Polovodičová zařízení - typy, přehled a použití
Rychlý rozvoj a rozšiřování oblastí použití elektronických zařízení je dáno zdokonalováním základny prvků, na kterých jsou polovodičová zařízení založena... Proto, abychom porozuměli procesům fungování elektronických zařízení, je nutné znát zařízení a princip činnosti hlavních typů polovodičových součástek.
Polovodičové materiály z hlediska jejich měrného odporu zaujímají mezilehlou polohu mezi vodiči a dielektriky.
Hlavními materiály pro výrobu polovodičových součástek jsou křemík (Si), karbid křemíku (SiC), sloučeniny gallia a india.
Polovodičová vodivost závisí na přítomnosti nečistot a vnějších energetických vlivů (teplota, záření, tlak atd.). Tok proudu je způsoben dvěma typy nosičů náboje — elektrony a dírami. Podle chemického složení se rozlišují polovodiče čisté a nečisté.
Pro výrobu elektronických zařízení se používají pevné polovodiče s krystalickou strukturou.
Polovodičová zařízení jsou zařízení, jejichž činnost je založena na využití vlastností polovodičových materiálů.
Klasifikace polovodičových součástek
Na základě spojitých polovodičů, polovodičových rezistorů:
Lineární rezistor - Odpor mírně závisí na napětí a proudu. Jde o „prvek“ integrovaných obvodů.
Varistor - odpor závisí na přiloženém napětí.
Termistor - odpor závisí na teplotě. Existují dva typy: termistor (s rostoucí teplotou klesá odpor) a pozistory (se zvyšující se teplotou se zvyšuje odpor).
Fotorezistor — odpor závisí na osvětlení (záření). Deformátor — odpor závisí na mechanické deformaci.
Princip činnosti většiny polovodičových součástek je založen na vlastnostech přechodu elektron-díra p-n-přechodu.
Polovodičové diody
Jedná se o polovodičové zařízení s jedním p-n přechodem a dvěma vývody, jehož činnost je založena na vlastnostech p-n přechodu.
Hlavní vlastností p-n přechodu je jednosměrné vedení - proud teče pouze jedním směrem. Konvenční grafické označení (UGO) diody má tvar šipky, která označuje směr toku proudu zařízením.
Konstrukčně se dioda skládá z p-n přechodu uzavřeného v pouzdře (s výjimkou otevřených rámů mikromodulu) a dvou vývodů: z p-oblasti-anody, z n-oblasti-katody.
Tyto. Dioda je polovodičové zařízení, které vede proud pouze jedním směrem — od anody ke katodě.
Závislost proudu zařízením na přiloženém napětí se nazývá proudově napěťová charakteristika (VAC) zařízení I = f (U).Jednostranné vedení diody je patrné z její I-V charakteristiky (obr. 1).
Obrázek 1 – Diodová charakteristika proud-napětí
Podle účelu se polovodičové diody dělí na usměrňovací, univerzální, pulzní, zenerovy diody a stabilizátory, tunelové a reverzní diody, LED a fotodiody.
Jednostranné vedení určuje rektifikační vlastnosti diody. Při přímém připojení («+» na anodu a «-» na katodu) je dioda otevřená a protéká jí dostatečně velký propustný proud. V opačném směru («-» k anodě a «+» ke katodě) je dioda uzavřena, ale protéká malý zpětný proud.
Usměrňovací diody jsou určeny k přeměně nízkofrekvenčního střídavého proudu (obvykle menšího než 50 kHz) na stejnosměrný, tzn. postavit se. Jejich hlavními parametry jsou maximální přípustný propustný proud Ipr max a maximální přípustné zpětné napětí Uo6p max. Tyto parametry se nazývají omezující — jejich překročení může zařízení částečně nebo úplně vyřadit z provozu.
Pro zvýšení těchto parametrů se vyrábí diodové sloupce, uzly, matice, což jsou sériově paralelní, můstkové nebo jiné spoje p-n-přechodů.
Univerzální diody se používají k usměrnění proudů v širokém frekvenčním rozsahu (až několik stovek megahertzů). Parametry těchto diod jsou stejné jako parametry usměrňovacích diod, zadávají se pouze další: maximální pracovní frekvence (MHz) a kapacita diody (pF).
Pulzní diody jsou určeny pro převod pulzního signálu, používají se ve vysokorychlostních pulzních obvodech.Požadavky na tyto diody souvisejí se zajištěním rychlé odezvy zařízení na impulsní charakter přiváděného napětí — krátká doba přechodu diody ze sepnutého stavu do otevřeného stavu a naopak.
Zenerovy diody — jedná se o polovodičové diody, jejichž úbytek napětí závisí jen málo na protékajícím proudu. Slouží ke stabilizaci napětí.
