Poluprovodnici

Šta vrijedi znati o polprovodnicima !

Šta su poluprovodnici?
Već sredinom 19. vijeka fizičari su otkrili da postoje materijali koji provode i oni koji ne provode električnu energiju.  Na primjer, metali kao što su bakar i srebro imaju odličnu električnu vodljivost, a drugi materijali kao što su staklo i porculan su dielektrični ili izolatori.  Daljnja istraživanja otkrila su da postoje i tvari koje mogu biti vodljive ili neprovodne pod određenim uvjetima.  Na primjer, takvi materijali mijenjaju svoju vodljivost ovisno o temperaturi. Potom su potpali pod kategoriju "poluprovodnika".  Godine 1874., kasnije nobelovac Ferdinand Braun je primijetio da kada postoji metalni kontakt s komadom pirita, električni otpor se razlikuje ovisno o smjeru struje. Tada nije bilo pravog objašnjenja za to, ali je ubrzo iskoristio učinak ispravljača.

U pokusima s germanijskom pločom na koju su stisnuta dva metalna vrha, primijetili su američki fizičari Bardeen, Schockley i Brattain 1947 pojačavajući učinak njihovog rasporeda Tako je otkriven princip rada bipolarnog tranzistora.  Zatim je trebalo nešto više od desetljeća prije nego što se na toj osnovi mogu proizvesti pouzdane komponente u velikim količinama.

Od 1960-ih nadalje, poluvodički uređaji zamijenili su elektronske cijevi, koje su se prije koristile u elektronici.  Tranzistori imaju značajne prednosti nad njima:  manji su, ne zahtijevaju snagu grijanja, rade na znatno nižim pogonskim naponima i mehanički su neosjetljivi. Osim toga, uspio je 1970-ih na poluprovodničkom čipu kombinirati nekoliko funkcionalnih jedinica.  "Integralni krug" je započeo svoju pobjedu. No, radi se o poluprovodničkim pojedinačnim uređajima, koji se nazivaju i "diskretni" poluprovodnici.

Najvažniji Poluprovodnički materijal danas je silicij, koji je zamijenio prije nekoliko godina dominantni germanij . Za određene primjene, npr. B. Optoelektronika su spojevi III / IV kao što je galijev arzenid.  U međuvremenu, već postoje primjene za organske poluprovodnike.

Kako poluvodički uređaji rade?
Prema modelu fizičkog raspona, razlika između izolatora, poluprovodnika i provodnika jesu različite razine energije unutar atomske strukture različitih materijala na kojima postoje mobilni prijenosnici naboja.  Da bi ga mogli voditi, moraju se iz takozvanog valentnog pojasa promijeniti u tzv. provodni pojas. Za razliku od izolatora, gdje postoji značajan razmak između provodnog pojasa i valentnog pojasa, ove se pruge preklapaju na provodnicima, npr. kao metali.  U poluprovodnicima su trake međusobno blizu, to je vanjski utjecaj, na pr. povećanje temperature, svjetlosno zračenje ili električno polje mogu podići slobodne nosioce naboja u provodnom pojasu.

Poluvodički materijal izrađen je uvođenjem stranih atoma, takozvanog "dopiranja", n-tipa ili p-tipa.  To znači da postoji ili višak ili nedostatak slobodnih nosača naboja u strukturama materijala.  Negativni su slobodni elektroni; pozitivni naboj naziva se "rupa" ili "defekelektron".

Ovako djeluje jedna dioda
U smjeru prema naprijed, nosioci naboja stižu do sloja barijere i mogu tamo "rekombinirati", tj. ujediniti se s "rupom".  Struja može teći.  Kod obrnutog polariteta, nosači naboja se uklanjaju iz sloja barijere.  Nema struje.

Slika1a: Nosači naboja nadilaze elektrostatičko polje
(1) priključak, (2) n, (3) p, (4) struja elektrona
 

Slika 1b: Nosači naboja izvlače se iz graničnog sloja

Pri prijelazu između p-dopiranih i n-dopiranih poluprovodnika formira se granični sloj, koji se naziva i "barijerni sloj" ili p-n spoj. Ovdje se nosioci naboja mogu kretati, ali samo u vrlo malom području, koje je ograničeno elektrostatičkim poljem između pokretnih nosača naboja. Ako se negativni terminal električnog napona primijeni na n-dopirani poluprovodnik i plus pol poluprovodnika s dopiranim p-om, nositelji naboja prevladavaju polje i struja može teći (Slika 1 a).  Ovaj proces zahtijeva minimalni napon.  To je oko 0,7 volti za silicij i oko 0,3 volta za germanij.  Ako se napon promijeni, nositelji naboja se uklanjaju s graničnog sloja na obje strane (slika 1b).  Ne može teći.  Taj se proces naziva "efekt ispravljača", tehnička komponenta je "dioda".

