Yarı İletken Aygıtlar - Türler, Genel Bakış ve Kullanım Alanları
Elektronik cihazların uygulama alanlarının hızla gelişmesi ve genişlemesi, yarı iletken cihazların dayandığı eleman tabanının iyileştirilmesinden kaynaklanmaktadır... Bu nedenle elektronik cihazların çalışma süreçlerini anlamak için bilmek gerekir. cihaz ve ana yarı iletken cihaz türlerinin çalışma prensibi.
yarı iletken malzemeler özgül dirençleri açısından iletkenler ve dielektrikler arasında bir ara pozisyon işgal ederler.
Yarı iletken cihazların üretimi için ana malzemeler silikon (Si), silisyum karbür (SiC), galyum ve indiyum bileşikleridir.
yarı iletken iletkenlik safsızlıkların ve dış enerji etkilerinin (sıcaklık, radyasyon, basınç, vb.) varlığına bağlıdır. Akım akışına iki tür yük taşıyıcı neden olur - elektronlar ve delikler. Kimyasal bileşime bağlı olarak, saf ve saf olmayan yarı iletkenler arasında bir ayrım yapılır.
Elektronik cihazların üretimi için kristal yapıya sahip katı yarı iletkenler kullanılır.
Yarı iletken cihazlar, çalışması yarı iletken malzemelerin özelliklerinin kullanımına dayanan cihazlardır.
Yarı iletken cihazların sınıflandırılması
Sürekli yarı iletkenlere dayalı, yarı iletken dirençler:
Doğrusal Direnç - Direnç, voltaj ve akıma biraz bağlıdır. Entegre devrelerin bir "elementi" dir.
Varistör - direnç uygulanan gerilime bağlıdır.
Termistör - direnç sıcaklığa bağlıdır. İki tipi vardır: termistör (sıcaklık arttıkça direnç azalır) ve konumlayıcılar (sıcaklık arttıkça direnç artar).
Fotodirenç — direnç, aydınlatmaya (radyasyon) bağlıdır. Deformer - direnç mekanik deformasyona bağlıdır.
Çoğu yarı iletken cihazın çalışma prensibi, elektron-delik bağlantısı p-n-bağlantı özelliklerine dayanmaktadır.
yarı iletken diyotlar
Çalışması p-n bağlantısının özelliklerine dayanan bir p-n bağlantısı ve iki terminali olan yarı iletken bir cihazdır.
p-n bağlantısının ana özelliği tek yönlü iletimdir - akım yalnızca bir yönde akar. Diyotun geleneksel grafik tanımı (UGO), cihazdan geçen akımın yönünü gösteren bir ok şeklindedir.
Yapısal olarak diyot, bir kasa içine alınmış bir p-n bağlantısından (mikromodül açık çerçeveler hariç) ve iki terminalden oluşur: p-bölgesi-anottan, n-bölgesi-katodundan.
Bunlar. Diyot, akımı anottan katoda yalnızca bir yönde ileten yarı iletken bir cihazdır.
Cihazdan geçen akımın uygulanan gerilime bağımlılığı, akım-gerilim karakteristiği (VAC) cihazı I = f (U) olarak adlandırılır.Diyotun tek taraflı iletimi, I-V karakteristiğinden açıkça görülmektedir (Şekil 1).
Şekil 1 - Diyot akım-gerilim özelliği
Amaca bağlı olarak, yarı iletken diyotlar doğrultucu, evrensel, darbe, zener diyotlar ve stabilizatörler, tünel ve ters diyotlar, LED'ler ve fotodiyotlar olarak ayrılır.
Tek taraflı iletim, diyotun doğrultma özelliklerini belirler. Doğrudan bağlantıda (anoda «+» ve katoda «-») diyot açıktır ve içinden yeterince büyük bir ileri akım akar. Tersine (anot için «-» ve katot için «+»), diyot kapalıdır, ancak küçük bir ters akım akar.
Doğrultucu diyotlar, düşük frekanslı alternatif akımı (genellikle 50 kHz'den az) doğru akıma, yani ayağa kalkmak Ana parametreleri, izin verilen maksimum ileri akım Ipr max ve izin verilen maksimum ters voltaj Uo6p max'tır. Bu parametrelere sınırlama denir - bunların aşılması, cihazı kısmen veya tamamen devre dışı bırakabilir.