Varikapi - princip činnosti je založen na vlastnosti p-n-přechodu měnit hodnotu kapacity bariéry, když se na ní mění hodnota zpětného napětí. Používají se jako napěťově řízené proměnné kondenzátory. Ve schématech jsou varikapy zapnuty v opačném směru.
LED - jedná se o polovodičové diody, jejichž princip je založen na vyzařování světla z p-n přechodu, když jím prochází stejnosměrný proud.
Fotodiody - zpětný proud závisí na osvětlení p-n-přechodu.
Schottkyho diody - založené na přechodu kov-polovodič, proto mají výrazně vyšší odezvu než klasické diody.
Obrázek 2 – Konvenční grafické znázornění diod
Více informací o diodách naleznete zde:
Parametry a schémata usměrňovače
Fotodiody: zařízení, vlastnosti a principy činnosti
Tranzistory
Tranzistor je polovodičové zařízení určené k zesilování, generování a převádění elektrických signálů a také ke spínání elektrických obvodů.
Charakteristickým rysem tranzistoru je schopnost zesilovat napětí a proud - napětí a proudy působící na vstupu tranzistoru vedou k výskytu výrazně vyšších napětí a proudů na jeho výstupu.
S rozšířením digitální elektroniky a pulzních obvodů je hlavní vlastností tranzistoru jeho schopnost být v otevřeném a uzavřeném stavu pod vlivem řídicího signálu.
Tranzistor dostal své jméno podle zkratky dvou anglických slov tran (sfer) (re) sistor - řízený odpor. Tento název není náhodný, protože při působení vstupního napětí přivedeného na tranzistor lze odpor mezi jeho výstupními svorkami nastavit ve velmi širokém rozsahu.
Tranzistor umožňuje upravit proud v obvodu od nuly po maximální hodnotu.
Klasifikace tranzistorů:
— podle principu působení: pole (unipolární), bipolární, kombinované.
— podle hodnoty rozptýleného výkonu: nízká, střední a vysoká.
— hodnotou mezní frekvence: nízká, střední, vysoká a ultravysoká frekvence.
— hodnotou provozního napětí: nízké a vysoké napětí.
— podle funkčního účelu: univerzální, výztužné, klíčové atd.
-provedení: s otevřeným rámem a ve skříňovém provedení s pevnými a pružnými koncovkami.
V závislosti na vykonávaných funkcích mohou tranzistory pracovat ve třech režimech:
1) Aktivní režim - používá se k zesílení elektrických signálů v analogových zařízeních.Odpor tranzistoru se mění z nuly na maximální hodnotu - říkají, že se tranzistor "otevře" nebo "zavře".
2) Režim saturace — odpor tranzistoru má tendenci k nule. V tomto případě je tranzistor ekvivalentní sepnutému reléovému kontaktu.
3) Režim cut-off — tranzistor je uzavřený a má vysoký odpor, tzn. je ekvivalentní otevřenému reléovému kontaktu.
Režimy saturace a cutoff se používají v digitálních, pulzních a spínacích obvodech.
Bipolární tranzistor je polovodičová součástka se dvěma p-n přechody a třemi vodiči zajišťující výkonové zesílení elektrických signálů.
U bipolárních tranzistorů je proud způsoben pohybem nosičů náboje dvou typů: elektronů a děr, což odpovídá jejich názvu.
Na schématech je dovoleno znázornit tranzistory jak v kruhu, tak bez něj (obr. 3). Šipka ukazuje směr toku proudu v tranzistoru.
Obrázek 3 - Konvenční grafický zápis tranzistorů n-p-n (a) a p-n-p (b)
Základem tranzistoru je polovodičová deska, ve které jsou vytvořeny tři sekce s proměnným typem vodivosti - elektronová a dírová. V závislosti na střídání vrstev se rozlišují dva typy struktury tranzistoru: n-p-n (obr. 3, a) a p-n-p (obr. 3, b).
Emitor (E) — vrstva, která je zdrojem nosičů náboje (elektronů nebo děr) a vytváří proud na zařízení;
Kolektor (K) — vrstva, která přijímá nosiče náboje přicházející z emitoru;
Báze (B) — střední vrstva, která řídí proud tranzistoru.
Při zapojení tranzistoru do obvodu je jedna jeho elektroda vstupní (zdroj vstupního střídavého signálu je zapnutý), druhá je výstupní (zátěž je zapnutá), třetí elektroda je společná pro vstup a výstup. Ve většině případů se používá obvod se společným emitorem (obrázek 4). Na základnu je přivedeno napětí nejvýše 1 V, na kolektor více než 1 V, například +5 V, +12 V, +24 V atd.
Obrázek 4 – Schémata zapojení bipolárního tranzistoru se společným emitorem
Kolektorový proud vzniká pouze tehdy, když teče základní proud Ib (určený Ube).Čím více Ib, tím více Ik. Ib se měří v jednotkách mA a kolektorový proud se měří v desítkách a stovkách mA, tzn. IbIk. Proto, když je na bázi přiveden střídavý signál s malou amplitudou, malé Ib se změní a velké Ic se změní úměrně tomu. Když je do obvodu zařazen zátěžový odporový kolektor, bude do něj distribuován signál opakující tvar vstupu, ale s větší amplitudou, tzn. zesílený signál.
