התקני מוליכים למחצה - סוגים, סקירה ושימושים
ההתפתחות המהירה והרחבת תחומי היישום של מכשירים אלקטרוניים נובעת משיפור בסיס האלמנטים עליו מבוססים התקני מוליכים למחצה... לכן, על מנת להבין את תהליכי התפקוד של מכשירים אלקטרוניים, יש צורך לדעת המכשיר ועקרון הפעולה של הסוגים העיקריים של התקני מוליכים למחצה.
חומרים מוליכים למחצה מבחינת ההתנגדות הספציפית שלהם, הם תופסים עמדת ביניים בין מוליכים ודיאלקטריים.
החומרים העיקריים לייצור התקני מוליכים למחצה הם סיליקון (Si), סיליקון קרביד (SiC), תרכובות גליום ואינדיום.
מוליכות מוליכים למחצה תלוי בנוכחות של זיהומים והשפעות אנרגיה חיצוניות (טמפרטורה, קרינה, לחץ וכו'). זרימת זרם נגרמת על ידי שני סוגים של נושאי מטען - אלקטרונים וחורים. בהתאם להרכב הכימי, מתבצעת הבחנה בין מוליכים למחצה טהורים לטומאה.
לייצור מכשירים אלקטרוניים משתמשים במוליכים למחצה מוצקים בעלי מבנה גבישי.
התקני מוליכים למחצה הם מכשירים אשר פעולתם מבוססת על שימוש במאפיינים של חומרים מוליכים למחצה.
סיווג התקני מוליכים למחצה
מבוסס על מוליכים למחצה רציפים, נגדים מוליכים למחצה:
נגד ליניארי - ההתנגדות תלויה מעט במתח ובזרם. זהו "אלמנט" של מעגלים משולבים.
Varistor - ההתנגדות תלויה במתח המופעל.
תרמיסטור - התנגדות תלויה בטמפרטורה. ישנם שני סוגים: תרמיסטור (ככל שהטמפרטורה עולה, ההתנגדות יורדת) ופוזיסטורים (ככל שהטמפרטורה עולה, ההתנגדות עולה).
Photoresistor - ההתנגדות תלויה בתאורה (קרינה). דפורמטור - התנגדות תלויה בעיוות מכני.
עקרון הפעולה של רוב מכשירי המוליכים למחצה מבוסס על מאפייני צומת האלקטרון-חור p-n-צומת.
דיודות מוליכים למחצה
זהו התקן מוליכים למחצה עם צומת p-n אחד ושני מסופים, פעולתו מבוססת על המאפיינים של צומת p-n.
המאפיין העיקרי של צומת p-n הוא הולכה חד כיוונית - הזרם זורם רק בכיוון אחד. הייעוד הגרפי הרגיל (UGO) של הדיודה הוא בצורת חץ, המציין את כיוון זרימת הזרם דרך המכשיר.
מבחינה מבנית, הדיודה מורכבת מצומת p-n סגורה במארז (למעט מסגרות פתוחות של מיקרו-מודולים) ושני מסופים: מהאנודה-p-region, מה-n-region-cathode.
אלה. דיודה היא מכשיר מוליכים למחצה המוליך זרם בכיוון אחד בלבד - מהאנודה לקתודה.
התלות של הזרם דרך המכשיר במתח המופעל נקראת התקן זרם-מתח מאפיין (VAC) I = f (U).ההולכה החד-צדדית של הדיודה ניכרת ממאפיין ה-I-V שלה (איור 1).
איור 1 - מאפיין זרם-מתח דיודה
בהתאם למטרה, דיודות מוליכים למחצה מחולקות למיישר, אוניברסלי, דיודות דופק, זנר ומייצבים, דיודות מנהרה והפוכות, נוריות ופוטודיודות.
ההולכה החד-צדדית קובעת את תכונות התיקון של הדיודה. עם חיבור ישיר («+» לאנודה ו- «-» לקתודה) הדיודה פתוחה וזרם קדימה גדול מספיק זורם דרכה. בהיפוך («-» לאנודה ו- «+» לקתודה), הדיודה סגורה, אבל זרם הפוך קטן זורם.
