Thiết bị bán dẫn - Loại, Tổng quan và Sử dụng
Sự phát triển và mở rộng nhanh chóng các lĩnh vực ứng dụng của thiết bị điện tử là do cơ sở nguyên tố làm cơ sở cho thiết bị bán dẫn được cải thiện... Vì vậy, để hiểu được các quá trình hoạt động của thiết bị điện tử, cần phải biết thiết bị và nguyên tắc hoạt động của các loại thiết bị bán dẫn chính.
vật liệu bán dẫn về điện trở cụ thể, chúng chiếm vị trí trung gian giữa chất dẫn điện và chất điện môi.
Vật liệu chính để sản xuất các thiết bị bán dẫn là các hợp chất silic (Si), cacbua silic (SiC), gali và indi.
độ dẫn bán dẫn phụ thuộc vào sự có mặt của tạp chất và ảnh hưởng năng lượng bên ngoài (nhiệt độ, bức xạ, áp suất, v.v.). Dòng điện được gây ra bởi hai loại hạt mang điện - electron và lỗ trống. Tùy thuộc vào thành phần hóa học, người ta phân biệt giữa chất bán dẫn tinh khiết và tạp chất.
Để sản xuất các thiết bị điện tử, chất bán dẫn rắn có cấu trúc tinh thể được sử dụng.
Thiết bị bán dẫn là thiết bị mà hoạt động của nó dựa trên việc sử dụng các đặc tính của vật liệu bán dẫn.
Phân loại thiết bị bán dẫn
Dựa vào chất bán dẫn liên tục, chất bán dẫn điện trở:
Điện trở tuyến tính - Điện trở phụ thuộc một chút vào điện áp và dòng điện. Nó là một "phần tử" của mạch tích hợp.
Varistor - điện trở phụ thuộc vào điện áp đặt vào.
Nhiệt điện trở - điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ. Có hai loại: nhiệt điện trở (khi nhiệt độ tăng, điện trở giảm) và posistor (khi nhiệt độ tăng, điện trở tăng).
Điện trở quang - điện trở phụ thuộc vào sự chiếu sáng (bức xạ). Biến dạng - điện trở phụ thuộc vào biến dạng cơ học.
Nguyên tắc hoạt động của hầu hết các thiết bị bán dẫn đều dựa trên tính chất tiếp giáp p-n của lớp tiếp xúc điện tử-lỗ trống.
điốt bán dẫn
Nó là một thiết bị bán dẫn có một điểm nối p-n và hai cực, hoạt động của nó dựa trên các đặc tính của điểm nối p-n.
Tính chất chính của tiếp giáp p-n là dẫn điện một chiều - dòng điện chỉ chạy theo một hướng. Ký hiệu đồ họa thông thường (UGO) của diode có dạng mũi tên, biểu thị hướng dòng điện chạy qua thiết bị.
Về mặt cấu trúc, diode bao gồm một điểm nối p-n được bao bọc trong một vỏ (ngoại trừ các khung mở vi mô-đun) và hai đầu cuối: từ cực dương vùng p, từ cực âm vùng n.
Những cái này. Đi-ốt là một linh kiện bán dẫn dẫn dòng điện chỉ theo một hướng—từ cực dương đến cực âm.
Sự phụ thuộc của dòng điện qua thiết bị vào điện áp đặt vào được gọi là thiết bị đặc tính dòng điện-điện áp (VAC) I = f(U).Sự dẫn điện một phía của diode thể hiện rõ qua đặc tính IV của nó (Hình 1).
Hình 1 - Đặc tính điện áp-dòng điốt
Tùy thuộc vào mục đích, điốt bán dẫn được chia thành bộ chỉnh lưu, vạn năng, xung, điốt zener và bộ ổn định, điốt đường hầm và đảo ngược, đèn LED và điốt quang.
Sự dẫn một phía xác định đặc tính chỉnh lưu của diode. Với kết nối trực tiếp («+» với cực dương và «-» với cực âm), điốt được mở và một dòng điện chuyển tiếp đủ lớn chạy qua nó. Ngược lại («-» với cực dương và «+» với cực âm), điốt được đóng lại, nhưng một dòng điện ngược nhỏ chạy qua.
Điốt chỉnh lưu được thiết kế để chuyển đổi dòng điện xoay chiều tần số thấp (thường dưới 50 kHz) thành dòng điện một chiều, tức là đưng lên. Các thông số chính của chúng là dòng điện chuyển tiếp tối đa cho phép Ipr max và điện áp ngược tối đa cho phép Uo6p max. Các tham số này được gọi là giới hạn — vượt quá chúng có thể vô hiệu hóa một phần hoặc hoàn toàn thiết bị.
