Dispositius semiconductors: tipus, visió general i usos
El ràpid desenvolupament i expansió dels camps d'aplicació dels dispositius electrònics es deu a la millora de la base d'elements en què es basen els dispositius semiconductors... Per tant, per entendre els processos de funcionament dels dispositius electrònics, cal conèixer el dispositiu i el principi de funcionament dels principals tipus de dispositius semiconductors.
Materials semiconductors pel que fa a la seva resistència específica, ocupen una posició intermèdia entre conductors i dielèctrics.
Els principals materials per a la fabricació de dispositius semiconductors són el silici (Si), el carbur de silici (SiC), el gal·li i els compostos d'indi.
Conductivitat dels semiconductors depèn de la presència d'impureses i influències energètiques externes (temperatura, radiació, pressió, etc.). El flux de corrent és causat per dos tipus de portadors de càrrega: electrons i forats. Segons la composició química, es distingeix entre semiconductors purs i impureses.
Per a la producció de dispositius electrònics, s'utilitzen semiconductors sòlids amb una estructura cristal·lina.
Els dispositius semiconductors són dispositius el funcionament dels quals es basa en l'ús de les propietats dels materials semiconductors.
Classificació dels dispositius semiconductors
Basat en semiconductors continus, resistències semiconductors:
Resistència lineal: la resistència depèn lleugerament de la tensió i el corrent. És un "element" de circuits integrats.
Varistor: la resistència depèn de la tensió aplicada.
Termistor: la resistència depèn de la temperatura. N'hi ha de dos tipus: termistor (a mesura que augmenta la temperatura, la resistència disminueix) i posistors (a mesura que augmenta la temperatura, augmenta la resistència).
Fotoresistència: la resistència depèn de la il·luminació (radiació). Deformador: la resistència depèn de la deformació mecànica.
El principi de funcionament de la majoria de dispositius semiconductors es basa en les propietats de la unió p-n-unió electró-forat.
Díodes semiconductors
És un dispositiu semiconductor amb una unió p-n i dos terminals, el funcionament del qual es basa en les propietats de la unió p-n.
La propietat principal de la unió p-n és la conducció unidireccional: el corrent només flueix en una direcció. La designació gràfica convencional (UGO) del díode té la forma d'una fletxa, que indica la direcció del flux de corrent a través del dispositiu.
Estructuralment, el díode consta d'una unió p-n tancada en un estoig (amb l'excepció dels marcs oberts de micromòduls) i dos terminals: des de l'ànode p-region, des del càtode n-region.
Aquests. Un díode és un dispositiu semiconductor que només condueix el corrent en una direcció: des de l'ànode fins al càtode.
La dependència del corrent a través del dispositiu de la tensió aplicada s'anomena dispositiu de característica corrent-tensió (VAC) I = f (U).La conducció d'un sol costat del díode és evident per la seva característica I-V (Fig. 1).
Figura 1 — Característica corrent-tensió del díode
Depenent de la finalitat, els díodes semiconductors es divideixen en rectificador, universal, pols, díodes zener i estabilitzadors, díodes de túnel i inversos, LED i fotodíodes.
La conducció unilateral determina les propietats de rectificació del díode. Amb connexió directa («+» a l'ànode i «-» al càtode) el díode està obert i hi passa un corrent directe prou gran. A la inversa («-» a l'ànode i «+» al càtode), el díode està tancat, però passa un petit corrent invers.
Els díodes rectificadors estan dissenyats per convertir el corrent altern de baixa freqüència (generalment menys de 50 kHz) en corrent continu, és a dir. aixecar-se. Els seus paràmetres principals són el corrent directe màxim admissible Ipr max i la tensió inversa màxima admissible Uo6p max. Aquests paràmetres s'anomenen limitants: superar-los pot desactivar parcialment o completament el dispositiu.
Per augmentar aquests paràmetres, es fan columnes de díodes, nodes, matrius, que són connexions sèrie-paral·leles, pont o altres connexions de p-n-unions.
Els díodes universals s'utilitzen per rectificar corrents en un ampli rang de freqüències (fins a diversos centenars de megahertz). Els paràmetres d'aquests díodes són els mateixos que els dels díodes rectificadors, només s'introdueixen d'altres addicionals: la freqüència màxima de funcionament (MHz) i la capacitat del díode (pF).
Els díodes de pols estan dissenyats per a la conversió del senyal de pols, s'utilitzen en circuits de polsos d'alta velocitat.Els requisits d'aquests díodes estan relacionats amb garantir una resposta ràpida del dispositiu a la naturalesa d'impuls de la tensió subministrada: un temps de transició curt del díode de l'estat tancat a l'estat obert i viceversa.
Díodes Zener: són díodes semiconductors, la caiguda de tensió a través de la qual depèn poc del corrent que flueix. Serveix per estabilitzar la tensió.
