Dispositivos semicondutores - tipos, visão geral e usos
O rápido desenvolvimento e expansão dos campos de aplicação de dispositivos eletrônicos se deve ao aprimoramento da base de elementos em que se baseiam os dispositivos semicondutores... Portanto, para entender os processos de funcionamento dos dispositivos eletrônicos, é necessário conhecer o dispositivo e o princípio de operação dos principais tipos de dispositivos semicondutores.
Materiais semicondutores em termos de sua resistência específica, eles ocupam uma posição intermediária entre condutores e dielétricos.
Os principais materiais para a fabricação de dispositivos semicondutores são compostos de silício (Si), carboneto de silício (SiC), gálio e índio.
Condutividade do semicondutor depende da presença de impurezas e influências externas de energia (temperatura, radiação, pressão, etc.). O fluxo de corrente é causado por dois tipos de portadores de carga — elétrons e lacunas. Dependendo da composição química, é feita uma distinção entre semicondutores puros e impuros.
Para a produção de dispositivos eletrônicos, são utilizados semicondutores sólidos com estrutura cristalina.
Dispositivos semicondutores são dispositivos cuja operação é baseada no uso das propriedades de materiais semicondutores.
Classificação de dispositivos semicondutores
Com base em semicondutores contínuos, resistores semicondutores:
Resistor linear - A resistência depende ligeiramente da tensão e da corrente. É um "elemento" dos circuitos integrados.
Varistor - a resistência depende da tensão aplicada.
Termistor - a resistência depende da temperatura. Existem dois tipos: termistor (conforme a temperatura aumenta, a resistência diminui) e positores (conforme a temperatura aumenta, a resistência aumenta).
Fotoresistor — a resistência depende da iluminação (radiação). Deformador — a resistência depende da deformação mecânica.
O princípio de operação da maioria dos dispositivos semicondutores é baseado nas propriedades da junção p-n-junção elétron-buraco.
Diodos semicondutores
É um dispositivo semicondutor com uma junção p-n e dois terminais, cuja operação é baseada nas propriedades da junção p-n.
A principal propriedade da junção p-n é a condução unidirecional - a corrente flui em apenas uma direção. A designação gráfica convencional (UGO) do diodo tem a forma de uma seta, que indica a direção do fluxo de corrente através do dispositivo.
Estruturalmente, o diodo consiste em uma junção p-n fechada em uma caixa (com exceção dos quadros abertos do micromódulo) e dois terminais: do ânodo da região p, do cátodo da região n.
Esses. Um diodo é um dispositivo semicondutor que conduz a corrente em apenas uma direção - do ânodo para o cátodo.
A dependência da corrente através do dispositivo em relação à tensão aplicada é chamada de característica corrente-tensão (VAC) dispositivo I = f (U).A condução unilateral do diodo é evidente por sua característica I-V (Fig. 1).
Figura 1 - Característica corrente-tensão do diodo
Dependendo da finalidade, os diodos semicondutores são divididos em retificador, universal, pulso, diodos zener e estabilizadores, diodos de túnel e reversos, LEDs e fotodiodos.
A condução unilateral determina as propriedades de retificação do diodo. Com conexão direta («+» para o ânodo e «-» para o cátodo), o diodo está aberto e uma corrente direta suficientemente grande flui através dele. Em sentido inverso («-» para o ânodo e «+» para o cátodo), o diodo está fechado, mas uma pequena corrente reversa flui.
Os diodos retificadores são projetados para converter corrente alternada de baixa frequência (geralmente inferior a 50 kHz) em corrente contínua, ou seja, levantar-se. Seus principais parâmetros são a corrente direta máxima permitida Ipr max e a tensão reversa máxima permitida Uo6p max. Esses parâmetros são chamados de limitantes — excedê-los pode desativar parcial ou totalmente o dispositivo.
Para aumentar esses parâmetros, são feitas colunas de diodo, nós, matrizes, que são paralelos em série, ponte ou outras conexões de junções p-n.
Os diodos universais são usados para retificar correntes em uma ampla faixa de frequência (até várias centenas de megahertz). Os parâmetros desses diodos são os mesmos dos diodos retificadores, apenas alguns adicionais são inseridos: a frequência operacional máxima (MHz) e a capacitância do diodo (pF).
Os diodos de pulso são projetados para conversão de sinal de pulso, eles são usados em circuitos de pulso de alta velocidade.Os requisitos para esses diodos estão relacionados a garantir uma resposta rápida do dispositivo à natureza do impulso da tensão fornecida - um curto tempo de transição do diodo do estado fechado para o estado aberto e vice-versa.
Diodos Zener - estes são diodos semicondutores, cuja queda de tensão depende pouco do fluxo de corrente. Serve para estabilizar a tensão.