Để tăng các tham số này, các cột diode, nút, ma trận được tạo ra, là các kết nối nối tiếp song song, cầu nối hoặc các kết nối khác của các mối nối p-n.
Điốt vạn năng được sử dụng để chỉnh lưu dòng điện trong dải tần số rộng (lên đến vài trăm megahertz). Các tham số của các điốt này giống như các tham số của điốt chỉnh lưu, chỉ có các tham số bổ sung được nhập: tần số hoạt động tối đa (MHz) và điện dung của điốt (pF).
Điốt xung được thiết kế để chuyển đổi tín hiệu xung, chúng được sử dụng trong các mạch xung tốc độ cao.Các yêu cầu đối với các điốt này liên quan đến việc đảm bảo thiết bị phản ứng nhanh với tính chất xung của điện áp được cung cấp — thời gian chuyển tiếp ngắn của điốt từ trạng thái đóng sang trạng thái mở và ngược lại.
Điốt Zener - đây là những điốt bán dẫn, điện áp rơi trên đó phụ thuộc rất ít vào dòng điện chạy qua. Nó phục vụ để ổn định căng thẳng.
Varikapi - nguyên tắc hoạt động dựa trên đặc tính của tiếp giáp p-n để thay đổi giá trị của điện dung rào cản khi giá trị của điện áp ngược thay đổi trên nó. Chúng được sử dụng làm tụ điện biến đổi điều khiển điện áp. Trong các sơ đồ, các varicaps được bật theo hướng ngược lại.
Đèn LED - đây là các điốt bán dẫn, nguyên tắc dựa trên sự phát xạ ánh sáng từ tiếp giáp p-n khi có dòng điện một chiều đi qua nó.
Điốt quang - dòng điện ngược phụ thuộc vào độ sáng của tiếp giáp p-n.
Điốt Schottky - dựa trên mối nối bán dẫn kim loại, đó là lý do tại sao chúng có tốc độ phản hồi cao hơn đáng kể so với điốt thông thường.
Hình 2 - Biểu diễn đồ họa thông thường của điốt
Để biết thêm thông tin về điốt xem tại đây:
Các thông số và sơ đồ của bộ chỉnh lưu
Photodiodes: thiết bị, đặc điểm và nguyên tắc hoạt động
Linh kiện bán dẫn
Transistor là một thiết bị bán dẫn được thiết kế để khuếch đại, tạo và chuyển đổi tín hiệu điện, cũng như chuyển mạch điện.
Một tính năng đặc biệt của bóng bán dẫn là khả năng khuếch đại điện áp và dòng điện - điện áp và dòng điện tác động ở đầu vào của bóng bán dẫn dẫn đến sự xuất hiện của điện áp và dòng điện cao hơn đáng kể ở đầu ra của nó.
Với sự phổ biến của điện tử kỹ thuật số và mạch xung, đặc tính chính của bóng bán dẫn là khả năng ở trạng thái mở và đóng dưới tác động của tín hiệu điều khiển.
Transistor lấy tên từ chữ viết tắt của hai từ tiếng Anh tran (sfer) (re) sistor - điện trở điều khiển. Cái tên này không phải là ngẫu nhiên, bởi vì dưới tác động của điện áp đầu vào đặt vào bóng bán dẫn, điện trở giữa các cực đầu ra của nó có thể được điều chỉnh trong một phạm vi rất rộng.
Bóng bán dẫn cho phép bạn điều chỉnh dòng điện trong mạch từ 0 đến giá trị tối đa.
Phân loại tranzito:
— theo nguyên tắc hoạt động: trường (đơn cực), lưỡng cực, kết hợp.
— theo giá trị của công suất tiêu tán: thấp, trung bình và cao.
- theo giá trị của tần số giới hạn: tần số thấp, trung bình, cao và siêu cao.
- theo giá trị của điện áp làm việc: điện áp thấp và cao.
- theo mục đích chức năng: phổ quát, gia cố, chìa khóa, v.v.
-về thiết kế: với khung mở và phiên bản dạng hộp, với các đầu cuối cứng và linh hoạt.
Tùy thuộc vào các chức năng được thực hiện, bóng bán dẫn có thể hoạt động ở ba chế độ:
1) Chế độ hoạt động - được sử dụng để khuếch đại tín hiệu điện trong các thiết bị tương tự... Điện trở của bóng bán dẫn thay đổi từ 0 đến giá trị lớn nhất - người ta nói rằng bóng bán dẫn "mở" hoặc "đóng".
