Perangkat Semikonduktor - Jenis, Ikhtisar, dan Penggunaan
Pesatnya perkembangan dan perluasan bidang penerapan perangkat elektronik disebabkan oleh peningkatan basis elemen yang menjadi dasar perangkat semikonduktor... Oleh karena itu, untuk memahami proses berfungsinya perangkat elektronik, perlu diketahui perangkat dan prinsip pengoperasian jenis utama perangkat semikonduktor.
Bahan semikonduktor dalam hal resistansi spesifiknya, mereka menempati posisi tengah antara konduktor dan dielektrik.
Bahan utama pembuatan perangkat semikonduktor adalah silikon (Si), silikon karbida (SiC), senyawa galium dan indium.
konduktivitas semikonduktor tergantung pada keberadaan pengotor dan pengaruh energi eksternal (suhu, radiasi, tekanan, dll.). Aliran arus disebabkan oleh dua jenis pembawa muatan - elektron dan lubang. Tergantung pada komposisi kimianya, perbedaan dibuat antara semikonduktor murni dan tidak murni.
Untuk produksi perangkat elektronik, semikonduktor padat dengan struktur kristal digunakan.
Perangkat semikonduktor adalah perangkat yang operasinya didasarkan pada penggunaan sifat-sifat bahan semikonduktor.
Klasifikasi perangkat semikonduktor
Berdasarkan semikonduktor kontinu, resistor semikonduktor:
Resistor Linier - Resistansi sedikit bergantung pada tegangan dan arus. Ini adalah "elemen" sirkuit terpadu.
Varistor - resistansi tergantung pada tegangan yang diberikan.
Termistor - resistensi tergantung pada suhu. Ada dua jenis: termistor (dengan kenaikan suhu, resistansi menurun) dan posistor (dengan kenaikan suhu, resistansi meningkat).
Photoresistor — resistensi tergantung pada iluminasi (radiasi). Deformer - resistensi tergantung pada deformasi mekanis.
Prinsip pengoperasian sebagian besar perangkat semikonduktor didasarkan pada sifat p-n-junction persimpangan elektron-lubang.
Dioda semikonduktor
Ini adalah perangkat semikonduktor dengan satu persimpangan p-n dan dua terminal, operasi yang didasarkan pada sifat-sifat persimpangan p-n.
Properti utama persimpangan p-n adalah konduksi searah - arus mengalir hanya dalam satu arah. Penunjukan grafis konvensional (UGO) dari dioda berbentuk panah, yang menunjukkan arah aliran arus melalui perangkat.
Secara struktural, dioda terdiri dari persimpangan p-n yang tertutup dalam kasing (dengan pengecualian bingkai terbuka mikromodul) dan dua terminal: dari anoda-wilayah-p, dari katoda-wilayah-n.
Ini. Dioda adalah perangkat semikonduktor yang mengalirkan arus hanya dalam satu arah — dari anoda ke katoda.
Ketergantungan arus melalui perangkat pada tegangan yang diberikan disebut perangkat karakteristik arus-tegangan (VAC) I = f (U).Konduksi satu sisi dioda terlihat dari karakteristik I-V-nya (Gbr. 1).
Gambar 1 — Karakteristik arus-tegangan dioda
Tergantung pada tujuannya, dioda semikonduktor dibagi menjadi penyearah, universal, pulsa, dioda zener dan stabilisator, terowongan dan dioda balik, LED dan fotodioda.
Konduksi satu sisi menentukan sifat penyearah dioda. Dengan koneksi langsung («+» ke anoda dan «-» ke katoda) dioda terbuka dan arus maju yang cukup besar mengalir melaluinya. Sebaliknya («-» ke anoda dan «+» ke katoda), dioda ditutup, tetapi arus balik kecil mengalir.
Dioda penyearah dirancang untuk mengubah arus bolak-balik frekuensi rendah (biasanya kurang dari 50 kHz) menjadi arus searah, mis. untuk berdiri. Parameter utamanya adalah arus maju maksimum yang diijinkan Ipr max dan tegangan balik maksimum yang diijinkan Uo6p max. Parameter ini disebut pembatasan — melebihinya dapat menonaktifkan perangkat sebagian atau seluruhnya.