דיודות מיישרים נועדו להמיר זרם חילופין בתדר נמוך (בדרך כלל פחות מ-50 קילו-הרץ) לזרם ישר, כלומר. לעמוד. הפרמטרים העיקריים שלהם הם זרם קדימה המקסימלי המותר Ipr max והמתח המקסימלי לאחור המותר Uo6p max. פרמטרים אלה נקראים הגבלה - חריגה מהם עלולה להשבית את המכשיר באופן חלקי או מלא.
כדי להגדיל את הפרמטרים האלה, נוצרים עמודות דיודה, צמתים, מטריצות, שהן חיבורים מקבילים לסדרה, גשר או חיבורים אחרים של צמתים p-n.
דיודות אוניברסליות משמשות לתיקון זרמים בטווח תדרים רחב (עד כמה מאות מגה-הרץ). הפרמטרים של דיודות אלה זהים לאלו של דיודות המיישר, רק אלו מוזנים: תדר ההפעלה המקסימלי (MHz) וקיבול הדיודה (pF).
דיודות דופק מיועדות להמרת אותות דופק, הן משמשות במעגלי דופק מהירים.הדרישות לדיודות אלו קשורות להבטחת תגובה מהירה של המכשיר לאופי הדחף של המתח המסופק - זמן מעבר קצר של הדיודה ממצב סגור למצב פתוח ולהיפך.
דיודות זנר - אלו הן דיודות מוליכים למחצה, ירידת המתח עליה תלויה מעט בזרם הזורם. זה משמש לייצוב המתח.
Varikapi - עקרון הפעולה מבוסס על התכונה של צומת p-n לשנות את ערך קיבול המחסום כאשר ערך המתח ההפוך משתנה עליו. הם משמשים כקבלים משתנים נשלטי מתח. בתוכניות, ה- varicaps מופעלים בכיוון ההפוך.
נוריות - אלו הן דיודות מוליכים למחצה, שהעיקרון שלהן מבוסס על פליטת אור מצומת p-n כאשר זרם ישר עובר דרכו.
פוטודיודות - הזרם ההפוך תלוי בהארה של צומת p-n.
דיודות שוטקי - מבוססות על צומת מתכת מוליכים למחצה, ולכן יש להן קצב תגובה גבוה משמעותית מהדיודות הקונבנציונליות.
איור 2 - ייצוג גרפי קונבנציונלי של דיודות
למידע נוסף על דיודות ראה כאן:
פוטודיודות: מכשיר, מאפיינים ועקרונות הפעולה
טרנזיסטורים
טרנזיסטור הוא התקן מוליכים למחצה שנועד להגביר, ליצור ולהמיר אותות חשמליים, כמו גם להחליף מעגלים חשמליים.
תכונה ייחודית של הטרנזיסטור היא היכולת להגביר מתח וזרם - מתחים וזרמים הפועלים בכניסת הטרנזיסטור מובילים להופעת מתחים וזרמים גבוהים משמעותית במוצאו.
עם התפשטות האלקטרוניקה הדיגיטלית ומעגלי הדופק, המאפיין העיקרי של הטרנזיסטור הוא יכולתו להיות במצב פתוח וסגור בהשפעת אות בקרה.
הטרנזיסטור קיבל את שמו מהקיצור של שתי מילים באנגלית tran (sfer) (re) sistor - נגד מבוקר. שם זה אינו מקרי, מכיוון שתחת פעולת מתח הכניסה המופעל על הטרנזיסטור, ניתן להתאים את ההתנגדות בין מסופי המוצא שלו בטווח רחב מאוד.
הטרנזיסטור מאפשר לך להתאים את הזרם במעגל מאפס לערך המקסימלי.
סיווג טרנזיסטורים:
— לפי עקרון הפעולה: שדה (חד קוטבי), דו קוטבי, משולב.
- לפי ערך ההספק המתפזר: נמוך, בינוני וגבוה.
- לפי ערך התדר המגביל: תדר נמוך, בינוני, גבוה ואולטרה-גבוה.
- לפי ערך מתח ההפעלה: מתח נמוך וגבוה.
- לפי מטרה פונקציונלית: אוניברסלי, חיזוק, מפתח וכו'.
-מבחינה עיצובית: עם מסגרת פתוחה ובגרסת קופסה, עם מסופים קשיחים וגמישים.
בהתאם לפונקציות שבוצעו, טרנזיסטורים יכולים לעבוד בשלושה מצבים:
1) מצב אקטיבי - משמש להגברת אותות חשמליים במכשירים אנלוגיים ההתנגדות של הטרנזיסטור משתנה מאפס לערך המקסימלי - אומרים שהטרנזיסטור "נפתח" או "נסגר".
