Halbleiterbauelemente – Typen, Übersicht und Verwendung
Die rasante Entwicklung und Erweiterung der Einsatzgebiete elektronischer Geräte ist auf die Verbesserung der Elementbasis zurückzuführen, auf der Halbleitergeräte basieren... Um die Funktionsweise elektronischer Geräte zu verstehen, ist es daher notwendig, sie zu kennen das Gerät und das Funktionsprinzip der wichtigsten Arten von Halbleiterbauelementen.
Halbleitermaterialien Sie nehmen hinsichtlich ihres spezifischen Widerstands eine Zwischenstellung zwischen Leitern und Dielektrika ein.
Die Hauptmaterialien für die Herstellung von Halbleiterbauelementen sind Silizium (Si), Siliziumkarbid (SiC), Gallium und Indiumverbindungen.
Halbleiterleitfähigkeit hängt vom Vorhandensein von Verunreinigungen und äußeren Energieeinflüssen (Temperatur, Strahlung, Druck usw.) ab. Der Stromfluss wird durch zwei Arten von Ladungsträgern verursacht – Elektronen und Löcher. Je nach chemischer Zusammensetzung unterscheidet man zwischen reinen und unreinen Halbleitern.
Zur Herstellung elektronischer Geräte werden feste Halbleiter mit kristalliner Struktur verwendet.
Halbleiterbauelemente sind Geräte, deren Funktionsweise auf der Nutzung der Eigenschaften von Halbleitermaterialien basiert.
Klassifizierung von Halbleiterbauelementen
Basierend auf kontinuierlichen Halbleitern, Halbleiterwiderständen:
Linearer Widerstand – Der Widerstand hängt leicht von Spannung und Strom ab. Es ist ein „Element“ integrierter Schaltkreise.
Varistor – der Widerstand hängt von der angelegten Spannung ab.
Thermistor – Widerstand hängt von der Temperatur ab. Es gibt zwei Arten: Thermistoren (mit steigender Temperatur nimmt der Widerstand ab) und Kaltleiter (mit steigender Temperatur steigt der Widerstand).
Fotowiderstand – der Widerstand hängt von der Beleuchtung (Strahlung) ab. Deformer – Widerstand hängt von mechanischer Verformung ab.
Das Funktionsprinzip der meisten Halbleiterbauelemente basiert auf den Eigenschaften des p-n-Übergangs des Elektron-Loch-Übergangs.
Halbleiterdioden
Es handelt sich um ein Halbleiterbauelement mit einem pn-Übergang und zwei Anschlüssen, dessen Funktionsweise auf den Eigenschaften des pn-Übergangs basiert.
Die Haupteigenschaft des pn-Übergangs ist die unidirektionale Leitung – der Strom fließt nur in eine Richtung. Die herkömmliche grafische Bezeichnung (UGO) der Diode hat die Form eines Pfeils, der die Richtung des Stromflusses durch das Gerät angibt.
Strukturell besteht die Diode aus einem in einem Gehäuse eingeschlossenen pn-Übergang (mit Ausnahme offener Mikromodulrahmen) und zwei Anschlüssen: von der p-Bereich-Anode, von der n-Bereich-Kathode.
Diese. Eine Diode ist ein Halbleiterbauelement, das Strom nur in eine Richtung leitet – von der Anode zur Kathode.
Die Abhängigkeit des Stroms durch das Gerät von der angelegten Spannung wird als Strom-Spannungs-Kennlinie (VAC) Gerät I = f (U) bezeichnet.Die einseitige Leitung der Diode ist an ihrer I-V-Kennlinie erkennbar (Abb. 1).
Abbildung 1 – Strom-Spannungs-Kennlinie der Diode
Je nach Verwendungszweck werden Halbleiterdioden in Gleichrichter-, Universal-, Impuls-, Zener- und Stabilisatordioden, Tunnel- und Umkehrdioden, LEDs und Fotodioden unterteilt.
Die einseitige Leitung bestimmt die Gleichrichtungseigenschaften der Diode. Bei direktem Anschluss („+“ an die Anode und „-“ an die Kathode) ist die Diode geöffnet und es fließt ein ausreichend großer Durchlassstrom durch sie. Im Rückwärtsgang („-“ zur Anode und „+“ zur Kathode) ist die Diode geschlossen, es fließt jedoch ein kleiner Rückstrom.
