أجهزة أشباه الموصلات - أنواعها ونظرة عامة عليها واستخداماتها
يرجع التطور السريع والتوسع في مجالات تطبيق الأجهزة الإلكترونية إلى تحسين قاعدة العناصر التي تستند إليها أجهزة أشباه الموصلات ... لذلك ، من أجل فهم عمليات تشغيل الأجهزة الإلكترونية ، من الضروري معرفة الجهاز ومبدأ تشغيل الأنواع الرئيسية لأجهزة أشباه الموصلات.
مواد أشباه الموصلات من حيث مقاومتها المحددة ، فإنها تحتل موقعًا وسيطًا بين الموصلات والعوازل الكهربائية.
المواد الرئيسية لتصنيع أجهزة أشباه الموصلات هي السيليكون (Si) وكربيد السيليكون (SiC) والغاليوم ومركبات الإنديوم.
موصلية أشباه الموصلات يعتمد على وجود الشوائب وتأثيرات الطاقة الخارجية (درجة الحرارة ، الإشعاع ، الضغط ، إلخ). ينتج تدفق التيار عن نوعين من ناقلات الشحنة - الإلكترونات والثقوب. اعتمادًا على التركيب الكيميائي ، يتم التمييز بين أشباه الموصلات النقية والشوائب.
لإنتاج الأجهزة الإلكترونية ، يتم استخدام أشباه الموصلات الصلبة ذات الهيكل البلوري.
أجهزة أشباه الموصلات هي الأجهزة التي يعتمد تشغيلها على استخدام خصائص مواد أشباه الموصلات.
تصنيف أجهزة أشباه الموصلات
بناءً على أشباه الموصلات المستمرة ، مقاومات أشباه الموصلات:
المقاوم الخطي - تعتمد المقاومة بشكل طفيف على الجهد والتيار. إنه "عنصر" من الدوائر المتكاملة.
مكثف - المقاومة تعتمد على الجهد المطبق.
الثرمستور - المقاومة تعتمد على درجة الحرارة. هناك نوعان: الثرمستور (مع ارتفاع درجة الحرارة ، تقل المقاومة) والمقاومات (مع زيادة درجة الحرارة ، تزداد المقاومة).
المقاوم الضوئي - تعتمد المقاومة على الإضاءة (الإشعاع). مشوه - تعتمد المقاومة على التشوه الميكانيكي.
يعتمد مبدأ تشغيل معظم أجهزة أشباه الموصلات على خصائص تقاطع ثقب الإلكترون.
الثنائيات شبه الموصلة
إنه جهاز أشباه الموصلات مع تقاطع pn واحد ومحطتين ، يعتمد تشغيله على خصائص تقاطع pn.
الخاصية الرئيسية للوصلة pn هي التوصيل أحادي الاتجاه - يتدفق التيار في اتجاه واحد فقط. يكون التعيين الرسومي التقليدي (UGO) للديود على شكل سهم ، مما يشير إلى اتجاه التدفق الحالي عبر الجهاز.
من الناحية الهيكلية ، يتكون الصمام الثنائي من تقاطع p-n محاط بعلبة (باستثناء الإطارات المفتوحة للوحدات الصغيرة) ومحطتين: من القطب الموجب للمنطقة ، من القطب السالب n-region.
هؤلاء. الصمام الثنائي عبارة عن جهاز شبه موصل يقوم بتوصيل التيار في اتجاه واحد فقط - من القطب الموجب إلى القطب السالب.
يُطلق على اعتماد التيار عبر الجهاز على الجهد المطبق اسم جهاز خاصية الجهد الحالي (VAC) I = f (U).يتضح التوصيل أحادي الجانب للديود من خاصية I-V (الشكل 1).
الشكل 1 - خاصية الجهد الحالي للديود
اعتمادًا على الغرض ، يتم تقسيم الثنائيات شبه الموصلة إلى مقوم ، عالمي ، نبضي ، ثنائيات زينر ومثبتات ، ثنائيات نفق وعكس ، مصابيح LED وثنائيات ضوئية.
يحدد التوصيل أحادي الجانب خصائص تصحيح الصمام الثنائي. مع الاتصال المباشر («+» بالقطب الموجب و «-» بالكاثود) ، يكون الصمام الثنائي مفتوحًا ويتدفق تيار أمامي كبير بما فيه الكفاية عبره. في الاتجاه المعاكس («-» إلى القطب الموجب و «+» إلى الكاثود) ، يتم إغلاق الصمام الثنائي ، ولكن يتدفق تيار عكسي صغير.