Varikapi - o princípio de operação é baseado na propriedade da junção p-n de alterar o valor da capacitância da barreira quando o valor da tensão reversa muda nela. Eles são usados como capacitores variáveis controlados por tensão. Nos esquemas, os varicaps são ativados na direção oposta.
LEDs - são diodos semicondutores, cujo princípio se baseia na emissão de luz de uma junção p-n quando uma corrente contínua passa por ela.
Fotodiodos - a corrente reversa depende da iluminação da junção p-n.
Diodos Schottky - baseados em uma junção metal-semicondutor, e é por isso que eles têm uma taxa de resposta significativamente maior do que os diodos convencionais.
Figura 2 — Representação gráfica convencional de diodos
Para mais informações sobre diodos, veja aqui:
Parâmetros e esquemas do retificador
Fotodiodos: dispositivo, características e princípios de operação
Transistores
Um transistor é um dispositivo semicondutor projetado para amplificar, gerar e converter sinais elétricos, bem como comutar circuitos elétricos.
Uma característica distintiva do transistor é a capacidade de amplificar tensão e corrente - tensões e correntes que atuam na entrada do transistor levam ao aparecimento de tensões e correntes significativamente mais altas em sua saída.
Com a disseminação da eletrônica digital e dos circuitos de pulso, a principal propriedade do transistor é sua capacidade de estar no estado aberto e fechado sob a influência de um sinal de controle.
O transistor recebeu esse nome da abreviatura de duas palavras em inglês tran (sfer) (re) sistor - resistor controlado. Esse nome não é acidental, pois sob a ação da tensão de entrada aplicada ao transistor, a resistência entre seus terminais de saída pode ser ajustada em uma faixa muito ampla.
O transistor permite ajustar a corrente no circuito de zero ao valor máximo.
Classificação dos transistores:
— segundo o princípio de ação: campo (unipolar), bipolar, combinado.
— pelo valor da potência dissipada: baixa, média e alta.
— pelo valor da frequência limite: baixa, média, alta e ultra-alta frequência.
— pelo valor da tensão de operação: baixa e alta tensão.
— por finalidade funcional: universal, reforço, chave, etc.
-em termos de design: com moldura aberta e em versão tipo caixa, com terminais rígidos e flexíveis.
Dependendo das funções executadas, os transistores podem funcionar em três modos:
1) Modo ativo - usado para amplificar sinais elétricos em dispositivos analógicos. A resistência do transistor muda de zero ao valor máximo - dizem que o transistor "abre" ou "fecha".
2) Modo de saturação — a resistência do transistor tende a zero. Neste caso, o transistor é equivalente a um contato de relé fechado.
3) Modo de corte - o transistor está fechado e tem uma alta resistência, ou seja, é equivalente a um contato de relé aberto.
Os modos de saturação e corte são usados em circuitos digitais, de pulso e de comutação.
Um transistor bipolar é um dispositivo semicondutor com duas junções p-n e três condutores que fornecem amplificação de potência de sinais elétricos.
Nos transistores bipolares, a corrente é causada pelo movimento de portadores de carga de dois tipos: elétrons e buracos, daí o nome.
Nos diagramas, é permitido representar transistores, tanto em círculo quanto sem ele (Fig. 3). A seta mostra a direção do fluxo de corrente no transistor.
Figura 3 - Notação gráfica convencional dos transistores n-p-n (a) e p-n-p (b)
A base do transistor é uma placa semicondutora, na qual são formadas três seções com um tipo variável de condutividade - elétron e buraco. Dependendo da alternância das camadas, distinguem-se dois tipos de estrutura do transistor: n-p-n (Fig. 3, a) e p-n-p (Fig. 3, b).
Emissor (E) — uma camada que é uma fonte de portadores de carga (elétrons ou lacunas) e cria uma corrente no dispositivo;
Coletor (K) — uma camada que aceita portadores de carga provenientes do emissor;
Base (B) — a camada intermediária que controla a corrente do transistor.
Quando o transistor é conectado ao circuito, um de seus eletrodos é entrada (a fonte do sinal alternado de entrada está ligada), o outro é saída (a carga está ligada), o terceiro eletrodo é comum à entrada e à saída. Na maioria dos casos, um circuito emissor comum é usado (Figura 4). Uma tensão não superior a 1 V é aplicada à base, mais de 1 V ao coletor, por exemplo, +5 V, +12 V, +24 V, etc.
Figura 4 — Esquemas do circuito de um transistor bipolar de emissor comum
A corrente de coletor ocorre somente quando a corrente de base Ib (determinada por Ube) está fluindo.Quanto mais Ib, mais Ik. Ib é medido em unidades de mA e a corrente do coletor é medida em dezenas e centenas de mA, ou seja, IbIk. Portanto, quando um sinal CA de pequena amplitude é aplicado à base, o pequeno Ib mudará e o grande Ic mudará proporcionalmente a ele. Quando um coletor de resistência de carga é incluído no circuito, um sinal será distribuído a ele, repetindo o formato da entrada, mas com uma amplitude maior, ou seja, sinal amplificado.