Gleichrichterdioden dienen dazu, niederfrequenten Wechselstrom (meist weniger als 50 kHz) in Gleichstrom umzuwandeln, d. h. aufstehen. Ihre Hauptparameter sind der maximal zulässige Durchlassstrom Ipr max und die maximal zulässige Sperrspannung Uo6p max. Diese Parameter werden als Begrenzung bezeichnet. Eine Überschreitung dieser Parameter kann das Gerät teilweise oder vollständig deaktivieren.
Um diese Parameter zu erhöhen, werden Diodenspalten, Knoten, Matrizen hergestellt, bei denen es sich um Reihen-Parallel-, Brücken- oder andere Verbindungen von p-n-Übergängen handelt.
Universaldioden werden zur Gleichrichtung von Strömen in einem weiten Frequenzbereich (bis zu mehreren hundert Megahertz) eingesetzt. Die Parameter dieser Dioden sind die gleichen wie die der Gleichrichterdioden, es werden lediglich zusätzlich eingegeben: die maximale Betriebsfrequenz (MHz) und die Diodenkapazität (pF).
Pulsdioden sind für die Pulssignalumwandlung konzipiert und werden in Hochgeschwindigkeits-Pulsschaltungen eingesetzt.Die Anforderungen an diese Dioden beziehen sich auf die Sicherstellung einer schnellen Reaktion des Geräts auf den Impulscharakter der zugeführten Spannung – eine kurze Übergangszeit der Diode vom geschlossenen Zustand in den offenen Zustand und umgekehrt.
Zenerdioden – das sind Halbleiterdioden, deren Spannungsabfall kaum vom fließenden Strom abhängt. Es dient der Spannungsstabilisierung.
Varikapi – Das Funktionsprinzip basiert auf der Eigenschaft des pn-Übergangs, den Wert der Barrierenkapazität zu ändern, wenn sich der Wert der Sperrspannung an ihm ändert. Sie werden als spannungsgesteuerte Drehkondensatoren eingesetzt. In den Schemata werden die Varicaps in die entgegengesetzte Richtung eingeschaltet.
LEDs – das sind Halbleiterdioden, deren Prinzip auf der Emission von Licht aus einem pn-Übergang basiert, wenn ein Gleichstrom durch ihn fließt.
Fotodioden – der Sperrstrom hängt von der Beleuchtung des pn-Übergangs ab.
Schottky-Dioden – basieren auf einer Metall-Halbleiter-Verbindung, weshalb sie eine deutlich höhere Ansprechgeschwindigkeit als herkömmliche Dioden haben.
Abbildung 2 – Konventionelle grafische Darstellung von Dioden
Weitere Informationen zu Dioden finden Sie hier:
Parameter und Schemata des Gleichrichters
Fotodioden: Gerät, Eigenschaften und Funktionsprinzipien
Transistoren
Ein Transistor ist ein Halbleiterbauelement, das dazu dient, elektrische Signale zu verstärken, zu erzeugen und umzuwandeln sowie elektrische Schaltkreise zu schalten.
Eine Besonderheit des Transistors ist die Fähigkeit, Spannung und Strom zu verstärken. Spannungen und Ströme, die am Eingang des Transistors wirken, führen dazu, dass an seinem Ausgang deutlich höhere Spannungen und Ströme auftreten.
Mit der Verbreitung digitaler Elektronik und Impulsschaltungen besteht die Haupteigenschaft des Transistors in seiner Fähigkeit, unter dem Einfluss eines Steuersignals im offenen und geschlossenen Zustand zu sein.
Der Transistor erhielt seinen Namen von der Abkürzung der beiden englischen Wörter tran (sfer) (re) sistor – gesteuerter Widerstand. Dieser Name kommt nicht von ungefähr, denn unter Einwirkung der am Transistor anliegenden Eingangsspannung kann der Widerstand zwischen seinen Ausgangsklemmen in einem sehr weiten Bereich eingestellt werden.
Mit dem Transistor können Sie den Strom im Stromkreis von Null bis zum Maximalwert einstellen.
Klassifizierung von Transistoren:
— nach dem Wirkprinzip: Feld (unipolar), bipolar, kombiniert.
— nach dem Wert der Verlustleistung: niedrig, mittel und hoch.
— nach dem Wert der Grenzfrequenz: niedrige, mittlere, hohe und ultrahohe Frequenz.
— nach dem Wert der Betriebsspannung: Nieder- und Hochspannung.
— nach Funktionszweck: universell, verstärkend, Schlüssel usw.
-vom Design her: mit offenem Rahmen und in Kastenausführung, mit starren und flexiblen Anschlüssen.