صممت الثنائيات المعدلة لتحويل التيار المتردد المنخفض التردد (عادة أقل من 50 كيلو هرتز) إلى تيار مباشر ، أي ليقف. معلماتهم الرئيسية هي الحد الأقصى المسموح به للتيار الأمامي Ipr max والحد الأقصى المسموح به للجهد العكسي Uo6p كحد أقصى. تسمى هذه المعلمات بالحد - يمكن أن يؤدي تجاوزها إلى تعطيل الجهاز جزئيًا أو كليًا.
لزيادة هذه المعلمات ، يتم عمل أعمدة الصمام الثنائي ، والعقد ، والمصفوفات ، والتي هي سلسلة متوازية أو جسر أو غيرها من الوصلات p-n-junctions.
تستخدم الثنائيات العامة لتصحيح التيارات في نطاق تردد واسع (يصل إلى عدة مئات من ميغا هرتز). معلمات هذه الثنائيات هي نفسها تلك الخاصة بثنائيات المعدل ، يتم إدخال معايير إضافية فقط: أقصى تردد تشغيل (MHz) وسعة الصمام الثنائي (pF).
صممت الثنائيات النبضية لتحويل إشارة النبض ، وتستخدم في دوائر النبض عالية السرعة.ترتبط متطلبات هذه الثنائيات بضمان استجابة سريعة للجهاز لطبيعة الدفع للجهد المزود - وقت انتقال قصير للديود من الحالة المغلقة إلى الحالة المفتوحة والعكس صحيح.
ثنائيات زينر - هذه هي ثنائيات أشباه الموصلات ، ويعتمد انخفاض الجهد عبرها قليلاً على تدفق التيار. إنه يعمل على استقرار التوتر.
Varikapi - يعتمد مبدأ التشغيل على خاصية تقاطع p-n لتغيير قيمة سعة الحاجز عندما تتغير قيمة الجهد العكسي عليها. يتم استخدامها كمكثفات متغيرة يتم التحكم فيها بالجهد. في المخططات ، يتم تشغيل varicaps في الاتجاه المعاكس.
الصمامات الثنائية الباعثة للضوء - هذه عبارة عن ثنائيات أشباه الموصلات ، يعتمد مبدأها على انبعاث الضوء من تقاطع pn عندما يمر تيار مباشر عبره.
الثنائيات الضوئية - يعتمد التيار العكسي على إضاءة الوصلة p-n.
ثنائيات شوتكي - تعتمد على تقاطع معدن أشباه الموصلات ، وهذا هو السبب في أنها تتمتع بمعدل استجابة أعلى بكثير من الثنائيات التقليدية.
الشكل 2 - التمثيل الرسومي التقليدي للديودات
لمزيد من المعلومات حول الثنائيات انظر هنا:
الثنائيات الضوئية: الجهاز وخصائص ومبادئ التشغيل
الترانزستورات
الترانزستور هو جهاز أشباه الموصلات مصمم لتضخيم الإشارات الكهربائية وتوليدها وتحويلها ، وكذلك تبديل الدوائر الكهربائية.
السمة المميزة للترانزستور هي القدرة على تضخيم الجهد والتيار - تؤدي الفولتية والتيارات التي تعمل عند مدخلات الترانزستور إلى ظهور جهد وتيارات أعلى بكثير عند خرجه.
مع انتشار الإلكترونيات الرقمية ودوائر النبض ، فإن الخاصية الرئيسية للترانزستور هي قدرته على أن يكون في حالة مفتوحة ومغلقة تحت تأثير إشارة تحكم.
حصل الترانزستور على اسمه من اختصار كلمتين إنجليزيتين تران (sfer) (إعادة) المقاوم الذي يتحكم فيه المقاوم. هذا الاسم ليس عرضيًا ، لأنه تحت تأثير جهد الدخل المطبق على الترانزستور ، يمكن ضبط المقاومة بين أطراف الخرج في نطاق واسع جدًا.
يسمح لك الترانزستور بضبط التيار في الدائرة من الصفر إلى القيمة القصوى.
تصنيف الترانزستورات:
- وفقًا لمبدأ العمل: المجال (أحادي القطب) ، ثنائي القطب ، مجتمعين.
- بقيمة الطاقة المشتتة: منخفضة ومتوسطة وعالية.
- بقيمة التردد المحدد: التردد المنخفض والمتوسط والعالي والعالي الفائق.
- حسب قيمة جهد التشغيل: الجهد المنخفض والعالي.
- حسب الغرض الوظيفي: عالمي ، مقوي ، مفتاح ، إلخ.
- من حيث التصميم: بإطار مفتوح وإصدار صندوقي ، مع أطراف صلبة ومرنة.