2) Chế độ bão hòa - điện trở của bóng bán dẫn có xu hướng bằng không. Trong trường hợp này, bóng bán dẫn tương đương với một tiếp điểm rơle đóng.
3) Chế độ ngắt — bóng bán dẫn đóng và có điện trở cao, tức là. nó tương đương với một tiếp điểm rơle mở.
Các chế độ bão hòa và cắt được sử dụng trong các mạch kỹ thuật số, xung và chuyển mạch.
Một bóng bán dẫn lưỡng cực là một thiết bị bán dẫn có hai điểm nối p-n và ba dây dẫn cung cấp khả năng khuếch đại công suất của tín hiệu điện.
Trong các bóng bán dẫn lưỡng cực, dòng điện được gây ra bởi sự chuyển động của các hạt mang điện gồm hai loại: electron và lỗ trống, chiếm tên của chúng.
Trên sơ đồ, nó được phép mô tả các bóng bán dẫn, cả trong một vòng tròn và không có nó (Hình 3). Mũi tên chỉ chiều dòng điện chạy trong tranzito.
Hình 3 - Ký hiệu đồ họa thông thường của bóng bán dẫn n-p-n (a) và p-n-p (b)
Cơ sở của bóng bán dẫn là một tấm bán dẫn, trong đó ba phần có loại độ dẫn thay đổi - electron và lỗ trống - được hình thành. Tùy thuộc vào sự xen kẽ của các lớp, hai loại cấu trúc bóng bán dẫn được phân biệt: n-p-n (Hình 3, a) và p-n-p (Hình 3, b).
Bộ phát (E) — một lớp là nguồn mang điện tích (electron hoặc lỗ trống) và tạo ra dòng điện trên thiết bị;
Bộ thu (K) — một lớp tiếp nhận các hạt mang điện đến từ bộ phát;
Cơ sở (B) - lớp giữa điều khiển dòng điện của bóng bán dẫn.
Khi bóng bán dẫn được kết nối với mạch, một trong các điện cực của nó là đầu vào (bật nguồn của tín hiệu xoay chiều đầu vào), điện cực còn lại là đầu ra (bật tải), điện cực thứ ba là chung cho đầu vào và đầu ra. Trong hầu hết các trường hợp, một mạch phát chung được sử dụng (Hình 4). Điện áp không quá 1 V được đặt vào đế, hơn 1 V cho bộ thu, ví dụ +5 V, +12 V, +24 V, v.v.
Hình 4 - Sơ đồ mạch của bóng bán dẫn lưỡng cực bộ phát chung
Dòng điện cực thu chỉ xuất hiện khi dòng điện cơ sở Ib (được xác định bởi Ube) đang chạy.Ib càng nhiều Ik càng nhiều. Ib được đo bằng đơn vị mA và dòng thu được đo bằng hàng chục và hàng trăm mA, tức là IbIk. Do đó, khi một tín hiệu AC biên độ nhỏ được đưa vào đế, Ib nhỏ sẽ thay đổi và Ic lớn sẽ thay đổi tỷ lệ thuận với nó. Khi một bộ thu điện trở tải được đưa vào mạch, một tín hiệu sẽ được phân phối tới nó, lặp lại hình dạng của đầu vào, nhưng với biên độ lớn hơn, tức là khuếch đại tín hiệu.
Các thông số tối đa cho phép của bóng bán dẫn trước hết bao gồm: công suất tiêu thụ tối đa cho phép trên bộ thu Pk.max, điện áp giữa bộ thu và bộ phát Uke.max, dòng điện của bộ thu Ik.max.
Để tăng các tham số giới hạn, các cụm bóng bán dẫn được sản xuất, có thể lên tới hàng trăm bóng bán dẫn được kết nối song song được bao bọc trong một vỏ.
Các bóng bán dẫn lưỡng cực hiện nay ngày càng ít được sử dụng, đặc biệt là trong công nghệ điện xung. Chúng được thay thế bằng MOSFET và IGBT kết hợp, có những lợi thế không thể chối cãi trong lĩnh vực điện tử này.
Trong các bóng bán dẫn hiệu ứng trường, dòng điện được xác định bởi sự chuyển động của các hạt tải điện chỉ có một dấu hiệu (electron hoặc lỗ trống). Không giống như lưỡng cực, dòng điện bán dẫn được điều khiển bởi một điện trường làm thay đổi mặt cắt ngang của kênh dẫn.