Ako izgradite raspored koji se sastoji od tri sloja materijala različitog dopinga, z. Kao N-P-N ili P-N-P, pojavljuju se kako je gore opisano, prva dva sloja barijere, koji se ponašaju kao dvije diode međusobno povezane (slika 2).  Budući da je jedan od njih uvijek u obrnutom smjeru, struja ne može strujati, bez obzira na to kako je izvor napona poliran.  Ako je srednji sloj vrlo tanak i tamo se primjenjuje napon, potencijali u graničnim slojevima se mogu pomaknuti i nositelji naboja ih mogu prevladati, tako da postaje moguć protok struje.  Izumitelji su taj dogovor nazvali "tranzistor", umjetna riječ sastavljena od "transfera" i "otpornika".

Tranzistor ima tri priključka:  "emiter" E, iz kojeg potječu nosači naboja, "baza" B u sredini, na kojoj se primjenjuje upravljački napon, i "kolektor" C na drugom kraju, na kojem se "skupljaju" nosioci naboja.  Niz slojeva određuje smjer struje kroz komponentu:  s NPN tranzistorom, to teče od kolektora do odašiljača i, u slučaju PNP tranzistora, od emitera do kolektora.  Tehnički smjer struje suprotan je kretanju elektrona.  Poznato je da je elektron negativan!





Zbog vrlo male struje koja teče u bazu dovodi do mnogo većeg strujnog protoka između kolektora i emitera, uređaj ima pojačani učinak.  Omjer između kolektora i bazne struje je "faktor pojačanja".  Ovo je uobičajeni današnji tranzistor između nekoliko stotina i hiljada.  Kontrola bipolarnih tranzistora se vrši pomoću struje koja dolazi iz izvora napona.  To znači da je električna energija potrebna za kontrolu.

 Slika 2: Princip izrade bipolarnih tranzistora: gore NPN tip, dole PNP tip

Slika 3:Poprečni presjek tranzistora s efektom spojnog polja




Tranzistor spojenog polja u poprečnom presjeku (slika 3), s tim, otpor strujnog kanala od izvora do odvoda kontrolira napon vrata.

Osim dosad opisanog bipolarnog tranzistora, postoje i slične komponente koje djeluju na drugom principu: "tranzistori s efektom polja" ili "FETs".  One se sastoje od podloge kroz koju električna struja može teći iz "izvora" u "odvod".  Kada elektrostatičko polje djeluje na njega, staza nosača tekućeg punjenja je "sužena" pa čak i "stisnuta".  Na jednom spoju nalazi se elektroda koja je odvojena od supstrata ili izolacijskim slojem ili zaštitnim slojem, gdje se nalazi upravljački napon.  Na tom spoju, koji se naziva "kapija", tijekom rada postoji samo jedan naponski potencijal.  Ovdje, međutim, nema protoka električne energije (Slika 3).  Kontrola tranzistora s efektom polja je stoga nemoćna u usporedbi s bipolarnim tranzistorima.  Spojni FET-i se također nazivaju "J-FET-ovi" kao što su "spojni FET-ovi", a oni s izoliranim vratima nazivaju se "MOS-FET" ili "metal-oksid-poluvodički FET".  Provodni kanal može biti n-ili p-dopiran ("N-tip" ili "P-tip"), koji diktira smjer struje za uređaj.

(1) barijerni sloj, (2) n-kanal, (3) D, (4) G, (5) S

Koje primjene postoje za poluprovodnike?

Danas se proizvodi nesaglediva raznolikost diskretnih poluvodičkih uređaja.  Kao i za svaku primjenu u elektronici postoje odgovarajući tipovi.

Najvažnija karakteristika u kojoj se oni razlikuju je dopuštena električna snaga.  Za diode, to je maksimalni napon blokiranja i dopušteni protok.  Za tranzistore, to je maksimalni napon između kolektora i emitera, struja kolektora i gubitka snage koji se javlja na komponentama.  Postoje mali tranzistori snage i oni sa velikom snagom.  U niskom frekvencijskom opsegu mogu se pokriti sve funkcije pojačala od pretpojačala do stepena izlazne snage.

Druga prepoznatljiva karakteristika je maksimalna frekvencija na koju je tranzistor koristan.  To ovisi o unutarnjoj strukturi  koje određuju vrijeme trajanja.  Opet, postoje male vrste energije i snage koje se danas mogu koristiti u rasponu od GHz.  To pokriva spektar primjena od prijemnih krugova do izlaznih stepena odašiljača.

Karakteristike:

  • Posebno za elektroničke prekidače su projektirani "preklopni tranzistori".  Njih karakterizira prvenstveno nizak napon kolektora-emiter u uključenom stanju.
  • Poluvodički uređaji posebno za energetsku elektroniku su tiristori i triaci. Oni rade kao brzi prekidači i trebaju pogonske sklopove koji ih mogu "ispaliti" i ponovno ih isključiti.
  • Postoje također i različiti modeli niskog napona do snage FET-a u tranzistorima s efektom polja.  Oni se uglavnom koriste u energetskoj elektronici, u LF pojačalima i mjernoj tehnologiji.