Untuk meningkatkan parameter ini, kolom dioda, node, matriks dibuat, yang merupakan seri-paralel, jembatan atau sambungan p-n-junction lainnya.
Dioda universal digunakan untuk memperbaiki arus dalam rentang frekuensi yang luas (hingga beberapa ratus megahertz). Parameter dioda ini sama dengan dioda penyearah, hanya tambahan yang dimasukkan: frekuensi operasi maksimum (MHz) dan kapasitansi dioda (pF).
Dioda pulsa dirancang untuk konversi sinyal pulsa, mereka digunakan di sirkuit pulsa berkecepatan tinggi.Persyaratan untuk dioda ini terkait dengan memastikan respons cepat perangkat terhadap sifat impuls dari tegangan yang disediakan - waktu transisi singkat dioda dari keadaan tertutup ke keadaan terbuka dan sebaliknya.
Dioda zener — ini adalah dioda semikonduktor, penurunan tegangan yang sedikit bergantung pada arus yang mengalir. Ini berfungsi untuk menstabilkan ketegangan.
Varikapi - prinsip operasi didasarkan pada properti p-n-junction untuk mengubah nilai kapasitansi penghalang ketika nilai tegangan balik berubah padanya. Mereka digunakan sebagai kapasitor variabel yang dikontrol tegangan. Dalam skema, varicaps dihidupkan ke arah yang berlawanan.
LED - ini adalah dioda semikonduktor, yang prinsipnya didasarkan pada pancaran cahaya dari persimpangan p-n ketika arus searah melewatinya.
Fotodioda - arus balik tergantung pada iluminasi p-n-junction.
Dioda Schottky - berdasarkan persimpangan logam-semikonduktor, itulah sebabnya mereka memiliki tingkat respons yang jauh lebih tinggi daripada dioda konvensional.
Gambar 2 — Representasi grafis konvensional dari dioda
Untuk informasi lebih lanjut tentang dioda lihat di sini:
Fotodioda: perangkat, karakteristik, dan prinsip operasi
Transistor
Transistor adalah perangkat semikonduktor yang dirancang untuk memperkuat, menghasilkan, dan mengubah sinyal listrik, serta mengganti sirkuit listrik.
Ciri khas dari transistor adalah kemampuannya untuk memperkuat tegangan dan arus - tegangan dan arus yang bekerja pada input transistor menyebabkan munculnya tegangan dan arus yang jauh lebih tinggi pada outputnya.
Dengan penyebaran rangkaian elektronik digital dan pulsa, sifat utama transistor adalah kemampuannya untuk berada dalam keadaan terbuka dan tertutup di bawah pengaruh sinyal kontrol.
Transistor mendapatkan namanya dari singkatan dari dua kata bahasa Inggris tran (sfer) (re) sistor - resistor yang dikendalikan. Nama ini tidak disengaja, karena di bawah pengaruh tegangan input yang diterapkan pada transistor, resistansi antara terminal keluarannya dapat diatur dalam kisaran yang sangat luas.
Transistor memungkinkan Anda untuk menyesuaikan arus dalam rangkaian dari nol hingga nilai maksimum.
Klasifikasi transistor:
— sesuai dengan prinsip aksi: medan (unipolar), bipolar, gabungan.
— dengan nilai daya yang dihamburkan: rendah, sedang dan tinggi.
— dengan nilai frekuensi pembatas: frekuensi rendah, sedang, tinggi dan sangat tinggi.
— dengan nilai tegangan operasi: tegangan rendah dan tinggi.
— dengan tujuan fungsional: universal, penguat, kunci, dll.
-dalam hal desain: dengan rangka terbuka dan dalam versi tipe kotak, dengan terminal kaku dan fleksibel.
Bergantung pada fungsi yang dilakukan, transistor dapat bekerja dalam tiga mode:
1) Mode aktif - digunakan untuk memperkuat sinyal listrik di perangkat analog Resistansi transistor berubah dari nol ke nilai maksimum - mereka mengatakan bahwa transistor "membuka" atau "menutup".