Varikapi: el principi de funcionament es basa en la propietat de la unió p-n de canviar el valor de la capacitat de la barrera quan canvia el valor de la tensió inversa. S'utilitzen com a condensadors variables controlats per tensió. En els esquemes, les varicaps s'encenen en sentit contrari.
LED: són díodes semiconductors, el principi dels quals es basa en l'emissió de llum d'una unió p-n quan hi passa un corrent continu.
Fotodíodes: el corrent invers depèn de la il·luminació de la unió p-n.
Díodes Schottky: basats en una unió metall-semiconductor, per això tenen una taxa de resposta significativament més alta que els díodes convencionals.
Figura 2 — Representació gràfica convencional dels díodes
Per obtenir més informació sobre els díodes, consulteu aquí:
Paràmetres i esquemes del rectificador
Fotodíodes: dispositiu, característiques i principis de funcionament
Transistors
Un transistor és un dispositiu semiconductor dissenyat per amplificar, generar i convertir senyals elèctrics, així com canviar circuits elèctrics.
Una característica distintiva del transistor és la capacitat d'amplificar la tensió i el corrent: les tensions i els corrents que actuen a l'entrada del transistor provoquen l'aparició de voltatges i corrents significativament més alts a la seva sortida.
Amb la propagació de l'electrònica digital i els circuits de polsos, la propietat principal del transistor és la seva capacitat d'estar en estat obert i tancat sota la influència d'un senyal de control.
El transistor va rebre el seu nom de l'abreviatura de dues paraules angleses tran (sfer) (re)sistor - resistència controlada. Aquest nom no és casual, perquè sota l'acció de la tensió d'entrada aplicada al transistor, la resistència entre els seus terminals de sortida es pot ajustar en un rang molt ampli.
El transistor permet ajustar el corrent del circuit des de zero fins al valor màxim.
Classificació dels transistors:
— segons el principi d'acció: camp (unipolar), bipolar, combinat.
— pel valor de la potència dissipada: baixa, mitjana i alta.
— pel valor de la freqüència límit: freqüència baixa, mitjana, alta i ultraalta.
— pel valor de la tensió de funcionament: baixa i alta tensió.
— per finalitat funcional: universal, de reforç, clau, etc.
- pel que fa al disseny: amb marc obert i en versió caixa, amb terminals rígids i flexibles.
En funció de les funcions realitzades, els transistors poden funcionar de tres maneres:
1) Mode actiu - s'utilitza per amplificar senyals elèctrics en dispositius analògics.La resistència del transistor canvia de zero al valor màxim - diuen que el transistor "obre" o "tanca".
2) Mode de saturació: la resistència del transistor tendeix a zero. En aquest cas, el transistor és equivalent a un contacte de relé tancat.
3) Mode de tall: el transistor està tancat i té una alta resistència, és a dir. és equivalent a un contacte de relé obert.
Els modes de saturació i tall s'utilitzen en circuits digitals, de pols i de commutació.
Un transistor bipolar és un dispositiu semiconductor amb dues unions p-n i tres conductors que proporcionen l'amplificació de potència dels senyals elèctrics.
En els transistors bipolars, el corrent és causat pel moviment de portadors de càrrega de dos tipus: electrons i forats, que explica el seu nom.
En els diagrames, es permet representar transistors, tant en cercle com sense (Fig. 3). La fletxa mostra la direcció del flux de corrent al transistor.
Figura 3 - Notació gràfica convencional dels transistors n-p-n (a) i p-n-p (b)
La base del transistor és una placa semiconductora, en la qual es formen tres seccions amb un tipus de conductivitat variable -electró i forat-. En funció de l'alternança de les capes, es distingeixen dos tipus d'estructura de transistors: n-p-n (Fig. 3, a) i p-n-p (Fig. 3, b).
Emissor (E): una capa que és una font de portadors de càrrega (electrons o forats) i crea un corrent al dispositiu;
Col·lector (K): una capa que accepta portadors de càrrega procedents de l'emissor;
Base (B): la capa mitjana que controla el corrent del transistor.
Quan el transistor està connectat al circuit, s'introdueix un dels seus elèctrodes (la font del senyal altern d'entrada està activada), l'altre surt (la càrrega està activada), el tercer elèctrode és comú a l'entrada i la sortida. En la majoria dels casos, s'utilitza un circuit emissor comú (figura 4). S'aplica una tensió de no més d'1 V a la base, més d'1 V al col·lector, per exemple +5 V, +12 V, +24 V, etc.
Figura 4 — Esquemes de circuits d'un transistor bipolar emissor comú
El corrent del col·lector només es produeix quan flueix el corrent base Ib (determinat per Ube).Com més Ib, més Ik. Ib es mesura en unitats de mA, i el corrent del col·lector es mesura en desenes i centenars de mA, és a dir. IbIk. Per tant, quan s'aplica un senyal de CA de petita amplitud a la base, el petit Ib canviarà i el gran Ic canviarà en proporció a aquest. Quan s'inclou un col·lector de resistència de càrrega al circuit, se li distribuirà un senyal, repetint la forma de l'entrada, però amb una amplitud més gran, és a dir. senyal amplificat.