Os parâmetros máximos permitidos dos transistores incluem, em primeiro lugar: a potência máxima permitida dissipada no coletor Pk.max, a tensão entre o coletor e o emissor Uke.max, a corrente do coletor Ik.max.
Para aumentar os parâmetros limitantes, são produzidos conjuntos de transistores, que podem chegar a várias centenas de transistores conectados em paralelo encerrados em um único invólucro.
Os transistores bipolares são usados cada vez menos, especialmente na tecnologia de energia pulsada. Eles são substituídos por MOSFETs e IGBTs combinados, tendo vantagens indiscutíveis neste campo da eletrônica.
Nos transistores de efeito de campo, a corrente é determinada pelo movimento de portadores de apenas um sinal (elétrons ou lacunas). Ao contrário do bipolar, a corrente do transistor é acionada por um campo elétrico que altera a seção transversal do canal condutor.
Como não há corrente de entrada no circuito de entrada, o consumo de energia deste circuito é praticamente zero, o que é sem dúvida uma vantagem do transistor de efeito de campo.
Estruturalmente, um transistor consiste em um canal condutor tipo n ou p, nas extremidades das quais existem regiões: uma fonte que emite portadores de carga e um dreno que aceita portadores.O eletrodo usado para ajustar a seção transversal do canal é chamado de gate.
Um transistor de efeito de campo é um dispositivo semicondutor que regula a corrente em um circuito alterando a seção transversal do canal condutor.
Existem transistores de efeito de campo com porta na forma de junção pn e com porta isolada.
Nos transistores de efeito de campo com uma porta isolada entre o canal do semicondutor e a porta de metal, existe uma camada isolante de dielétrico - transistores MIS (metal - dielétrico - semicondutor), um caso especial - óxido de silício - transistores MOS.
Um transistor MOS de canal embutido tem uma condutância inicial que, na ausência de um sinal de entrada (Uzi = 0), é aproximadamente metade do máximo. Nos transistores MOS com canal induzido a uma tensão Uzi = 0, a corrente de saída está ausente, Ic = 0, porque inicialmente não há canal condutor.
MOSFETs com um canal induzido também são chamados de MOSFETs. Eles são usados principalmente como elementos-chave, por exemplo, na comutação de fontes de alimentação.
Os principais elementos baseados em transistores MOS têm várias vantagens: o circuito de sinal não é conectado galvanicamente à fonte da ação de controle, o circuito de controle não consome corrente e possui condutividade bilateral. Os transistores de efeito de campo, ao contrário dos bipolares, não têm medo de superaquecer.
Para mais informações sobre transistores veja aqui:
Tiristores
Um tiristor é um dispositivo semicondutor que opera em dois estados estacionários - baixa condução (tiristor fechado) e alta condução (tiristor aberto). Estruturalmente, um tiristor tem três ou mais junções p-n e três saídas.
Além do ânodo e do cátodo, uma terceira saída (eletrodo) é fornecida no projeto do tiristor, que é chamada de controle.
O tiristor é projetado para comutação sem contato (ligar e desligar) de circuitos elétricos. Eles são caracterizados por alta velocidade e capacidade de comutar correntes de magnitude muito significativa (até 1000 A). Eles estão sendo gradualmente substituídos por transistores de comutação.
Figura 5 - Convencional - designação gráfica dos tiristores
Dynistors (dois eletrodos) - como retificadores convencionais, eles têm um ânodo e um cátodo. À medida que a tensão direta aumenta em um determinado valor Ua = Uon, o dinistor se abre.
Tiristores (SCRs — três eletrodos) — possuem um eletrodo de controle adicional; Uin é alterado pela corrente de controle que flui através do eletrodo de controle.
Para transferir o tiristor para o estado fechado, é necessário aplicar uma tensão reversa (- para o ânodo, + para o cátodo) ou reduzir a corrente direta abaixo de um valor chamado de corrente de retenção Iuder.
Tiristor de travamento - pode ser comutado para o estado fechado aplicando um pulso de controle de polaridade reversa.
Tiristores: princípio de operação, design, tipos e métodos de inclusão
Triacs (tiristores simétricos) — conduzindo corrente em ambas as direções.
Os tiristores são usados como chaves de proximidade e retificadores controláveis em dispositivos de automação e conversores de corrente elétrica. Nos circuitos de corrente alternada e pulsada, é possível alterar o tempo do estado aberto do tiristor e, portanto, o tempo do fluxo de corrente na carga. Isso permite ajustar a potência distribuída para a carga.