii ringikujuliselt kui ka ilma selleta (joonis 3). Nool näitab voolu suunda transistoris.
Joonis 3 – transistoride n-p-n (a) ja p-n-p (b) tavagraafiline tähistus
Transistori aluseks on pooljuhtplaat, milles moodustatakse kolm muutuva juhtivusega sektsiooni - elektron ja auk. Sõltuvalt kihtide vaheldusest eristatakse kahte tüüpi transistori struktuuri: n-p-n (joonis 3, a) ja p-n-p (joonis 3, b).
Emitter (E) — kiht, mis on laengukandjate (elektronide või aukude) allikaks ja tekitab seadmele voolu;
Kollektor (K) — kiht, mis võtab vastu emitterilt tulevaid laengukandjaid;
Alus (B) - keskmine kiht, mis juhib transistori voolu.
Kui transistor on ahelaga ühendatud, on üks selle elektroodidest sisend (sisend vahelduvsignaali allikas on sees), teine väljund (koormus on sees), kolmas elektrood on sisendi ja väljundi jaoks ühine. Enamasti kasutatakse ühist emitteri vooluringi (joonis 4). Alusele rakendatakse pinget mitte üle 1 V, kollektorile üle 1 V, näiteks +5 V, +12 V, +24 V jne.
Joonis 4 – ühise emitteri bipolaarse transistori skeemid
Kollektori vool tekib ainult siis, kui voolab baasvool Ib (määratud Ube-ga).Mida rohkem Ib, seda rohkem Ik. Ib mõõdetakse mA ühikutes ning kollektori voolu mõõdetakse kümnetes ja sadades mA, s.o. IbIk. Seetõttu, kui väikese amplituudiga vahelduvvoolu signaali rakendatakse alusele, muutub väike Ib ja suur Ic proportsionaalselt sellega. Koormustakistuse kollektori kaasamisel vooluringi jagatakse sellele signaal, mis kordab sisendi kuju, kuid suurema amplituudiga, s.t. võimendatud signaal.
Transistoride maksimaalsed lubatud parameetrid hõlmavad eelkõige: kollektoril hajuvat maksimaalset lubatud võimsust Pk.max, kollektori ja emitteri vahelist pinget Uke.max, kollektori voolu Ik.max.
Piiravate parameetrite suurendamiseks toodetakse transistoride komplekte, mis võivad sisaldada kuni mitusada paralleelselt ühendatud transistorit, mis on suletud ühte korpusesse.
Bipolaarseid transistore kasutatakse nüüd üha vähem, eriti impulssenergia tehnoloogias. Need asendatakse MOSFET-ide ja kombineeritud IGBT-dega, millel on selles elektroonikavaldkonnas vaieldamatud eelised.
Väljatransistorides määrab voolu ainult ühe märgi kandjate liikumine (elektronid või augud). Erinevalt bipolaarsest juhib transistori voolu elektriväli, mis muudab juhtiva kanali ristlõiget.
Kuna sisendahelas puudub sisendvool, siis on selle skeemi voolutarve praktiliselt null, mis on kahtlemata väljatransistori eelis.
Struktuuriliselt koosneb transistor n- või p-tüüpi juhtivast kanalist, mille otstes on piirkonnad: laengukandjaid kiirgav allikas ja kandjaid vastu võttev äravool.Elektroodi, mida kasutatakse kanali ristlõike reguleerimiseks, nimetatakse väravaks.
Väljatransistor on pooljuhtseade, mis reguleerib voolutugevust vooluringis, muutes juhtiva kanali ristlõiget.
Seal on väljatransistorid, millel on pn-siirdekujuline pais ja millel on isoleeritud pais.
Pooljuhtkanali ja metallvärava vahelise isoleeritud paisuga väljatransistorides on isolatsioonikiht dielektrilistest - MIS-transistoridest (metall - dielektrik - pooljuht), erikorpus - ränioksiid - MOS-transistorid.
Sisseehitatud kanali MOS-transistori esialgne juhtivus on sisendsignaali puudumisel (Uzi = 0) ligikaudu pool maksimumist. MOS-transistorides, mille indutseeritud kanal pingel Uzi = 0, puudub väljundvool, Ic = 0, kuna esialgu puudub juhtiv kanal.
Indutseeritud kanaliga MOSFETe nimetatakse ka MOSFETideks. Neid kasutatakse peamiselt võtmeelementidena, näiteks lülitustoiteallikate puhul.
MOS-transistoridel põhinevatel võtmeelementidel on mitmeid eeliseid: signaaliahel ei ole galvaaniliselt ühendatud juhttoimingu allikaga, juhtahel ei tarbi voolu ja sellel on kahepoolne juhtivus. Väljatransistorid, erinevalt bipolaarsetest, ei karda ülekuumenemist.
Lisateavet transistoride kohta leiate siit:
Türistorid
Türistor on pooljuhtseade, mis töötab kahes püsiolekus – madala juhtivusega (türistor suletud) ja kõrge juhtivusega (türistor avatud). Struktuuriliselt on türistoril kolm või enam p-n-siirdeid ja kolm väljundit.
Lisaks anoodile ja katoodile on türistori konstruktsioonis ette nähtud kolmas väljund (elektrood), mida nimetatakse juhtimiseks.
Türistor on ette nähtud elektriahelate kontaktivabaks (sisse ja välja) lülitamiseks. Neid iseloomustab suur kiirus ja võime lülitada väga olulisel määral voolu (kuni 1000 A). Neid asendatakse järk-järgult lülitustransistoridega.
Joonis 5 - Tavapärane - türistorite graafiline tähistus
Dünistorid (kaheelektroodilised) — nagu tavalistel alalditel, on neil anood ja katood. Kui päripinge tõuseb teatud väärtusel Ua = Uon, avaneb dinistor.
Türistorid (SCR-id — kolmeelektroodiga) — omavad täiendavat juhtelektroodi; Uin-i muudab juhtelektroodi läbiv juhtvool.
Türistori suletud olekusse viimiseks on vaja rakendada pöördpinget (- anoodile, + katoodile) või vähendada pärivoolu alla väärtuse, mida nimetatakse Iuderi hoidevooluks.
Lukustustüristor - saab lülitada suletud olekusse, rakendades vastupidise polaarsusega juhtimpulssi.
Türistorid: tööpõhimõte, disain, tüübid ja kaasamismeetodid
Triacid (sümmeetrilised türistorid) — juhivad voolu mõlemas suunas.
Türistoreid kasutatakse automaatikaseadmetes ja elektrivoolumuundurites läheduslülitite ja juhitavate alaldena. Vahelduv- ja impulssvooluahelates on võimalik muuta türistori avatud oleku aega ja seega ka voolu läbimise aega. See võimaldab reguleerida koormusele jaotatud võimsust.