Els paràmetres màxims admissibles dels transistors inclouen, en primer lloc: la potència màxima admissible dissipada al col·lector Pk.max, la tensió entre el col·lector i l'emissor Uke.max, el corrent del col·lector Ik.max.
Per augmentar els paràmetres limitants, es produeixen conjunts de transistors, que poden comptar fins a diversos centenars de transistors connectats en paral·lel tancats en una sola carcassa.
Els transistors bipolars s'utilitzen cada cop menys, especialment en la tecnologia d'energia polsada. Són substituïts per MOSFET i IGBT combinats, amb avantatges indiscutibles en aquest camp de l'electrònica.
En els transistors d'efecte de camp, el corrent ve determinat pel moviment de portadors d'un sol signe (electrons o forats). A diferència del bipolar, el corrent del transistor és impulsat per un camp elèctric que canvia la secció transversal del canal conductor.
Com que no hi ha corrent d'entrada al circuit d'entrada, el consum d'energia d'aquest circuit és pràcticament nul, la qual cosa és sens dubte un avantatge del transistor d'efecte de camp.
Estructuralment, un transistor consta d'un canal conductor de tipus n o p, als extrems del qual hi ha regions: una font que emet portadors de càrrega i un drenatge que accepta portadors.L'elèctrode utilitzat per ajustar la secció transversal del canal s'anomena porta.
Un transistor d'efecte de camp és un dispositiu semiconductor que regula el corrent en un circuit canviant la secció transversal del canal conductor.
Hi ha transistors d'efecte de camp amb una porta en forma d'unió pn i amb una porta aïllada.
En els transistors d'efecte de camp amb una porta aïllada entre el canal semiconductor i la porta metàl·lica hi ha una capa aïllant de transistors dielèctrics - MIS (metall - dielèctric - semiconductor), un cas especial - òxid de silici - transistors MOS.
Un transistor MOS de canal integrat té una conductància inicial que, en absència d'un senyal d'entrada (Uzi = 0), és aproximadament la meitat del màxim. En els transistors MOS amb un canal induït a una tensió Uzi = 0, el corrent de sortida és absent, Ic = 0, perquè inicialment no hi ha cap canal conductor.
Els MOSFET amb un canal induït també s'anomenen MOSFET. S'utilitzen principalment com a elements clau, per exemple en la commutació de fonts d'alimentació.
Els elements clau basats en transistors MOS tenen una sèrie d'avantatges: el circuit de senyal no està connectat galvànicament a la font de l'acció de control, el circuit de control no consumeix corrent i té conductivitat de doble cara. Els transistors d'efecte de camp, a diferència dels bipolars, no tenen por del sobreescalfament.
Per obtenir més informació sobre transistors, consulteu aquí:
Tiristors
Un tiristor és un dispositiu semiconductor que funciona en dos estats estacionaris: baixa conducció (tiristor tancat) i alta conducció (tiristor obert). Estructuralment, un tiristor té tres o més unions p-n i tres sortides.
A més de l'ànode i el càtode, es proporciona una tercera sortida (elèctrode) en el disseny del tiristor, que s'anomena control.
El tiristor està dissenyat per a l'encesa i apagada sense contacte de circuits elèctrics. Es caracteritzen per l'alta velocitat i la capacitat de commutar corrents d'una magnitud molt important (fins a 1000 A). A poc a poc s'estan substituint per transistors de commutació.
Figura 5 - Convencional - designació gràfica dels tiristors
Dinistors (dos elèctrodes): com els rectificadors convencionals, tenen un ànode i un càtode. Quan la tensió directa augmenta a un determinat valor Ua = Uon, el dinistor s'obre.
Els tiristors (SCR — de tres elèctrodes) — tenen un elèctrode de control addicional; Uin es modifica pel corrent de control que flueix a través de l'elèctrode de control.
Per transferir el tiristor a l'estat tancat, cal aplicar una tensió inversa (- a l'ànode, + al càtode) o reduir el corrent directe per sota d'un valor anomenat corrent de retenció Iuder.
Tiristor de bloqueig: es pot canviar a l'estat tancat aplicant un pols de control de polaritat inversa.
Tiristors: principi de funcionament, disseny, tipus i mètodes d'inclusió
Triacs (tiristors simètrics): corrent conductora en ambdues direccions.
Els tiristors s'utilitzen com a interruptors de proximitat i rectificadors controlables en dispositius d'automatització i convertidors de corrent elèctric. En circuits de corrent altern i polsat, és possible canviar el temps de l'estat obert del tiristor i, per tant, el temps de flux de corrent a través de la càrrega. Això us permet ajustar la potència distribuïda a la càrrega.