اعتمادًا على الوظائف المؤداة ، يمكن أن تعمل الترانزستورات في ثلاثة أوضاع:
1) الوضع النشط - يستخدم لتضخيم الإشارات الكهربائية في الأجهزة التناظرية ، وتتغير مقاومة الترانزستور من الصفر إلى القيمة القصوى - يقولون إن الترانزستور "يفتح" أو "يغلق".
2) وضع التشبع - تميل مقاومة الترانزستور إلى الصفر. في هذه الحالة ، يكون الترانزستور مكافئًا لجهة اتصال ترحيل مغلقة.
3) وضع القطع - الترانزستور مغلق وله مقاومة عالية ، أي إنه يعادل جهة اتصال ترحيل مفتوحة.
يتم استخدام أوضاع التشبع والقطع في الدوائر الرقمية ودوائر النبض والتبديل.
الترانزستور ثنائي القطب هو جهاز أشباه الموصلات به تقاطعات pn وثلاثة موصلات توفر تضخيمًا للطاقة للإشارات الكهربائية.
في الترانزستورات ثنائية القطب ، ينتج التيار عن حركة حاملات الشحنة من نوعين: الإلكترونات والثقوب ، والتي تمثل اسمها.
في المخططات ، يُسمح بتصوير الترانزستورات ، سواء في دائرة أو بدونها (الشكل 3). يوضح السهم اتجاه تدفق التيار في الترانزستور.
الشكل 3 - التدوين الرسومي التقليدي للترانزستورات n-p-n (a) و p-n-p (b)
أساس الترانزستور هو لوحة أشباه الموصلات ، حيث يتم تشكيل ثلاثة أقسام بنوع متغير من الموصلية - الإلكترون والثقب -. اعتمادًا على تناوب الطبقات ، يتم تمييز نوعين من بنية الترانزستور: n-p-n (الشكل 3 ، أ) و p-n-p (الشكل 3 ، ب).
الباعث (E) - طبقة تمثل مصدرًا لحاملات الشحن (إلكترونات أو ثقوب) وتخلق تيارًا على الجهاز ؛
المجمع (K) - طبقة تقبل حاملات الشحنة القادمة من الباعث ؛
القاعدة (ب) - الطبقة الوسطى التي تتحكم في تيار الترانزستور.
عندما يتم توصيل الترانزستور بالدائرة ، يتم إدخال أحد أقطابها (مصدر إشارة الإدخال المتناوبة قيد التشغيل) ، والآخر هو الإخراج (الحمل قيد التشغيل) ، والقطب الثالث شائع للإدخال والإخراج. في معظم الحالات ، يتم استخدام دائرة باعث مشتركة (الشكل 4). يتم تطبيق جهد لا يزيد عن 1 فولت على القاعدة ، وأكثر من 1 فولت للمجمع ، على سبيل المثال +5 فولت ، +12 فولت ، +24 فولت ، إلخ.
الشكل 4 - مخططات الدوائر لترانزستور ثنائي القطب مشترك
يحدث تيار المجمع فقط عندما يتدفق تيار القاعدة Ib (الذي يحدده Ube).كلما زاد عدد إب ، زاد عدد Ik. يقاس Ib بوحدات مللي أمبير ، ويقاس تيار المجمع بعشرات ومئات مللي أمبير ، أي IbIk. لذلك ، عندما يتم تطبيق إشارة تيار متردد ذات سعة صغيرة على القاعدة ، سيتغير Ib الصغير وسيتغير Ic الكبير بما يتناسب معها. عندما يتم تضمين جامع مقاومة الحمل في الدائرة ، سيتم توزيع إشارة عليه ، لتكرار شكل الإدخال ، ولكن بسعة أكبر ، أي إشارة مضخمة.
تشمل المعلمات القصوى المسموح بها للترانزستورات ، أولاً وقبل كل شيء: الحد الأقصى المسموح به من الطاقة المتناثرة على المجمع Pk.max ، والجهد بين المجمع والباعث Uke.max ، تيار المجمع Ik.max.
لزيادة المعلمات المحددة ، يتم إنتاج مجموعات الترانزستور ، والتي يمكن أن تصل إلى عدة مئات من الترانزستورات المتصلة المتوازية والمحاطة بغلاف واحد.
يتم الآن استخدام الترانزستورات ثنائية القطب بشكل أقل وأقل ، خاصة في تكنولوجيا الطاقة النبضية. يتم استبدالها بـ MOSFETs و IGBTs المدمجة ، ولها مزايا لا جدال فيها في هذا المجال من الإلكترونيات.
في ترانزستورات التأثير الميداني ، يتم تحديد التيار بواسطة حركة حاملات علامة واحدة فقط (إلكترونات أو ثقوب). على عكس ثنائي القطب ، فإن تيار الترانزستور مدفوع بمجال كهربائي يغير المقطع العرضي للقناة الموصلة.
