อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ - ประเภท ภาพรวม และการใช้งาน
การพัฒนาและการขยายตัวอย่างรวดเร็วของขอบเขตการใช้งานอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์นั้นเกิดจากการปรับปรุงองค์ประกอบพื้นฐานที่ใช้อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์... ดังนั้นเพื่อให้เข้าใจกระบวนการทำงานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จึงจำเป็นต้องรู้ อุปกรณ์และหลักการทำงานของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ประเภทหลัก
วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ ในแง่ของความต้านทานเฉพาะ พวกมันอยู่ในตำแหน่งกึ่งกลางระหว่างตัวนำและอิเล็กทริก
วัสดุหลักสำหรับการผลิตอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ ได้แก่ ซิลิกอน (Si) ซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) สารประกอบแกลเลียมและอินเดียม
การนำสารกึ่งตัวนำ ขึ้นอยู่กับการมีอยู่ของสิ่งเจือปนและอิทธิพลของพลังงานภายนอก (อุณหภูมิ การแผ่รังสี ความดัน ฯลฯ) การไหลของกระแสเกิดจากตัวพาประจุสองประเภท — อิเล็กตรอนและโฮล ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบทางเคมี ความแตกต่างระหว่างสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์และสารกึ่งตัวนำที่ไม่บริสุทธิ์
สำหรับการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จะใช้เซมิคอนดักเตอร์แบบแข็งที่มีโครงสร้างผลึก
อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์เป็นอุปกรณ์ที่ทำงานโดยใช้คุณสมบัติของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์
การจำแนกประเภทของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์
ขึ้นอยู่กับสารกึ่งตัวนำแบบต่อเนื่อง ตัวต้านทานสารกึ่งตัวนำ:
ตัวต้านทานเชิงเส้น - ความต้านทานขึ้นอยู่กับแรงดันและกระแสเล็กน้อย มันเป็น "องค์ประกอบ" ของวงจรรวม
วาริสเตอร์ - ความต้านทานขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าที่ใช้
เทอร์มิสเตอร์ - ความต้านทานขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ มีสองประเภท: เทอร์มิสเตอร์ (เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ความต้านทานจะลดลง) และโพซิสเตอร์ (เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ความต้านทานจะเพิ่มขึ้น)
Photoresistor — ความต้านทานขึ้นอยู่กับการส่องสว่าง (รังสี) ดีฟอร์มเมอร์ — ความต้านทานขึ้นอยู่กับการเสียรูปทางกล
หลักการทำงานของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของจุดแยก p-n ทางแยกของรูอิเล็กตรอน
ไดโอดสารกึ่งตัวนำ
เป็นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่มีจุดแยก p-n หนึ่งจุดและสองขั้ว ซึ่งการทำงานจะขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของจุดแยก p-n
คุณสมบัติหลักของทางแยก pn คือการนำทิศทางเดียว - กระแสไหลในทิศทางเดียวเท่านั้น การกำหนดกราฟิกแบบดั้งเดิม (UGO) ของไดโอดมีรูปแบบของลูกศรซึ่งระบุทิศทางของการไหลของกระแสผ่านอุปกรณ์
โครงสร้าง ไดโอดประกอบด้วยจุดเชื่อมต่อ p-n ที่อยู่ในเคส (ยกเว้นไมโครโมดูลเปิดเฟรม) และสองขั้ว: จาก p-region-anode จาก n-region-cathode
เหล่านี้. ไดโอดเป็นอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำที่นำกระแสในทิศทางเดียวเท่านั้น จากขั้วบวกไปยังขั้วลบ
การพึ่งพากระแสผ่านอุปกรณ์กับแรงดันไฟฟ้าที่ใช้เรียกว่าอุปกรณ์ลักษณะแรงดันปัจจุบัน (VAC) I = f (U)การนำไฟฟ้าด้านเดียวของไดโอดนั้นเห็นได้จากคุณลักษณะของ IV (รูปที่ 1)
รูปที่ 1 — ลักษณะแรงดันกระแส-ไดโอด
ไดโอดเซมิคอนดักเตอร์แบ่งออกเป็นวงจรเรียงกระแส, สากล, พัลส์, ซีเนอร์ไดโอดและโคลง, อุโมงค์และไดโอดย้อนกลับ, LED และโฟโตไดโอดทั้งนี้ขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์
การนำด้านเดียวกำหนดคุณสมบัติการแก้ไขของไดโอด ด้วยการเชื่อมต่อโดยตรง («+» กับขั้วบวกและ «-» กับแคโทด) ไดโอดจะเปิดขึ้นและมีกระแสไปข้างหน้าจำนวนมากเพียงพอไหลผ่าน ในการย้อนกลับ («-» ไปยังขั้วบวกและ «+» ไปยังแคโทด) ไดโอดจะปิด แต่มีกระแสย้อนกลับเล็กน้อยไหล
ไดโอดเรียงกระแสได้รับการออกแบบมาเพื่อแปลงกระแสสลับความถี่ต่ำ (โดยปกติจะน้อยกว่า 50 kHz) ให้เป็นกระแสตรง เช่น ยืนขึ้น. พารามิเตอร์หลักของพวกเขาคือ Ipr max ของกระแสไปข้างหน้าสูงสุดที่อนุญาตและแรงดันย้อนกลับสูงสุดที่อนุญาต Uo6p max พารามิเตอร์เหล่านี้เรียกว่าการจำกัด — หากเกินกว่าที่กำหนดอาจทำให้อุปกรณ์ปิดใช้งานบางส่วนหรือทั้งหมดได้
ในการเพิ่มพารามิเตอร์เหล่านี้ จะมีการสร้างคอลัมน์ไดโอด โหนด เมทริกซ์ ซึ่งเป็นอนุกรมขนาน บริดจ์ หรือจุดเชื่อมต่ออื่นๆ ของจุดเชื่อมต่อ p-n
ยูนิเวอร์แซลไดโอดใช้เพื่อแก้ไขกระแสในช่วงความถี่กว้าง (สูงถึงหลายร้อยเมกะเฮิรตซ์) พารามิเตอร์ของไดโอดเหล่านี้เหมือนกันกับไดโอดของวงจรเรียงกระแส โดยป้อนเฉพาะค่าเพิ่มเติมเท่านั้น: ความถี่การทำงานสูงสุด (MHz) และความจุของไดโอด (pF)
