Dispositivi a semiconduttore: tipi, panoramica e usi
Il rapido sviluppo e l'espansione dei campi di applicazione dei dispositivi elettronici è dovuto al miglioramento dell'elemento base su cui si basano i dispositivi a semiconduttore... Pertanto, per comprendere i processi di funzionamento dei dispositivi elettronici, è necessario conoscere il dispositivo e il principio di funzionamento dei principali tipi di dispositivi a semiconduttore.
Materiali semiconduttori in termini di resistenza specifica, occupano una posizione intermedia tra conduttori e dielettrici.
I principali materiali per la fabbricazione di dispositivi a semiconduttore sono composti di silicio (Si), carburo di silicio (SiC), gallio e indio.
Conduttività dei semiconduttori dipende dalla presenza di impurità e influenze energetiche esterne (temperatura, irraggiamento, pressione, ecc.). Il flusso di corrente è causato da due tipi di portatori di carica: elettroni e lacune. A seconda della composizione chimica, viene fatta una distinzione tra semiconduttori puri e impuri.
Per la produzione di dispositivi elettronici vengono utilizzati semiconduttori solidi con struttura cristallina.
I dispositivi a semiconduttore sono dispositivi il cui funzionamento si basa sull'uso delle proprietà dei materiali semiconduttori.
Classificazione dei dispositivi a semiconduttore
Basato su semiconduttori continui, resistori a semiconduttore:
Resistenza lineare - La resistenza dipende leggermente dalla tensione e dalla corrente. È un "elemento" dei circuiti integrati.
Varistore: la resistenza dipende dalla tensione applicata.
Termistore: la resistenza dipende dalla temperatura. Ne esistono di due tipi: termistore (all'aumentare della temperatura, la resistenza diminuisce) e posistori (all'aumentare della temperatura, la resistenza aumenta).
Fotoresistenza: la resistenza dipende dall'illuminazione (radiazione). Deformatore: la resistenza dipende dalla deformazione meccanica.
Il principio di funzionamento della maggior parte dei dispositivi a semiconduttore si basa sulle proprietà della giunzione p-n della giunzione elettrone-lacuna.
Diodi a semiconduttore
È un dispositivo a semiconduttore con una giunzione p-n e due terminali, il cui funzionamento si basa sulle proprietà della giunzione p-n.
La proprietà principale della giunzione p-n è la conduzione unidirezionale: la corrente scorre in una sola direzione. La designazione grafica convenzionale (UGO) del diodo ha la forma di una freccia, che indica la direzione del flusso di corrente attraverso il dispositivo.
Strutturalmente, il diodo è costituito da una giunzione p-n racchiusa in una custodia (ad eccezione dei frame aperti del micromodulo) e due terminali: dall'anodo della regione p, dal catodo della regione n.
Questi. Un diodo è un dispositivo a semiconduttore che conduce la corrente in una sola direzione, dall'anodo al catodo.
La dipendenza della corrente attraverso il dispositivo dalla tensione applicata è chiamata dispositivo caratteristica corrente-tensione (VAC) I = f (U).La conduzione unilaterale del diodo è evidente dalla sua caratteristica IV (Fig. 1).
Figura 1 — Caratteristica corrente-tensione del diodo
A seconda dello scopo, i diodi a semiconduttore sono suddivisi in diodi raddrizzatori, universali, a impulsi, zener e stabilizzatori, diodi tunnel e inversi, LED e fotodiodi.
La conduzione unilaterale determina le proprietà di rettifica del diodo. Con il collegamento diretto («+» all'anodo e «-» al catodo) il diodo è aperto ed è attraversato da una corrente diretta sufficientemente grande. Al contrario («-» all'anodo e «+» al catodo), il diodo è chiuso, ma scorre una piccola corrente inversa.
I diodi raddrizzatori sono progettati per convertire la corrente alternata a bassa frequenza (solitamente inferiore a 50 kHz) in corrente continua, ad es. alzarsi. I loro parametri principali sono la corrente diretta massima consentita Ipr max e la tensione inversa massima consentita Uo6p max. Questi parametri sono chiamati limitazione: il loro superamento può disabilitare parzialmente o completamente il dispositivo.
Per aumentare questi parametri, vengono realizzate colonne di diodi, nodi, matrici, che sono serie-parallele, ponti o altre connessioni di giunzioni p-n.
I diodi universali vengono utilizzati per rettificare le correnti in un'ampia gamma di frequenze (fino a diverse centinaia di megahertz). I parametri di questi diodi sono gli stessi dei diodi raddrizzatori, ne vengono inseriti solo altri: la frequenza operativa massima (MHz) e la capacità del diodo (pF).
I diodi a impulsi sono progettati per la conversione del segnale a impulsi, vengono utilizzati nei circuiti a impulsi ad alta velocità.I requisiti per questi diodi sono legati alla garanzia di una risposta rapida del dispositivo alla natura impulsiva della tensione fornita: un breve tempo di transizione del diodo dallo stato chiuso allo stato aperto e viceversa.
Diodi Zener: si tratta di diodi a semiconduttore, la cui caduta di tensione dipende poco dalla corrente che scorre. Serve a stabilizzare la tensione.