Vì không có dòng điện đầu vào trong mạch đầu vào, nên mức tiêu thụ điện năng của mạch này thực tế bằng không, đây chắc chắn là một lợi thế của bóng bán dẫn hiệu ứng trường.
Về mặt cấu trúc, một bóng bán dẫn bao gồm một kênh dẫn loại n hoặc p, ở hai đầu của kênh có các vùng: nguồn phát ra các hạt mang điện và một cống tiếp nhận các hạt tải điện.Điện cực được sử dụng để điều chỉnh mặt cắt ngang của kênh được gọi là cổng.
Transistor hiệu ứng trường là một thiết bị bán dẫn điều chỉnh dòng điện trong mạch bằng cách thay đổi tiết diện của kênh dẫn.
Có các bóng bán dẫn hiệu ứng trường có cổng ở dạng tiếp giáp pn và có cổng cách ly.
Trong các bóng bán dẫn hiệu ứng trường có cổng cách điện giữa kênh bán dẫn và cổng kim loại có một lớp điện môi cách điện - bóng bán dẫn MIS (kim loại - điện môi - bán dẫn), một trường hợp đặc biệt - oxit silic - bóng bán dẫn MOS.
Một bóng bán dẫn MOS kênh tích hợp có độ dẫn ban đầu, khi không có tín hiệu đầu vào (Uzi = 0), xấp xỉ một nửa mức tối đa. Trong các bóng bán dẫn MOS có kênh cảm ứng ở điện áp Uzi = 0, dòng điện đầu ra không có, Ic = 0, vì ban đầu không có kênh dẫn.
MOSFET có kênh cảm ứng còn được gọi là MOSFET. Chúng chủ yếu được sử dụng làm các yếu tố chính, ví dụ như trong việc chuyển đổi nguồn điện.
Các yếu tố chính dựa trên bóng bán dẫn MOS có một số ưu điểm: mạch tín hiệu không được kết nối điện với nguồn của hành động điều khiển, mạch điều khiển không tiêu thụ dòng điện và có độ dẫn hai mặt. Các bóng bán dẫn hiệu ứng trường, không giống như lưỡng cực, không sợ quá nóng.
Để biết thêm thông tin về bóng bán dẫn xem tại đây:
Thyristor
Thyristor là một linh kiện bán dẫn hoạt động ở hai trạng thái ổn định — dẫn điện thấp (thyristor đóng) và dẫn điện cao (thyristor mở). Về mặt cấu trúc, một thyristor có ba hoặc nhiều mối nối p-n và ba đầu ra.
Ngoài cực dương và cực âm, một đầu ra thứ ba (điện cực) được cung cấp trong thiết kế của thyristor, được gọi là bộ điều khiển.
Thyristor được thiết kế để chuyển đổi không tiếp xúc (bật và tắt) mạch điện. Chúng được đặc trưng bởi tốc độ cao và khả năng chuyển đổi dòng điện có cường độ rất đáng kể (lên đến 1000 A). Chúng đang dần được thay thế bằng các bóng bán dẫn chuyển mạch.
Hình 5 - Thông thường - ký hiệu đồ họa của thyristor
Dynistor (hai điện cực) — giống như các bộ chỉnh lưu thông thường, chúng có một cực dương và một cực âm. Khi điện áp thuận tăng lên ở một giá trị nào đó Ua = Uon, thì dinistor mở ra.
Thyristor (SCR - ba điện cực) - có một điện cực điều khiển bổ sung; Uin được thay đổi bởi dòng điện điều khiển chạy qua điện cực điều khiển.
Để chuyển thyristor sang trạng thái đóng, cần đặt một điện áp ngược (- vào cực dương, + vào cực âm) hoặc giảm dòng điện thuận xuống dưới một giá trị gọi là dòng giữ Iuder.
Khóa thyristor - có thể được chuyển sang trạng thái đóng bằng cách áp dụng xung điều khiển có cực tính ngược.
Thyristor: nguyên tắc hoạt động, thiết kế, loại và phương pháp đưa vào
Triacs (thyristor đối xứng) — dẫn dòng điện theo cả hai hướng.
Thyristor được sử dụng làm công tắc lân cận và bộ chỉnh lưu có thể điều khiển được trong các thiết bị tự động hóa và bộ chuyển đổi dòng điện. Trong các mạch dòng điện xoay chiều và xung, có thể thay đổi thời gian của trạng thái mở của thyristor, và do đó là thời gian của dòng điện chạy qua tải. Điều này cho phép bạn điều chỉnh công suất phân phối cho tải.