Osim standardnih tipova dizajniranih za ispravljače, postoje i posebne verzije za diode:

  • Schottky-jeve diode imaju barijerni sloj kao spoj poluvodiča i metala, koji ima niži napon od silikonskih dioda.  Pogodni su za ispravljače s niskim gubitkom i osjetljive detektore.
  • Diode Zener su silikonske diode koje rade u obrnutom smjeru i čiji je probojni napon definirane vrijednosti.  Koriste se za stabilizaciju napona.
  • Diode za kapacitivnost također rade u obrnutom smjeru.  Jedan koristi učinak da spojni kapacitet opada s povećanjem napona.  To omogućava elektronički podešavanje visokofrekventnih krugova.
  • Surpratorske diode postaju provodljive u oba smjera kada se prekorači granična vrijednost.  Oni služe za zaštitu elektroničkih sklopova od prenapona.

Koje vrste poluvodičkih uređaja se koristite?

Poluvodički čipovi su ugrađeni u kućišta.  Dizajn i veličina ovise o snazi ??koja se koristi u komponenti.  Diode dolaze u staklenim ili plastičnim kućištima (Sl. 4).  Dok su u prošlosti tranzistori montirani u metalnim kućištima (slike 5 i 6), plastika dominira kao materijal u kućištu.  Tranzistori koji se mogu montirati na površinu (slika 7) veličine su samo nekoliko milimetara.  Većina malih tranzistora snage sada se isporučuje u plastičnom kućištu (slika 8).  Energetski tranzistori u plastičnom kućištu (slika 9) imaju na poleđini metalne površine na koju je montirana unutar poluvodiča čip.  Stoga je optimalno moguće uklanjanje nastalih gubitaka topline.

Staklena kućišta

 (4) Dioda u staklenom kućištu

Metalna kućišta

(5) Mali tranzistor snage u metalnom kućištu TO-18.

Plastična kućišta

(6) Energetski tranzistor u metalnom kućištu TO-3.

Na vrh

Plastično kućište

(07) Nadzemni tranzistor u SOT-23.

Plastično kućište

(8) Mali tranzistor snage u kućištu TO-92.

Plastično kućište

(9) Energetski tranzistor snage u kućištu TO-220.

Što se mora uzeti u obzir pri instaliranju i rukovanju poluprovodničkih uređaja?

Strukture materijala od kojih su napravljene poluvodičke naprave osjetljive su na prekomjerne temperature.  Stoga lemljenje treba obaviti što je brže moguće, tako da vodovi ne provode previše topline u unutrašnjosti komponenti.

Strukture unutar poluprovodnika su vrlo male.  Stoga mogu prodrijeti čak i pri relativno niskim naponima.  Posebno, MOS tipovi su vrlo osjetljivi u ovoj tački.  Radno mjesto mora biti sigurno od ESD-a.

Tokom rada, granice struje, napona i snage navedene u podatkovnim listovima ne smiju se ni u kojem slučaju prekoračiti.  Energetski poluprovodnici trebaju imati dovoljno velike površine za hlađenje kako bi se osiguralo da temperatura unutarnjeg spoja ne bude premašena čak i pri maksimalnoj temperaturi okoline.  Između komponenti i rashladne površine u većini slučajeva dolazi do izolacije.  Toplinska pasta poboljšava toplinsku vodljivost.

U kategoriju poluprpovodnici >>

Omiljeni proizvodi

3.35 KM

Silicijski mosni ispravljač 4/7 A Diotec B80C7000-4000 nazivni napon (prostostoj

2.20 KM

TRIAC NXP BT139-rsta kućišta TO-220AB I(GT) 35 mA I(T) RMS 16 A

27.45 KM

Elektronska cijev EBF 89 = 6 DC 8 polovi: 9 Sockel Noval, opis: Duodiode-Regelpe

Najprodavaniji artikli

0.35 KM

Schottky dioda Rohm Semiconductor RSX101M-30TR, kučište: SOD-123, I(F): 1 A

0.30 KM

Schottky dioda Infineon BAT 41kućište DO 35, napon(U) 100 V

0.25 KM

Schottky dioda Infineon BAT 60A kućište SOD 323 I(F) 3000 mA BAT 60 A Infineon T

0.40 KM

Schottky dioda Diotec SB260 kućište DO-15 I(F) 2 A SB 260

Naša preporuka

0.60 KM

Schottky dioda Infineon BAT 46kućište DO 35, napon(U) 100 V

1.40 KM

Tiristor NXP BT 151-500 R TO 220 AB, I(T) 12 A U(RRM) 500 V