Bu parametreleri arttırmak için seri-paralel, köprü veya diğer p-n-kavşak bağlantıları olan diyot sütunları, düğümler, matrisler yapılır.
Evrensel diyotlar, geniş bir frekans aralığında (birkaç yüz megahertz'e kadar) akımları düzeltmek için kullanılır. Bu diyotların parametreleri, doğrultucu diyotlarınkilerle aynıdır, yalnızca ek parametreler girilir: maksimum çalışma frekansı (MHz) ve diyot kapasitansı (pF).
Darbe diyotları, darbe sinyali dönüşümü için tasarlanmıştır, yüksek hızlı darbe devrelerinde kullanılırlar.Bu diyotlar için gereksinimler, cihazın sağlanan voltajın darbe doğasına hızlı bir şekilde yanıt vermesini sağlamakla ilgilidir - diyotun kapalı durumdan açık duruma kısa bir geçiş süresi ve tersi.
Zener diyotları - bunlar yarı iletken diyotlardır, voltaj düşüşü akan akıma çok az bağlıdır. Gerginliği dengelemeye hizmet eder.
Varikapı - çalışma prensibi, p-n-bağlantısının, üzerindeki ters voltajın değeri değiştiğinde bariyer kapasitansının değerini değiştirme özelliğine dayanmaktadır. Voltaj kontrollü değişken kapasitörler olarak kullanılırlar. Şemalarda varikaplar ters yönde açılır.
LED'ler - bunlar, prensibi içinden bir doğru akım geçtiğinde bir p-n bağlantısından ışık yayılmasına dayanan yarı iletken diyotlardır.
Fotodiyotlar - ters akım, p-n-kavşağının aydınlatmasına bağlıdır.
Schottky diyotlar - metal-yarı iletken bağlantıya dayalıdır, bu nedenle geleneksel diyotlardan önemli ölçüde daha yüksek yanıt oranlarına sahiptirler.
Şekil 2 - Diyotların geleneksel grafik gösterimi
Diyotlar hakkında daha fazla bilgi için buraya bakın:
Doğrultucunun parametreleri ve şemaları
Fotodiyotlar: cihaz, özellikleri ve çalışma ilkeleri
transistörler
Bir transistör, elektrik devrelerini değiştirmenin yanı sıra elektrik sinyallerini yükseltmek, üretmek ve dönüştürmek için tasarlanmış yarı iletken bir cihazdır.
Transistörün ayırt edici bir özelliği, voltajı ve akımı yükseltme yeteneğidir - transistörün girişinde etkili olan voltajlar ve akımlar, çıkışında önemli ölçüde daha yüksek voltajların ve akımların ortaya çıkmasına neden olur.
Dijital elektronik ve darbe devrelerinin yaygınlaşmasıyla transistörün ana özelliği, bir kontrol sinyalinin etkisi altında açık ve kapalı durumda olabilmesidir.
Transistör, adını tran (sfer) (re) sistor - kontrollü direnç adlı iki İngilizce kelimenin kısaltmasından almıştır. Bu isim tesadüfi değildir, çünkü transistöre uygulanan giriş voltajının etkisi altında, çıkış terminalleri arasındaki direnç çok geniş bir aralıkta ayarlanabilir.
Transistör, devredeki akımı sıfırdan maksimum değere ayarlamanıza izin verir.
Transistörlerin sınıflandırılması:
— etki ilkesine göre: alan (tek kutuplu), iki kutuplu, birleşik.
— harcanan gücün değerine göre: düşük, orta ve yüksek.
— sınırlayıcı frekansın değerine göre: düşük, orta, yüksek ve çok yüksek frekans.
— çalışma voltajının değerine göre: düşük ve yüksek voltaj.
— işlevsel amaca göre: üniversal, güçlendirici, anahtar vb.
-tasarım açısından: açık çerçeveli ve kutu tipi versiyonda, sert ve esnek terminallerle.
Gerçekleştirilen işlevlere bağlı olarak, transistörler üç modda çalışabilir:
1) Aktif mod - analog cihazlarda elektrik sinyallerini yükseltmek için kullanılır Transistörün direnci sıfırdan maksimum değere değişir - transistörün "açıldığını" veya "kapandığını" söylerler.