ไดโอดพัลส์ได้รับการออกแบบมาสำหรับการแปลงสัญญาณพัลส์ ซึ่งใช้ในวงจรพัลส์ความเร็วสูงข้อกำหนดสำหรับไดโอดเหล่านี้เกี่ยวข้องกับการตอบสนองที่รวดเร็วของอุปกรณ์ต่อธรรมชาติของแรงกระตุ้นของแรงดันไฟฟ้าที่จ่าย ซึ่งเป็นระยะเวลาการเปลี่ยนสั้นของไดโอดจากสถานะปิดเป็นสถานะเปิด และในทางกลับกัน
ซีเนอร์ไดโอด — เหล่านี้คือไดโอดเซมิคอนดักเตอร์ แรงดันตกคร่อมซึ่งขึ้นอยู่กับกระแสที่ไหลเพียงเล็กน้อย มันทำหน้าที่รักษาความตึงเครียด
Varikapi - หลักการทำงานขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของ p-n-junction เพื่อเปลี่ยนค่าของความจุของสิ่งกีดขวางเมื่อค่าของแรงดันย้อนกลับเปลี่ยนไป พวกมันถูกใช้เป็นตัวเก็บประจุแบบแปรผันที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้า ในรูปแบบ varicaps จะเปิดในทิศทางตรงกันข้าม
ไฟ LED - เหล่านี้คือไดโอดเซมิคอนดักเตอร์ซึ่งหลักการนี้ขึ้นอยู่กับการปล่อยแสงจากทางแยก p-n เมื่อกระแสตรงผ่าน
โฟโตไดโอด - กระแสย้อนกลับขึ้นอยู่กับการส่องสว่างของทางแยก p-n
ไดโอด Schottky - มีพื้นฐานมาจากจุดเชื่อมต่อโลหะและสารกึ่งตัวนำ ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมจึงมีอัตราการตอบสนองที่สูงกว่าไดโอดทั่วไปอย่างมาก
รูปที่ 2 — การแสดงกราฟิกแบบธรรมดาของไดโอด
สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับไดโอดดูที่นี่:
พารามิเตอร์และโครงร่างของวงจรเรียงกระแส
โฟโตไดโอด: อุปกรณ์ ลักษณะ และหลักการทำงาน
ทรานซิสเตอร์
ทรานซิสเตอร์เป็นอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำที่ออกแบบมาเพื่อขยาย สร้าง และแปลงสัญญาณไฟฟ้า รวมทั้งสวิตช์วงจรไฟฟ้า
คุณสมบัติที่โดดเด่นของทรานซิสเตอร์คือความสามารถในการขยายแรงดันและกระแส - แรงดันและกระแสที่กระทำที่อินพุตของทรานซิสเตอร์ทำให้เกิดแรงดันและกระแสที่สูงขึ้นอย่างมากที่เอาต์พุต
ด้วยการแพร่กระจายของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบดิจิตอลและวงจรพัลส์ คุณสมบัติหลักของทรานซิสเตอร์คือความสามารถในการอยู่ในสถานะเปิดและปิดภายใต้อิทธิพลของสัญญาณควบคุม
ทรานซิสเตอร์ได้ชื่อมาจากตัวย่อของคำภาษาอังกฤษสองคำ tran (sfer) (re) sistor - ตัวต้านทานที่ควบคุม ชื่อนี้ไม่ได้ตั้งใจเพราะภายใต้การกระทำของแรงดันไฟฟ้าอินพุตที่ใช้กับทรานซิสเตอร์ ความต้านทานระหว่างขั้วเอาต์พุตสามารถปรับได้ในช่วงกว้างมาก
ทรานซิสเตอร์ช่วยให้คุณปรับกระแสในวงจรจากศูนย์เป็นค่าสูงสุด