Abhängig von den ausgeführten Funktionen können Transistoren in drei Modi arbeiten:
1) Aktiver Modus – wird zur Verstärkung elektrischer Signale in analogen Geräten verwendet. Der Widerstand des Transistors ändert sich von Null auf den Maximalwert – man sagt, dass der Transistor „öffnet“ oder „schließt“.
2) Sättigungsmodus – der Widerstand des Transistors geht gegen Null. In diesem Fall entspricht der Transistor einem geschlossenen Relaiskontakt.
3) Cut-off-Modus – der Transistor ist geschlossen und hat einen hohen Widerstand, d. h. es entspricht einem offenen Relaiskontakt.
Die Sättigungs- und Cutoff-Modi werden in Digital-, Impuls- und Schaltkreisen verwendet.
Ein Bipolartransistor ist ein Halbleiterbauelement mit zwei pn-Übergängen und drei Leitern, das die Leistungsverstärkung elektrischer Signale ermöglicht.
In Bipolartransistoren wird der Strom durch die Bewegung von Ladungsträgern zweier Arten verursacht: Elektronen und Löcher, weshalb sie auch ihren Namen haben.
In den Diagrammen dürfen Transistoren sowohl im Kreis als auch ohne Kreis dargestellt werden (Abb. 3). Der Pfeil zeigt die Richtung des Stromflusses im Transistor.
Abbildung 3 – Konventionelle grafische Notation der Transistoren n-p-n (a) und p-n-p (b)
Die Basis des Transistors ist eine Halbleiterplatte, in der drei Abschnitte mit variabler Leitfähigkeitsart – Elektron und Loch – gebildet sind. Je nach Schichtwechsel werden zwei Arten von Transistorstrukturen unterschieden: n-p-n (Abb. 3, a) und p-n-p (Abb. 3, b).
Emitter (E) – eine Schicht, die eine Quelle für Ladungsträger (Elektronen oder Löcher) ist und einen Strom auf dem Gerät erzeugt;
Kollektor (K) – eine Schicht, die vom Emitter kommende Ladungsträger aufnimmt;
Basis (B) – die mittlere Schicht, die den Strom des Transistors steuert.
Wenn der Transistor an die Schaltung angeschlossen ist, ist eine seiner Elektroden der Eingang (die Quelle des Eingangswechselsignals ist eingeschaltet), die andere ist der Ausgang (die Last ist eingeschaltet), die dritte Elektrode ist dem Ein- und Ausgang gemeinsam. In den meisten Fällen wird eine gemeinsame Emitterschaltung verwendet (Abbildung 4). An der Basis liegt eine Spannung von nicht mehr als 1 V an, am Kollektor mehr als 1 V, zum Beispiel +5 V, +12 V, +24 V usw.
Abbildung 4 – Schaltpläne eines Bipolartransistors mit gemeinsamem Emitter
Der Kollektorstrom entsteht nur, wenn der Basisstrom Ib (bestimmt durch Ube) fließt.Je mehr Ib, desto mehr Ik. Ib wird in der Einheit mA gemessen, und der Kollektorstrom wird in Dutzenden und Hunderten von mA gemessen, d. h. IbIk. Wenn daher ein Wechselstromsignal mit kleiner Amplitude an die Basis angelegt wird, ändert sich der kleine Ib und der große Ic proportional dazu. Wenn ein Lastwiderstandskollektor in den Stromkreis einbezogen wird, wird ihm ein Signal zugeführt, das die Form des Eingangs wiederholt, jedoch eine größere Amplitude aufweist, d. h. verstärktes Signal.
Zu den maximal zulässigen Parametern der Transistoren gehören zunächst: die maximal zulässige Verlustleistung am Kollektor Pk.max, die Spannung zwischen Kollektor und Emitter Uke.max, der Kollektorstrom Ik.max.
Um die Grenzparameter zu erhöhen, werden Transistorbaugruppen hergestellt, die bis zu mehreren hundert parallel geschalteten Transistoren umfassen können, die in einem einzigen Gehäuse untergebracht sind.
Bipolartransistoren werden vor allem in der Pulsleistungstechnik immer seltener eingesetzt. Sie werden durch MOSFETs und kombinierte IGBTs ersetzt, die in diesem Bereich der Elektronik unbestreitbare Vorteile haben.
Bei Feldeffekttransistoren wird der Strom durch die Bewegung von Trägern nur eines Vorzeichens (Elektronen oder Löcher) bestimmt. Im Gegensatz zu bipolaren Transistoren wird der Strom durch ein elektrisches Feld angetrieben, das den Querschnitt des leitenden Kanals verändert.