2) Doyum modu — transistörün direnci sıfır olma eğilimindedir. Bu durumda, transistör kapalı bir röle kontağına eşdeğerdir.
3) Kesme modu — transistör kapalıdır ve yüksek bir dirence sahiptir, örn. açık röle kontağına eşdeğerdir.
Doygunluk ve kesme modları dijital, darbe ve anahtarlama devrelerinde kullanılır.
Bipolar transistör, elektrik sinyallerinin güç amplifikasyonunu sağlayan iki p-n bağlantı noktasına ve üç iletkene sahip yarı iletken bir cihazdır.
Bipolar transistörlerde akım, iki tür yük taşıyıcının hareketinden kaynaklanır: adlarını açıklayan elektronlar ve delikler.
Diyagramlarda, transistörlerin hem daire içinde hem de onsuz gösterilmesine izin verilir (Şekil 3). Ok, transistördeki akımın yönünü gösterir.
Şekil 3 - n-p-n (a) ve p-n-p (b) transistörlerinin geleneksel grafik gösterimi
Transistörün temeli, değişken tipte iletkenliğe sahip üç bölümün (elektron ve boşluk) oluşturulduğu yarı iletken bir plakadır. Katmanların değişmesine bağlı olarak, iki tip transistör yapısı ayırt edilir: n-p-n (Şekil 3, a) ve p-n-p (Şekil 3, b).
Verici (E) — yük taşıyıcılarının (elektronlar veya delikler) kaynağı olan ve cihaz üzerinde bir akım oluşturan bir katman;
Toplayıcı (K) — yayıcıdan gelen yük taşıyıcılarını kabul eden bir katman;
Baz (B) — transistörün akımını kontrol eden orta katman.
Transistör devreye bağlandığında, elektrotlarından biri giriştir (giriş alternatif sinyalinin kaynağı açıktır), diğeri çıkıştır (yük açıktır), üçüncü elektrot giriş ve çıkış için ortaktır. Çoğu durumda, ortak bir emitör devresi kullanılır (Şekil 4). Tabana 1 V'tan fazla olmayan, toplayıcıya 1 V'tan fazla olmayan bir voltaj uygulanır, örneğin +5 V, +12 V, +24 V, vb.
Şekil 4 - Ortak emitörlü iki kutuplu transistörün devre şemaları
Kollektör akımı yalnızca temel akım Ib (Ube tarafından belirlenir) akarken oluşur.Ne kadar çok Ib, o kadar çok Ik. Ib, mA birimleri cinsinden ölçülür ve kollektör akımı, onlarca ve yüzlerce mA cinsinden ölçülür, yani. İbik. Bu nedenle, tabana küçük genlikli bir AC sinyali uygulandığında, küçük Ib değişecek ve büyük Ic buna orantılı olarak değişecektir. Devreye bir yük direnci toplayıcı dahil edildiğinde, girişin şeklini tekrarlayan, ancak daha büyük bir genliğe sahip, yani bir sinyal dağıtılacaktır. güçlendirilmiş sinyal
Transistörlerin izin verilen maksimum parametreleri, her şeyden önce şunları içerir: toplayıcı üzerinde dağıtılan izin verilen maksimum güç Pk.max, toplayıcı ile yayıcı arasındaki voltaj Uke.max, kollektör akımı Ik.max.
Sınırlayıcı parametreleri artırmak için, tek bir mahfaza içine alınmış birkaç yüze kadar paralel bağlı transistörü sayabilen transistör düzenekleri üretilir.
Bipolar transistörler, özellikle darbeli güç teknolojisinde artık daha az kullanılmaktadır. Bu elektronik alanında tartışılmaz avantajlara sahip olan MOSFET'ler ve kombine IGBT'ler ile değiştirilirler.
Alan etkili transistörlerde akım, yalnızca bir işaretin (elektronlar veya delikler) taşıyıcılarının hareketi ile belirlenir. Bipolar'dan farklı olarak, transistör akımı, iletken kanalın enine kesitini değiştiren bir elektrik alanı tarafından sürülür.