การจำแนกประเภทของทรานซิสเตอร์:
— ตามหลักการของการกระทำ: สนาม (ยูนิโพลาร์), ไบโพลาร์, รวมกัน
— ตามค่าของพลังงานที่กระจายไป: ต่ำ ปานกลาง และสูง
— ตามค่าของความถี่ที่จำกัด: ความถี่ต่ำ ปานกลาง สูง และสูงพิเศษ
— ตามค่าของแรงดันไฟฟ้าที่ใช้งาน: แรงดันต่ำและสูง
— ตามวัตถุประสงค์การใช้งาน: อเนกประสงค์ เสริมแรง กุญแจ ฯลฯ
-ในแง่ของการออกแบบ: แบบเปิดกรอบและแบบกล่องพร้อมขั้วต่อแบบแข็งและยืดหยุ่น
ขึ้นอยู่กับฟังก์ชั่นที่ทำ ทรานซิสเตอร์สามารถทำงานในสามโหมด:
1) โหมดแอคทีฟ - ใช้เพื่อขยายสัญญาณไฟฟ้าในอุปกรณ์แอนะล็อกความต้านทานของทรานซิสเตอร์เปลี่ยนจากศูนย์เป็นค่าสูงสุด - พวกเขาบอกว่าทรานซิสเตอร์ "เปิด" หรือ "ปิด"
2) โหมดอิ่มตัว — ความต้านทานของทรานซิสเตอร์มีแนวโน้มเป็นศูนย์ ในกรณีนี้ ทรานซิสเตอร์จะเทียบเท่ากับหน้าสัมผัสรีเลย์แบบปิด
3) โหมดคัตออฟ — ทรานซิสเตอร์ถูกปิดและมีความต้านทานสูง เช่น มันเทียบเท่ากับหน้าสัมผัสรีเลย์เปิด
โหมดความอิ่มตัวและโหมดตัดวงจรจะใช้ในวงจรดิจิตอล วงจรพัลส์ และวงจรสวิตชิ่ง
ทรานซิสเตอร์สองขั้วเป็นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่มีจุดแยก p-n สองตัวและตัวนำสามตัวที่ให้กำลังขยายสัญญาณไฟฟ้า
ในทรานซิสเตอร์สองขั้ว กระแสเกิดจากการเคลื่อนที่ของตัวพาประจุสองประเภท: อิเล็กตรอนและโฮล ซึ่งเป็นที่มาของชื่อ
ในไดอะแกรมอนุญาตให้แสดงทรานซิสเตอร์ทั้งในวงกลมและไม่ใช้ (รูปที่ 3) ลูกศรแสดงทิศทางการไหลของกระแสในทรานซิสเตอร์
รูปที่ 3 - สัญลักษณ์กราฟิกทั่วไปของทรานซิสเตอร์ n-p-n (a) และ p-n-p (b)
พื้นฐานของทรานซิสเตอร์คือแผ่นเซมิคอนดักเตอร์ซึ่งมีสามส่วนที่มีการนำไฟฟ้าแบบแปรผัน - อิเล็กตรอนและรู - โครงสร้างทรานซิสเตอร์สองประเภทนั้นขึ้นอยู่กับการสลับชั้น: n-p-n (รูปที่ 3, a) และ p-n-p (รูปที่ 3, b)
อิมิตเตอร์ (E) — ชั้นที่เป็นแหล่งพาหะของประจุไฟฟ้า (อิเล็กตรอนหรือรู) และสร้างกระแสบนอุปกรณ์
ตัวสะสม (K) — ชั้นที่รับตัวพาประจุที่มาจากอิมิตเตอร์
ฐาน (B) — ชั้นกลางที่ควบคุมกระแสของทรานซิสเตอร์
เมื่อทรานซิสเตอร์เชื่อมต่อกับวงจร หนึ่งในอิเล็กโทรดของมันคืออินพุท (แหล่งที่มาของสัญญาณสลับอินพุตเปิดอยู่) อีกอันคือเอาท์พุต (โหลดเปิดอยู่) อิเล็กโทรดที่สามคืออินพุทและเอาท์พุตทั่วไป ในกรณีส่วนใหญ่ จะใช้วงจรอิมิตเตอร์ทั่วไป (รูปที่ 4) แรงดันไฟฟ้าไม่เกิน 1 V ใช้กับฐาน มากกว่า 1 V กับตัวสะสม เช่น +5 V, +12 V, +24 V เป็นต้น
รูปที่ 4 — แผนภาพวงจรของทรานซิสเตอร์สองขั้วอีซีแอลทั่วไป