Mezi maximální přípustné parametry tranzistorů patří především: maximální přípustný výkon rozptýlený na kolektoru Pk.max, napětí mezi kolektorem a emitorem Uke.max, kolektorový proud Ik.max.
Pro zvýšení omezujících parametrů jsou vyráběny tranzistorové sestavy, které mohou čítat až několik stovek paralelně zapojených tranzistorů uzavřených v jediném pouzdře.
Bipolární tranzistory se nyní používají stále méně, zejména v technologii pulzního napájení. Nahrazují je MOSFETy a kombinované IGBT, které mají v této oblasti elektroniky nesporné výhody.
U tranzistorů s efektem pole je proud určen pohybem nosičů pouze jednoho znaménka (elektronů nebo děr). Na rozdíl od bipolárního je tranzistorový proud poháněn elektrickým polem, které mění průřez vodivého kanálu.
Protože ve vstupním obvodu není žádný vstupní proud, je spotřeba tohoto obvodu prakticky nulová, což je nepochybně výhoda tranzistoru s efektem pole.
Strukturálně se tranzistor skládá z vodivého kanálu typu n nebo p, na jehož koncích jsou oblasti: zdroj, který emituje nosiče náboje, a kolektor, který nosiče přijímá.Elektroda používaná k nastavení průřezu kanálu se nazývá brána.
Tranzistor s efektem pole je polovodičové zařízení, které reguluje proud v obvodu změnou průřezu vodivého kanálu.
Existují tranzistory s efektem pole s hradlem ve formě pn přechodu a s izolovaným hradlem.
U tranzistorů s efektem pole s izolovaným hradlem mezi polovodičovým kanálem a kovovým hradlem je izolační vrstva dielektrika - tranzistory MIS (kov - dielektrikum - polovodič), speciální pouzdro - oxid křemíku - tranzistory MOS.
Vestavěný kanálový MOS tranzistor má počáteční vodivost, která je při absenci vstupního signálu (Uzi = 0) přibližně poloviční oproti maximu. U MOS tranzistorů s indukovaným kanálem při napětí Uzi = 0 výstupní proud chybí, Ic = 0, protože zpočátku není žádný vodivý kanál.
MOSFETy s indukovaným kanálem se také nazývají MOSFETy. Používají se především jako klíčové prvky, například u spínaných zdrojů.
Klíčové prvky na bázi MOS tranzistorů mají řadu výhod: signálový obvod není galvanicky spojen se zdrojem řídící akce, řídící obvod nespotřebovává proud a má oboustrannou vodivost. Tranzistory s efektem pole se na rozdíl od bipolárních nebojí přehřátí.
Více informací o tranzistorech naleznete zde:
Tyristory
Tyristor je polovodičové zařízení pracující ve dvou ustálených stavech – s nízkou vodivostí (tyristor zavřený) a s vysokou vodivostí (tyristor otevřený). Strukturálně má tyristor tři nebo více p-n přechodů a tři výstupy.
Kromě anody a katody je v konstrukci tyristoru zajištěn třetí výstup (elektroda), který se nazývá řízení.
Tyristor je určen pro bezkontaktní spínání (zapínání a vypínání) elektrických obvodů. Vyznačují se vysokou rychlostí a schopností spínat proudy velmi významné velikosti (až 1000 A). Postupně jsou nahrazovány spínacími tranzistory.
Obrázek 5 - Konvenční - grafické označení tyristorů
Dynistory (dvouelektrodové) — jako konvenční usměrňovače mají anodu a katodu. Při zvýšení propustného napětí při určité hodnotě Ua = Uon se dinistor otevře.
Tyristory (SCR – tříelektrodové) – mají další řídicí elektrodu; Uin se mění řídicím proudem protékajícím řídicí elektrodou.
Pro převedení tyristoru do sepnutého stavu je nutné přivést zpětné napětí (- na anodu, + na katodu) nebo snížit propustný proud pod hodnotu zvanou Iuderův přídržný proud.
Blokovací tyristor - lze přepnout do sepnutého stavu přivedením řídicího impulsu opačné polarity.
Tyristory: princip činnosti, konstrukce, typy a způsoby zařazení
Triaky (symetrické tyristory) — vedení proudu v obou směrech.
Tyristory se používají jako bezdotykové spínače a ovladatelné usměrňovače v automatizačních zařízeních a měničích elektrického proudu. V obvodech střídavého a pulsního proudu je možné měnit dobu otevřeného stavu tyristoru a tím i dobu toku proudu zátěží. To vám umožní přizpůsobit výkon distribuovaný zátěži.