Da in der Eingangsschaltung kein Eingangsstrom fließt, ist der Stromverbrauch dieser Schaltung praktisch Null, was zweifellos ein Vorteil des Feldeffekttransistors ist.
Strukturell besteht ein Transistor aus einem leitenden Kanal vom n- oder p-Typ, an dessen Enden sich Bereiche befinden: eine Source, die Ladungsträger aussendet, und ein Drain, das Ladungsträger aufnimmt.Die Elektrode, mit der der Kanalquerschnitt eingestellt wird, wird Gate genannt.
Ein Feldeffekttransistor ist ein Halbleiterbauelement, das den Strom in einem Stromkreis durch Änderung des Querschnitts des leitenden Kanals reguliert.
Es gibt Feldeffekttransistoren mit einem Gate in Form eines pn-Übergangs und mit einem isolierten Gate.
Bei Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate befindet sich zwischen dem Halbleiterkanal und dem Metallgate eine isolierende Schicht aus Dielektrikum – MIS-Transistoren (Metall – Dielektrikum – Halbleiter), ein Sonderfall – Siliziumoxid – MOS-Transistoren.
Ein eingebauter Kanal-MOS-Transistor hat einen Anfangsleitwert, der bei fehlendem Eingangssignal (Uzi = 0) etwa die Hälfte des Maximums beträgt. Bei MOS-Transistoren mit induziertem Kanal bei einer Spannung Uzi = 0 fehlt der Ausgangsstrom, Ic = 0, da zunächst kein leitender Kanal vorhanden ist.
MOSFETs mit induziertem Kanal werden auch MOSFETs genannt. Sie werden hauptsächlich als Schlüsselelemente beispielsweise in Schaltnetzteilen eingesetzt.
Die auf MOS-Transistoren basierenden Schlüsselelemente haben eine Reihe von Vorteilen: Der Signalkreis ist nicht galvanisch mit der Steuerquelle verbunden, der Steuerkreis verbraucht keinen Strom und weist eine beidseitige Leitfähigkeit auf. Feldeffekttransistoren haben im Gegensatz zu bipolaren Transistoren keine Angst vor Überhitzung.
Weitere Informationen zu Transistoren finden Sie hier:
Thyristoren
Ein Thyristor ist ein Halbleiterbauelement, das in zwei stationären Zuständen arbeitet – niedriger Leitfähigkeit (Thyristor geschlossen) und hoher Leitfähigkeit (Thyristor offen). Strukturell verfügt ein Thyristor über drei oder mehr pn-Übergänge und drei Ausgänge.
Zusätzlich zu Anode und Kathode ist im Design des Thyristors ein dritter Ausgang (Elektrode) vorgesehen, der als Steuerung bezeichnet wird.
Der Thyristor ist für das berührungslose Schalten (Ein- und Ausschalten) von Stromkreisen ausgelegt. Sie zeichnen sich durch hohe Geschwindigkeit und die Fähigkeit aus, Ströme sehr großer Größenordnung (bis zu 1000 A) zu schalten. Sie werden nach und nach durch Schalttransistoren ersetzt.
Abbildung 5 – Konventionell – grafische Bezeichnung von Thyristoren
Dynistoren (Zwei-Elektroden-Gleichrichter) – sie haben wie herkömmliche Gleichrichter eine Anode und eine Kathode. Wenn die Durchlassspannung auf einen bestimmten Wert Ua = Uon ansteigt, öffnet der Dinistor.
Thyristoren (SCRs – Drei-Elektroden) – verfügen über eine zusätzliche Steuerelektrode; Uin wird durch den durch die Steuerelektrode fließenden Steuerstrom verändert.
Um den Thyristor in den geschlossenen Zustand zu überführen, ist es notwendig, eine Sperrspannung anzulegen (- an die Anode, + an die Kathode) oder den Durchlassstrom unter einen Wert zu reduzieren, der als Iuder-Haltestrom bezeichnet wird.
Sperrthyristor – kann durch Anlegen eines Steuerimpulses mit umgekehrter Polarität in den geschlossenen Zustand geschaltet werden.
Thyristoren: Funktionsprinzip, Design, Arten und Einschaltmethoden
Triacs (symmetrische Thyristoren) – leiten Strom in beide Richtungen.
Thyristoren werden als Näherungsschalter und steuerbare Gleichrichter in Automatisierungsgeräten und Stromwandlern eingesetzt. In Wechsel- und Impulsstromkreisen ist es möglich, die Zeit des offenen Zustands des Thyristors und damit die Zeit des Stromflusses durch die Last zu ändern. Dadurch können Sie die an die Last verteilte Leistung anpassen.