กระแสคอลเลกเตอร์จะเกิดขึ้นก็ต่อเมื่อกระแสฐาน Ib (กำหนดโดย Ube) กำลังไหลยิ่งอิ๊บมากอิ๊ก Ib วัดเป็นหน่วย mA และกระแสสะสมวัดเป็นสิบและร้อย mA เช่น อิ๊บอิ๊ก. ดังนั้นเมื่อใช้สัญญาณ AC แอมพลิจูดขนาดเล็กกับฐาน Ib ขนาดเล็กจะเปลี่ยนและ Ic ขนาดใหญ่จะเปลี่ยนตามสัดส่วน เมื่อตัวสะสมความต้านทานโหลดรวมอยู่ในวงจรสัญญาณจะถูกกระจายไปโดยทำซ้ำรูปร่างของอินพุต แต่มีแอมพลิจูดที่ใหญ่กว่าเช่น ขยายสัญญาณ
พารามิเตอร์ที่อนุญาตสูงสุดของทรานซิสเตอร์ ได้แก่ ประการแรก: พลังงานสูงสุดที่อนุญาตที่กระจายไปที่ตัวสะสม Pk.max, แรงดันไฟฟ้าระหว่างตัวเก็บรวบรวมและตัวปล่อย Uke.max, Ik.max ของตัวเก็บประจุในปัจจุบัน
เพื่อเพิ่มพารามิเตอร์ที่จำกัด มีการผลิตชุดประกอบทรานซิสเตอร์ ซึ่งสามารถมีจำนวนทรานซิสเตอร์ที่เชื่อมต่อแบบขนานได้มากถึงหลายร้อยตัวที่อยู่ในตัวเรือนเดียว
ปัจจุบันมีการใช้ทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์น้อยลงเรื่อยๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในเทคโนโลยีพลังงานพัลซิ่ง พวกมันถูกแทนที่ด้วย MOSFET และ IGBT แบบรวมซึ่งมีข้อได้เปรียบที่เถียงไม่ได้ในสาขาอิเล็กทรอนิกส์นี้
ในทรานซิสเตอร์แบบ field-effect กระแสจะถูกกำหนดโดยการเคลื่อนที่ของพาหะของสัญญาณเพียงตัวเดียว (อิเล็กตรอนหรือรู) กระแสของทรานซิสเตอร์ถูกขับเคลื่อนโดยสนามไฟฟ้าที่เปลี่ยนหน้าตัดของช่องนำไฟฟ้า ซึ่งแตกต่างจากไบโพลาร์
เนื่องจากไม่มีกระแสอินพุตในวงจรอินพุต การใช้พลังงานของวงจรนี้จึงแทบจะเป็นศูนย์ ซึ่งเป็นข้อได้เปรียบอย่างไม่ต้องสงสัยของทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์ภาคสนาม
โครงสร้าง ทรานซิสเตอร์ประกอบด้วยช่องนำไฟฟ้าชนิด n หรือ p ซึ่งส่วนท้ายของช่องจะมีพื้นที่: แหล่งที่ปล่อยประจุพาหะและท่อระบายที่รับพาหะอิเล็กโทรดที่ใช้ในการปรับหน้าตัดของช่องเรียกว่าเกท
ทรานซิสเตอร์สนามผลเป็นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่ควบคุมกระแสในวงจรโดยการเปลี่ยนส่วนตัดขวางของช่องนำไฟฟ้า
มีทรานซิสเตอร์แบบฟิลด์เอฟเฟกต์ที่มีเกทในรูปแบบของทางแยก pn และเกทแยก
ในทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนามที่มีประตูฉนวนระหว่างช่องเซมิคอนดักเตอร์และประตูโลหะจะมีชั้นฉนวนของทรานซิสเตอร์อิเล็กทริก - MIS (โลหะ - อิเล็กทริก - เซมิคอนดักเตอร์) กรณีพิเศษ - ซิลิคอนออกไซด์ - ทรานซิสเตอร์ MOS