2) מצב רוויה - ההתנגדות של הטרנזיסטור שואפת לאפס. במקרה זה, הטרנזיסטור שווה ערך למגע ממסר סגור.
3) מצב ניתוק - הטרנזיסטור סגור ובעל התנגדות גבוהה, כלומר. זה שווה ערך למגע ממסר פתוח.
מצבי הרוויה והניתוק משמשים במעגלים דיגיטליים, דופק ומיתוג.
טרנזיסטור דו קוטבי הוא התקן מוליכים למחצה עם שני צמתים p-n ושלושה מוליכים המספקים הגברה של אותות חשמליים.
בטרנזיסטורים דו-קוטביים, הזרם נגרם על ידי תנועה של נושאי מטען משני סוגים: אלקטרונים וחורים, המהווים את שמם.
בתרשימים, מותר לתאר טרנזיסטורים, הן במעגל והן בלעדיו (איור 3). החץ מציג את כיוון זרימת הזרם בטרנזיסטור.
איור 3 - סימון גרפי קונבנציונלי של טרנזיסטורים n-p-n (a) ו-p-n-p (b)
הבסיס של הטרנזיסטור הוא צלחת מוליכים למחצה, שבה נוצרים שלושה חלקים בעלי מוליכות מסוג משתנה - אלקטרון וחור. בהתאם לחילופין של השכבות, נבדלים שני סוגים של מבנה טרנזיסטור: n-p-n (איור 3, א) ו-p-n-p (איור 3, ב).
פולט (E) - שכבה המהווה מקור לנשאי מטען (אלקטרונים או חורים) ויוצרת זרם על המכשיר;
קולט (K) - שכבה המקבלת נושאי מטען המגיעים מהפולט;
בסיס (B) - השכבה האמצעית השולטת בזרם הטרנזיסטור.
כאשר הטרנזיסטור מחובר למעגל, אחת האלקטרודות שלו נכנסת (מקור האות המתחלף של הכניסה פועל), השנייה היא פלט (העומס מופעל), האלקטרודה השלישית משותפת לכניסה וליציאה. ברוב המקרים, נעשה שימוש במעגל פולט נפוץ (איור 4). מתח של לא יותר מ-1 וולט מופעל על הבסיס, יותר מ-1 וולט לאספן, למשל +5 וולט, +12 וולט, +24 וולט וכו'.
איור 4 - דיאגרמות מעגלים של טרנזיסטור דו-קוטבי פולט משותף
זרם האספן מתרחש רק כאשר זרם הבסיס Ib (נקבע על ידי Ube) זורם.ככל שיותר איב, יותר אייק. Ib נמדד ביחידות של mA, וזרם הקולטור נמדד בעשרות ומאות של mA, כלומר. איביק. לכן, כאשר אות AC משרעת קטנה מופעל על הבסיס, ה-Ib הקטן ישתנה וה-Ic הגדול ישתנה ביחס אליו. כאשר אספן התנגדות עומס כלול במעגל, יחולק אליו אות, החוזר על צורת הקלט, אך עם משרעת גדולה יותר, כלומר. אות מוגבר.
הפרמטרים המקסימליים המותרים של הטרנזיסטורים כוללים, קודם כל: ההספק המרבי המותר המתפזר על הקולט Pk.max, המתח בין הקולט לפולט Uke.max, זרם הקולט Ik.max.
כדי להגדיל את הפרמטרים המגבילים, מיוצרים מכלולי טרנזיסטורים שיכולים למנות עד כמה מאות טרנזיסטורים מחוברים מקבילים הכלואים בבית יחיד.
כיום משתמשים בטרנזיסטורים דו-קוטביים פחות ופחות, במיוחד בטכנולוגיית הספק פולס. הם מוחלפים על ידי MOSFETs ו-IGBTs משולבים, עם יתרונות שאין עוררין על תחום זה של אלקטרוניקה.
בטרנזיסטורים עם אפקט שדה, הזרם נקבע על ידי תנועת נשאים של סימן אחד בלבד (אלקטרונים או חורים). שלא כמו דו קוטבי, זרם הטרנזיסטור מונע על ידי שדה חשמלי המשנה את החתך של הערוץ המוליך.