Varikapi: il principio di funzionamento si basa sulla proprietà della giunzione p-n di modificare il valore della capacità della barriera quando il valore della tensione inversa cambia su di essa. Sono usati come condensatori variabili controllati in tensione. Negli schemi, i varicap sono accesi nella direzione opposta.
LED: si tratta di diodi a semiconduttore, il cui principio si basa sull'emissione di luce da una giunzione p-n quando viene attraversata da una corrente continua.
Fotodiodi: la corrente inversa dipende dall'illuminazione della giunzione p-n.
Diodi Schottky - basati su una giunzione metallo-semiconduttore, motivo per cui hanno un tasso di risposta significativamente più elevato rispetto ai diodi convenzionali.
Figura 2 — Rappresentazione grafica convenzionale dei diodi
Per ulteriori informazioni sui diodi vedere qui:
Parametri e schemi del raddrizzatore
Fotodiodi: dispositivo, caratteristiche e principi di funzionamento
Transistor
Un transistor è un dispositivo a semiconduttore progettato per amplificare, generare e convertire segnali elettrici, nonché per commutare circuiti elettrici.
Una caratteristica distintiva del transistor è la capacità di amplificare tensione e corrente: le tensioni e le correnti che agiscono all'ingresso del transistor portano alla comparsa di tensioni e correnti significativamente più elevate alla sua uscita.
Con la diffusione dell'elettronica digitale e dei circuiti a impulsi, la proprietà principale del transistor è la sua capacità di essere nello stato aperto e chiuso sotto l'influenza di un segnale di controllo.
Il transistor ha preso il nome dall'abbreviazione di due parole inglesi tran (sfer) (re) sistor - resistore controllato. Questo nome non è casuale, perché sotto l'azione della tensione di ingresso applicata al transistor, la resistenza tra i suoi terminali di uscita può essere regolata in un intervallo molto ampio.
Il transistor consente di regolare la corrente nel circuito da zero al valore massimo.
Classificazione dei transistor:
— secondo il principio di azione: campo (unipolare), bipolare, combinato.
— dal valore della potenza dissipata: bassa, media e alta.
— per il valore della frequenza limite: frequenza bassa, media, alta e altissima.
— dal valore della tensione di esercizio: bassa e alta tensione.
— per scopo funzionale: universale, rinforzante, chiave, ecc.
-a livello di design: a telaio aperto e in versione scatolata, con terminali rigidi e flessibili.
A seconda delle funzioni svolte, i transistor possono funzionare in tre modalità:
1) Modalità attiva - utilizzata per amplificare i segnali elettrici nei dispositivi analogici.La resistenza del transistor passa da zero al valore massimo - si dice che il transistor "si apre" o "si chiude".
2) Modalità di saturazione: la resistenza del transistor tende a zero. In questo caso, il transistor equivale a un contatto di relè chiuso.
3) Modalità di interruzione: il transistor è chiuso e ha un'elevata resistenza, ad es. equivale a un contatto di relè aperto.
Le modalità di saturazione e interruzione sono utilizzate nei circuiti digitali, a impulsi e di commutazione.
Un transistor bipolare è un dispositivo a semiconduttore con due giunzioni p-n e tre conduttori che forniscono l'amplificazione di potenza dei segnali elettrici.
Nei transistor bipolari, la corrente è causata dal movimento di portatori di carica di due tipi: elettroni e lacune, da cui il nome.
Sui diagrammi è consentito raffigurare transistor, sia in cerchio che senza di esso (Fig. 3). La freccia mostra la direzione del flusso di corrente nel transistor.
Figura 3 - Notazione grafica convenzionale dei transistor n-p-n (a) e p-n-p (b)
La base del transistor è una piastra semiconduttrice, in cui si formano tre sezioni con un tipo variabile di conduttività: elettrone e lacuna. A seconda dell'alternanza degli strati, si distinguono due tipi di struttura del transistor: n-p-n (Fig. 3, a) e p-n-p (Fig. 3, b).
Emettitore (E): uno strato che è una fonte di portatori di carica (elettroni o lacune) e crea una corrente sul dispositivo;
Collector (K) — uno strato che accetta portatori di carica provenienti dall'emettitore;
Base (B): lo strato intermedio che controlla la corrente del transistor.
Quando il transistor è collegato al circuito, uno dei suoi elettrodi viene immesso (la sorgente del segnale alternato di ingresso è attiva), l'altro viene emesso (il carico è attivo), il terzo elettrodo è comune all'ingresso e all'uscita. Nella maggior parte dei casi viene utilizzato un circuito emettitore comune (Figura 4). Alla base viene applicata una tensione non superiore a 1 V, più di 1 V al collettore, ad esempio +5 V, +12 V, +24 V, ecc.
Figura 4 — Schemi elettrici di un transistor bipolare a emettitore comune
La corrente di collettore si verifica solo quando scorre la corrente di base Ib (determinata da Ube).Più Ib, più Ik. Ib è misurato in unità di mA e la corrente del collettore è misurata in decine e centinaia di mA, cioè IbIk. Pertanto, quando un segnale CA di piccola ampiezza viene applicato alla base, la piccola Ib cambierà e la grande Ic cambierà in proporzione ad essa. Quando un collettore di resistenza di carico è incluso nel circuito, ad esso verrà distribuito un segnale, ripetendo la forma dell'ingresso, ma con un'ampiezza maggiore, ad es. segnale amplificato.