Giriş devresinde giriş akımı olmadığı için bu devrenin güç tüketimi pratikte sıfırdır ki bu şüphesiz alan etkili transistörün bir avantajıdır.
Yapısal olarak, bir transistör, uçlarında bölgelerin bulunduğu n- veya p-tipi bir iletken kanaldan oluşur: yük taşıyıcıları yayan bir kaynak ve taşıyıcıları kabul eden bir drenaj.Kanalın enine kesitini ayarlamak için kullanılan elektrota geçit denir.
Alan etkili transistör, iletken kanalın kesitini değiştirerek bir devredeki akımı düzenleyen yarı iletken bir cihazdır.
Bir pn bağlantısı şeklinde bir kapıya ve izole bir kapıya sahip alan etkili transistörler vardır.
Yarı iletken kanal ile metal geçit arasında yalıtımlı bir kapısı olan alan etkili transistörlerde, yalıtkan bir dielektrik - MIS transistörleri (metal - dielektrik - yarı iletken), özel bir durum - silikon oksit - MOS transistörleri vardır.
Yerleşik bir kanal MOS transistörü, bir giriş sinyalinin yokluğunda (Uzi = 0) maksimumun yaklaşık yarısı olan bir başlangıç iletkenliğine sahiptir. Uzi = 0 voltajında indüklenmiş kanala sahip MOS transistörlerde, çıkış akımı yoktur, Ic = 0, çünkü başlangıçta iletken kanal yoktur.
İndüklenmiş bir kanala sahip MOSFET'lere MOSFET'ler de denir. Temel olarak anahtar elemanlar olarak kullanılırlar, örneğin anahtarlamalı güç kaynaklarında.
MOS transistörlerine dayalı temel elemanların bir dizi avantajı vardır: sinyal devresi kontrol eyleminin kaynağına galvanik olarak bağlı değildir, kontrol devresi akım tüketmez ve çift taraflı iletkenliğe sahiptir. Alan etkili transistörler, bipolar olanların aksine aşırı ısınmaktan korkmazlar.
Transistörler hakkında daha fazla bilgi için buraya bakın:
tristörler
Bir tristör, iki kararlı durumda çalışan yarı iletken bir cihazdır - düşük iletim (tristör kapalı) ve yüksek iletim (tristör açık). Yapısal olarak, bir tristörün üç veya daha fazla p-n bağlantısı ve üç çıkışı vardır.
Tristörün tasarımında anot ve katoda ek olarak kontrol adı verilen üçüncü bir çıkış (elektrot) sağlanmıştır.
Tristör, elektrik devrelerinin temassız anahtarlanması (açılması ve kapatılması) için tasarlanmıştır. Yüksek hız ve çok önemli büyüklükteki (1000 A'ya kadar) akımları değiştirme yeteneği ile karakterize edilirler. Yavaş yavaş anahtarlama transistörleri ile değiştiriliyorlar.
Şekil 5 - Geleneksel - tristörlerin grafiksel gösterimi
Dinistörler (iki elektrotlu) — geleneksel doğrultucular gibi, bir anoda ve bir katoda sahiptirler. İleri gerilim belirli bir Ua = Uon değerinde arttığında dinistör açılır.
Tristörler (SCR'ler — üç elektrotlu) — ek bir kontrol elektroduna sahiptir; Uin, kontrol elektrotundan akan kontrol akımı ile değiştirilir.
Tristörü kapalı duruma getirmek için ters gerilim (- anoda, + katoda) uygulamak veya ileri akımı Iuder tutma akımı denen bir değerin altına düşürmek gerekir.
Kilitleme tristör - ters polaritede bir kontrol darbesi uygulanarak kapalı duruma geçirilebilir.
Tristörler: çalışma prensibi, tasarım, türleri ve dahil etme yöntemleri
Triyaklar (simetrik tristörler) — akımı her iki yönde iletir.
Tristörler, otomasyon cihazlarında ve elektrik akımı dönüştürücülerinde yakınlık anahtarları ve kontrol edilebilir doğrultucular olarak kullanılır. Alternatif ve darbeli akım devrelerinde, tristörün açık durum süresini ve dolayısıyla yük boyunca akım akış süresini değiştirmek mümkündür. Bu, yüke dağıtılan gücü ayarlamanıza izin verir.