מכיוון שאין זרם כניסה במעגל הכניסה, צריכת החשמל של מעגל זה היא כמעט אפס, וזה ללא ספק יתרון של טרנזיסטור אפקט שדה.
מבחינה מבנית, טרנזיסטור מורכב מתעלה מוליכה מסוג n או p, שבקצותיה ישנם אזורים: מקור שפולט נושאי מטען וניקוז המקבל נשאים.האלקטרודה המשמשת להתאמת חתך התעלה נקראת השער.
טרנזיסטור אפקט שדה הוא התקן מוליכים למחצה המווסת את הזרם במעגל על ידי שינוי החתך של הערוץ המוליך.
ישנם טרנזיסטורי אפקט שדה עם שער בצורת צומת pn ועם שער מבודד.
בטרנזיסטורי אפקט שדה עם שער מבודד בין ערוץ המוליכים למחצה לשער המתכת קיימת שכבת בידוד של טרנזיסטורי דיאלקטרי - MIS (מתכת - דיאלקטרי - מוליכים למחצה), מארז מיוחד - תחמוצת סיליקון - טרנזיסטורי MOS.
לטרנזיסטור MOS ערוץ מובנה יש מוליכות ראשונית שבהיעדר אות כניסה (Uzi = 0), היא כמחצית מהמקסימום. בטרנזיסטורים MOS עם ערוץ מושרה במתח Uzi = 0, זרם המוצא נעדר, Ic = 0, כי בתחילה אין ערוץ מוליך.
MOSFETs עם ערוץ מושרה נקראים גם MOSFETs. הם משמשים בעיקר כמרכיבי מפתח, למשל בהחלפת ספקי כוח.
למרכיבי המפתח המבוססים על טרנזיסטורי MOS יש מספר יתרונות: מעגל האות אינו מחובר באופן גלווני למקור פעולת הבקרה, מעגל הבקרה אינו צורך זרם ויש לו מוליכות דו-צדדית. טרנזיסטורי אפקט שדה, בניגוד לדו-קוטביים, אינם מפחדים מהתחממות יתר.
למידע נוסף על טרנזיסטורים ראה כאן:
תיריסטורים
תיריסטור הוא התקן מוליכים למחצה הפועל בשני מצבים יציבים - הולכה נמוכה (תיריסטור סגור) והולכה גבוהה (תיריסטור פתוח). מבחינה מבנית, לתיריסטור שלושה או יותר צמתים p-n ושלוש יציאות.
בנוסף לאנודה ולקתודה, מוצא שלישי (אלקטרודה) מסופק בעיצוב התיריסטור, הנקרא בקרה.
התיריסטור מיועד למיתוג ללא מגע (הפעלה וכיבוי) של מעגלים חשמליים. הם מתאפיינים במהירות גבוהה וביכולת החלפת זרמים בסדר גודל משמעותי מאוד (עד 1000 A). הם מוחלפים בהדרגה בטרנזיסטורים מיתוג.
איור 5 - קונבנציונלי - ייעוד גרפי של תיריסטורים
דיניסטורים (שתי אלקטרודות) - כמו מיישרים קונבנציונליים, יש להם אנודה וקתודה. כאשר המתח קדימה עולה בערך מסוים Ua = Uon, הדיניסטור נפתח.
תיריסטורים (SCRs - שלוש אלקטרודות) - יש אלקטרודת בקרה נוספת; Uin משתנה על ידי זרם הבקרה הזורם דרך אלקטרודת הבקרה.
כדי להעביר את התיריסטור למצב סגור, יש צורך להפעיל מתח הפוך (- לאנודה, + לקתודה) או להפחית את הזרם קדימה מתחת לערך הנקרא זרם החזקת Iuder.
תיריסטור נעילה - ניתן להעביר למצב סגור על ידי הפעלת דופק בקרה של קוטביות הפוכה.
תיריסטורים: עקרון הפעולה, עיצוב, סוגי ושיטות הכללה
טריאקים (תיריסטורים סימטריים) - מוליכים זרם בשני הכיוונים.
תיריסטורים משמשים כמתגי קירבה ומיישרים הניתנים לשליטה במכשירי אוטומציה וממירי זרם חשמלי. במעגלי זרם חילופין ופועמים, ניתן לשנות את זמן המצב הפתוח של התיריסטור, ומכאן את זמן זרימת הזרם דרך העומס. זה מאפשר לך להתאים את הכוח המופץ לעומס.