I parametri massimi ammissibili dei transistor includono, innanzitutto: la massima potenza ammissibile dissipata sul collettore Pk.max, la tensione tra il collettore e l'emettitore Uke.max, la corrente di collettore Ik.max.
Per aumentare i parametri limitanti, vengono prodotti gruppi di transistor, che possono contare fino a diverse centinaia di transistor collegati in parallelo racchiusi in un unico alloggiamento.
I transistor bipolari vengono ora utilizzati sempre meno, soprattutto nella tecnologia di potenza pulsata. Sono sostituiti da MOSFET e IGBT combinati, con indiscutibili vantaggi in questo campo dell'elettronica.
Nei transistor ad effetto di campo, la corrente è determinata dal movimento di portatori di un solo segno (elettroni o lacune). A differenza del bipolare, la corrente del transistor è guidata da un campo elettrico che modifica la sezione trasversale del canale conduttore.
Poiché non vi è corrente di ingresso nel circuito di ingresso, il consumo energetico di questo circuito è praticamente nullo, il che è senza dubbio un vantaggio del transistor ad effetto di campo.
Strutturalmente, un transistor è costituito da un canale conduttore di tipo n o p, alle cui estremità sono presenti regioni: una sorgente che emette portatori di carica e un drenaggio che accetta portatori.L'elettrodo utilizzato per regolare la sezione trasversale del canale è chiamato gate.
Un transistor ad effetto di campo è un dispositivo a semiconduttore che regola la corrente in un circuito modificando la sezione trasversale del canale conduttore.
Esistono transistor ad effetto di campo con gate a forma di giunzione pn e con gate isolato.
Nei transistor ad effetto di campo con un gate isolato tra il canale del semiconduttore e il gate metallico è presente uno strato isolante di dielettrico - transistor MIS (metallo - dielettrico - semiconduttore), un caso speciale - ossido di silicio - transistor MOS.
Un transistor MOS a canale integrato ha una conduttanza iniziale che, in assenza di un segnale di ingresso (Uzi = 0), è circa la metà del massimo. Nei transistor MOS con canale indotto a tensione Uzi = 0, la corrente di uscita è assente, Ic = 0, perché inizialmente non c'è canale conduttivo.
I MOSFET con un canale indotto sono anche chiamati MOSFET. Sono utilizzati principalmente come elementi chiave, ad esempio negli alimentatori a commutazione.
Gli elementi chiave basati sui transistor MOS presentano una serie di vantaggi: il circuito del segnale non è collegato galvanicamente alla sorgente dell'azione di controllo, il circuito di controllo non consuma corrente e ha una conduttività a doppia faccia. I transistor ad effetto di campo, a differenza di quelli bipolari, non temono il surriscaldamento.
Per ulteriori informazioni sui transistor vedere qui:
Tiristori
Un tiristore è un dispositivo a semiconduttore che opera in due stati stazionari: bassa conduzione (tiristore chiuso) e alta conduzione (tiristore aperto). Strutturalmente, un tiristore ha tre o più giunzioni p-n e tre uscite.
Oltre all'anodo e al catodo, nella progettazione del tiristore è prevista una terza uscita (elettrodo), chiamata controllo.
Il tiristore è progettato per la commutazione (accensione e spegnimento) senza contatto di circuiti elettrici. Sono caratterizzati da un'elevata velocità e dalla capacità di commutare correnti di entità molto significativa (fino a 1000 A). Vengono gradualmente sostituiti da transistor di commutazione.
Figura 5 - Convenzionale - designazione grafica dei tiristori
Dynistor (a due elettrodi): come i raddrizzatori convenzionali, hanno un anodo e un catodo. Quando la tensione diretta aumenta a un certo valore Ua = Uon, il dinistor si apre.
I tiristori (SCR - tre elettrodi) - hanno un elettrodo di controllo aggiuntivo; Uin viene modificato dalla corrente di controllo che scorre attraverso l'elettrodo di controllo.
Per trasferire il tiristore allo stato chiuso, è necessario applicare una tensione inversa (- all'anodo, + al catodo) o ridurre la corrente diretta al di sotto di un valore chiamato corrente di mantenimento Iuder.
Tiristore di blocco: può essere commutato allo stato chiuso applicando un impulso di controllo di polarità inversa.
Tiristori: principio di funzionamento, progettazione, tipi e metodi di inclusione
Triac (tiristori simmetrici): conducono corrente in entrambe le direzioni.
I tiristori vengono utilizzati come interruttori di prossimità e raddrizzatori controllabili nei dispositivi di automazione e nei convertitori di corrente elettrica. Nei circuiti a corrente alternata e pulsata, è possibile modificare il tempo dello stato aperto del tiristore, e quindi il tempo del flusso di corrente attraverso il carico. Ciò consente di regolare la potenza distribuita al carico.