ทรานซิสเตอร์ MOS แชนเนลในตัวมีค่าการนำไฟฟ้าเริ่มต้นซึ่งหากไม่มีสัญญาณอินพุต (Uzi = 0) จะอยู่ที่ประมาณครึ่งหนึ่งของค่าสูงสุด ในทรานซิสเตอร์ MOS ที่มีช่องเหนี่ยวนำที่แรงดันไฟฟ้า Uzi = 0 กระแสไฟขาออกจะหายไป Ic = 0 เนื่องจากในตอนแรกไม่มีช่องสัญญาณนำไฟฟ้า
MOSFET ที่มีแชนเนลเหนี่ยวนำเรียกอีกอย่างว่า MOSFET ส่วนใหญ่จะใช้เป็นองค์ประกอบหลัก เช่น ในการสลับแหล่งจ่ายไฟ
องค์ประกอบหลักที่ใช้ทรานซิสเตอร์ MOS มีข้อดีหลายประการ: วงจรสัญญาณไม่ได้เชื่อมต่อทางไฟฟ้ากับแหล่งที่มาของการดำเนินการควบคุม วงจรควบคุมไม่ใช้กระแสและมีการนำไฟฟ้าสองด้าน ทรานซิสเตอร์ภาคสนามซึ่งแตกต่างจากไบโพลาร์ไม่กลัวความร้อนสูงเกินไป
สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับทรานซิสเตอร์ ดูที่นี่:
ไทริสเตอร์
ไทริสเตอร์เป็นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่ทำงานในสถานะคงที่สองสถานะ ได้แก่ การนำไฟฟ้าต่ำ (ไทริสเตอร์ปิด) และการนำไฟฟ้าสูง (ไทริสเตอร์เปิด) โครงสร้าง ไทริสเตอร์มีจุดแยก p-n สามจุดขึ้นไปและสามเอาต์พุต
นอกจากแอโนดและแคโทดแล้ว ในการออกแบบไทริสเตอร์ยังมีเอาต์พุตที่สาม (อิเล็กโทรด) ซึ่งเรียกว่าตัวควบคุม
ไทริสเตอร์ได้รับการออกแบบมาสำหรับการสลับ (เปิดและปิด) ของวงจรไฟฟ้าแบบไม่สัมผัส มีความเร็วสูงและความสามารถในการเปลี่ยนกระแสที่มีขนาดสำคัญมาก (สูงถึง 1,000 A) พวกเขาจะค่อยๆถูกแทนที่ด้วยการเปลี่ยนทรานซิสเตอร์
รูปที่ 5 - ทั่วไป - การกำหนดกราฟิกของไทริสเตอร์
ไดนิสเตอร์ (สองขั้วไฟฟ้า) — เช่นเดียวกับวงจรเรียงกระแสทั่วไป พวกมันมีขั้วบวกและขั้วลบ เมื่อแรงดันไปข้างหน้าเพิ่มขึ้นที่ค่าหนึ่ง Ua = Uon ไดนิสเตอร์จะเปิดขึ้น
ไทริสเตอร์ (SCRs - สามอิเล็กโทรด) - มีอิเล็กโทรดควบคุมเพิ่มเติม Uin ถูกเปลี่ยนโดยกระแสควบคุมที่ไหลผ่านอิเล็กโทรดควบคุม
ในการถ่ายโอนไทริสเตอร์ไปยังสถานะปิดจำเป็นต้องใช้แรงดันย้อนกลับ (- กับขั้วบวก, + กับขั้วลบ) หรือลดกระแสไปข้างหน้าให้ต่ำกว่าค่าที่เรียกว่ากระแสถือ Iuder
ไทริสเตอร์ล็อค - สามารถเปลี่ยนเป็นสถานะปิดได้โดยใช้พัลส์ควบคุมของการกลับขั้ว
ไทริสเตอร์: หลักการทำงาน การออกแบบ ประเภทและวิธีการรวม
Triacs (ไทริสเตอร์สมมาตร) — นำกระแสทั้งสองทิศทาง
ไทริสเตอร์ใช้เป็นพร็อกซิมิตีสวิตช์และวงจรเรียงกระแสที่ควบคุมได้ในอุปกรณ์อัตโนมัติและเครื่องแปลงกระแสไฟฟ้า ในวงจรกระแสสลับและกระแสพัลซิ่งสามารถเปลี่ยนเวลาของสถานะเปิดของไทริสเตอร์ได้และด้วยเหตุนี้เวลาของกระแสไหลผ่านโหลด สิ่งนี้ช่วยให้คุณปรับกำลังไฟที่จ่ายให้กับโหลด