2) Mode saturasi — resistansi transistor cenderung nol. Dalam hal ini, transistor setara dengan kontak relai tertutup.
3) Mode cut-off — transistor tertutup dan memiliki resistansi tinggi, mis. itu setara dengan kontak relai terbuka.
Mode saturasi dan cutoff digunakan dalam sirkuit digital, pulsa, dan switching.
Transistor bipolar adalah perangkat semikonduktor dengan dua sambungan p-n dan tiga konduktor yang menyediakan amplifikasi daya sinyal listrik.
Dalam transistor bipolar, arus disebabkan oleh pergerakan pembawa muatan dari dua jenis: elektron dan lubang, yang sesuai dengan namanya.
Pada diagram, diperbolehkan untuk menggambarkan transistor, baik dalam lingkaran maupun tanpa lingkaran (Gbr. 3). Panah menunjukkan arah aliran arus dalam transistor.
Gambar 3 - Notasi grafis konvensional dari transistor n-p-n (a) dan p-n-p (b)
Dasar dari transistor adalah pelat semikonduktor, di mana tiga bagian dengan jenis konduktivitas variabel - elektron dan lubang - terbentuk. Bergantung pada pergantian lapisan, dua jenis struktur transistor dibedakan: n-p-n (Gbr. 3, a) dan p-n-p (Gbr. 3, b).
Emitter (E) — lapisan yang merupakan sumber pembawa muatan (elektron atau lubang) dan menciptakan arus pada perangkat;
Kolektor (K) — lapisan yang menerima pembawa muatan yang berasal dari emitor;
Base (B) — lapisan tengah yang mengontrol arus transistor.
Ketika transistor dihubungkan ke sirkuit, salah satu elektrodanya adalah input (sumber sinyal bolak-balik input menyala), yang lain adalah output (beban aktif), elektroda ketiga umum untuk input dan output. Dalam kebanyakan kasus, rangkaian emitor umum digunakan (Gambar 4). Tegangan tidak lebih dari 1 V diterapkan ke basis, lebih dari 1 V ke kolektor, misalnya +5 V, +12 V, +24 V, dll.
Gambar 4 — Diagram rangkaian transistor bipolar emitor umum
Arus kolektor hanya terjadi ketika arus basis Ib (ditentukan oleh Ube) mengalir.Semakin banyak Ib, semakin banyak Ik. Ib diukur dalam satuan mA, dan arus kolektor diukur dalam puluhan dan ratusan mA, mis. IbIk. Oleh karena itu, ketika sinyal AC amplitudo kecil diterapkan ke pangkalan, Ib kecil akan berubah dan Ic besar akan berubah sebanding dengannya. Ketika pengumpul resistansi beban dimasukkan ke dalam rangkaian, sinyal akan didistribusikan ke sana, mengulangi bentuk input, tetapi dengan amplitudo yang lebih besar, mis. sinyal yang diperkuat.
Parameter maksimum yang diizinkan dari transistor meliputi, pertama-tama: daya maksimum yang diizinkan yang dihamburkan pada kolektor Pk.max, tegangan antara kolektor dan emitor Uke.max, arus kolektor Ik.max.
Untuk meningkatkan parameter pembatas, rakitan transistor diproduksi, yang dapat berjumlah hingga beberapa ratus transistor yang terhubung paralel yang dibungkus dalam satu rumahan.
Transistor bipolar sekarang semakin jarang digunakan, terutama dalam teknologi daya pulsa. Mereka digantikan oleh MOSFET dan IGBT gabungan, yang memiliki keunggulan tak terbantahkan di bidang elektronik ini.
Dalam transistor efek medan, arus ditentukan oleh pergerakan pembawa hanya dari satu tanda (elektron atau lubang). Tidak seperti bipolar, arus transistor digerakkan oleh medan listrik yang mengubah penampang saluran penghantar.