نظرًا لعدم وجود تيار إدخال في دائرة الإدخال ، فإن استهلاك الطاقة لهذه الدائرة هو صفر عمليًا ، وهو بلا شك ميزة للترانزستور ذي التأثير الميداني.
من الناحية الهيكلية ، يتكون الترانزستور من قناة موصلة من النوع n أو p ، وفي نهاياتها توجد مناطق: مصدر ينبعث منه حاملات شحنة ومصرف يقبل الموجات الحاملة.يسمى القطب المستخدم لضبط المقطع العرضي للقناة بالبوابة.
الترانزستور ذو التأثير الميداني هو جهاز أشباه الموصلات ينظم التيار في الدائرة عن طريق تغيير المقطع العرضي للقناة الموصلة.
هناك ترانزستورات ذات تأثير ميداني مع بوابة على شكل تقاطع pn وبوابة معزولة.
في الترانزستورات ذات التأثير الميداني مع بوابة معزولة بين قناة أشباه الموصلات والبوابة المعدنية توجد طبقة عازلة من ترانزستورات MIS (معدن - عازل - أشباه موصلات) ، حالة خاصة - أكسيد السيليكون - ترانزستورات MOS.
يحتوي ترانزستور MOS المدمج في القناة على توصيل أولي ، في حالة عدم وجود إشارة دخل (عوزي = 0) ، يكون نصف الحد الأقصى تقريبًا. في ترانزستورات MOS ذات القناة المستحثة بجهد Uzi = 0 ، يكون تيار الخرج غائبًا ، Ic = 0 ، لأنه في البداية لا توجد قناة موصلة.
تسمى أيضًا MOSFETs ذات القناة المستحثة MOSFETs. يتم استخدامها بشكل أساسي كعناصر أساسية ، على سبيل المثال في تبديل مزودات الطاقة.
تتمتع العناصر الأساسية المستندة إلى ترانزستورات MOS بعدد من المزايا: دائرة الإشارة غير متصلة جلفانيًا بمصدر إجراء التحكم ، ودائرة التحكم لا تستهلك التيار ولها موصلية على الوجهين. الترانزستورات ذات التأثير الميداني ، على عكس الترانزستورات ثنائية القطب ، لا تخاف من ارتفاع درجة الحرارة.
لمزيد من المعلومات حول الترانزستورات انظر هنا:
الثايرستور
الثايرستور هو جهاز أشباه الموصلات يعمل في حالتين ثابتتين - التوصيل المنخفض (مغلق الثايرستور) والتوصيل العالي (الثايرستور مفتوح). من الناحية الهيكلية ، يحتوي الثايرستور على ثلاثة أو أكثر من تقاطعات pn وثلاثة مخرجات.
بالإضافة إلى الأنود والكاثود ، يتم توفير مخرج ثالث (قطب كهربائي) في تصميم الثايرستور ، والذي يسمى التحكم.
تم تصميم الثايرستور للتبديل غير المتصل (تشغيل وإيقاف) للدوائر الكهربائية. تتميز بالسرعة العالية والقدرة على تبديل التيارات ذات الحجم الكبير جدًا (حتى 1000 أ). يتم استبدالها تدريجياً بتبديل الترانزستورات.
الشكل 5 - تقليدي - تعيين رسومي للثايرستور
Dynistors (ذو قطبين) - مثل المقومات التقليدية ، لديهم أنود وكاثود. مع زيادة الجهد الأمامي عند قيمة معينة Ua = Uon ، يفتح الدينيستور.
الثايرستور (SCRs - ثلاثة قطب كهربائي) - لها قطب تحكم إضافي ؛ يتم تغيير Uin بواسطة تيار التحكم المتدفق عبر قطب التحكم.
لنقل الثايرستور إلى الحالة المغلقة ، من الضروري تطبيق جهد عكسي (- على الأنود ، + إلى الكاثود) أو تقليل التيار الأمامي إلى ما دون قيمة تسمى تيار عقد Iuder.
قفل الثايرستور - يمكن تحويله إلى الحالة المغلقة عن طريق تطبيق نبضة تحكم للقطبية العكسية.
الثايرستور: مبدأ التشغيل والتصميم وأنواع وطرق التضمين
الترياس (الثايرستور المتماثل) - توصيل التيار في كلا الاتجاهين.
تستخدم الثايرستور كمفاتيح تقارب ومعدلات قابلة للتحكم في أجهزة الأتمتة ومحولات التيار الكهربائي. في دوائر التيار المتناوب والنبضي ، من الممكن تغيير وقت الحالة المفتوحة للثايرستور ، وبالتالي وقت تدفق التيار عبر الحمل. هذا يسمح لك بضبط الطاقة الموزعة على الحمل.