Karena tidak ada arus input di sirkuit input, konsumsi daya sirkuit ini praktis nol, yang tidak diragukan lagi merupakan keuntungan dari transistor efek medan.
Secara struktural, transistor terdiri dari saluran penghantar tipe-n atau p, di ujungnya terdapat daerah: sumber yang memancarkan pembawa muatan dan saluran pembuangan yang menerima pembawa.Elektroda yang digunakan untuk mengatur penampang saluran disebut gerbang.
Transistor efek medan adalah perangkat semikonduktor yang mengatur arus dalam rangkaian dengan mengubah penampang saluran penghantar.
Ada transistor efek medan dengan gerbang dalam bentuk sambungan pn dan dengan gerbang terisolasi.
Dalam transistor efek medan dengan gerbang berinsulasi antara saluran semikonduktor dan gerbang logam terdapat lapisan isolasi transistor dielektrik - MIS (logam - dielektrik - semikonduktor), kasing khusus - silikon oksida - transistor MOS.
Transistor MOS saluran bawaan memiliki konduktansi awal yang, jika tidak ada sinyal input (Uzi = 0), kira-kira setengah dari maksimum. Pada transistor MOS dengan saluran induksi pada tegangan Uzi = 0, arus keluaran tidak ada, Ic = 0, karena awalnya tidak ada saluran penghantar.
MOSFET dengan saluran terinduksi juga disebut MOSFET. Mereka terutama digunakan sebagai elemen kunci, misalnya dalam mengganti catu daya.
Elemen kunci berdasarkan transistor MOS memiliki sejumlah keunggulan: sirkuit sinyal tidak terhubung secara galvanis ke sumber aksi kontrol, sirkuit kontrol tidak mengkonsumsi arus dan memiliki konduktivitas dua sisi. Transistor efek medan, tidak seperti transistor bipolar, tidak takut terlalu panas.
Untuk informasi lebih lanjut tentang transistor lihat di sini:
Thyristor
Thyristor adalah perangkat semikonduktor yang beroperasi dalam dua kondisi stabil - konduksi rendah (thyristor tertutup) dan konduksi tinggi (thyristor terbuka). Secara struktural, thyristor memiliki tiga atau lebih sambungan p-n dan tiga keluaran.
Selain anoda dan katoda, keluaran ketiga (elektroda) disediakan dalam desain thyristor, yang disebut kontrol.
Thyristor dirancang untuk sakelar non-kontak (hidup dan mati) dari sirkuit listrik. Mereka dicirikan oleh kecepatan tinggi dan kemampuan untuk mengalihkan arus dengan besaran yang sangat signifikan (hingga 1000 A). Mereka secara bertahap digantikan oleh transistor switching.
Gambar 5 - Konvensional - penunjukan grafis thyristor
Dynistor (dua elektroda) — seperti penyearah konvensional, mereka memiliki anoda dan katoda. Saat tegangan maju meningkat pada nilai tertentu Ua = Uon, dinistor terbuka.
Thyristor (SCR — tiga elektroda) — memiliki elektroda kontrol tambahan; Uin diubah oleh arus kontrol yang mengalir melalui elektroda kontrol.
Untuk mentransfer thyristor ke keadaan tertutup, perlu menerapkan tegangan balik (- ke anoda, + ke katoda) atau mengurangi arus maju di bawah nilai yang disebut arus penahan Iuder.
Mengunci thyristor - dapat dialihkan ke keadaan tertutup dengan menerapkan pulsa kontrol polaritas terbalik.
Thyristor: prinsip operasi, desain, jenis dan metode inklusi
Triacs (thyristor simetris) — mengalirkan arus di kedua arah.
Thyristor digunakan sebagai sakelar kedekatan dan penyearah yang dapat dikontrol dalam perangkat otomasi dan konverter arus listrik. Dalam sirkuit arus bolak-balik dan berdenyut, dimungkinkan untuk mengubah waktu keadaan terbuka thyristor, dan karenanya waktu aliran arus melalui beban. Ini memungkinkan Anda untuk menyesuaikan daya yang didistribusikan ke beban.