Elementy półprzewodnikowe

Elementy półprzewodnikowe
Materiały dydaktyczne dla kierunku Technik Optyk (W12) Kwalifikacyjnego kursu zawodowego.
Elementy elektroniczne i ich zastosowanie.
Elementy stosowane w elektronice w większości oparte są na
technologii półprzewodnikowej.
Możemy podzielić je na:
• diody
• tranzystory
• tyrystory
• elementy optoelektroniczne
• rezystory, kondensatory, cewki
Diody:
Są wykonane w postaci pojedynczego złącza NP
Dioda posiada anodę i katodę.
Prąd przewodzi jedynie w jednym kierunku (od anody do katody).
Wtedy dioda jest spolaryzowana w kierunku przewodzenia.
Przy przeciwnej polaryzacji napięcia następuje polaryzacja diody w
kierunku zaporowym i dioda nie przewodzi prądu.
Możemy podzielić je między innymi na:
• prostownicze
• Zenera (stabilizacyjne)
• sygnałowe
• pojemnościowe (warikapy)
Diody prostownicze
Są elementami półprzewodnikowymi pasywnymi o pojedynczym
złączu PN, przeznaczonymi przede wszystkim do przekształcania prądu
zmiennego w jednokierunkowy prąd pulsujący.
Podstawowymi parametrami diody są:
• dopuszczalne średnie napięcie przewodzenia UF(AV)
• dopuszczalny średni prąd przewodzenia IF(AV)
• napięcie progowe U(TO) (Si – 0,6-0,8 V; Ge – 0,2-0,3 V)
• napięcie przebicia U(BR)
• powtarzalne szczytowe napięcie wsteczne URRM
Rys.: Diody prostownicze
Diody stabilizacyjne (Zenera)
Dioda ta jest wykorzystywana przy pracy w kierunku zaporowym.
W kierunku przewodzenia jej praca nie różni się od pracy diody
prostowniczej. Przy polaryzacji w kierunku zaporowym, po dojściu jej
napięcia do poziomu UZ nazywanego napięciem Zenera, dioda zaczyna
przewodzić. Poziom napięcia Zenera zależy od rezystywności użytego
półprzewodnika i może wynosić od 2 do 400 V.
Diody te są powszechnie wykorzystywane w układach stabilizacji
napięcia.
Rys. Zastosowanie diody Zenera w układzie stabilizacyjnym.
Diody sygnałowe
Diody sygnałowe i detekcyjne są stosowane w układach detekcji
sygnałów wielkiej częstotliwości. Do diod tych zaliczamy między innymi:
• diody zwrotne (duży prąd w kierunku zaporowym)
• diody impulsowe (przełaczające)
• diody Schottky’ego
• diody tunelowe (z rezystancją wsteczną)
Rys. Charakterystyka prądowo
napięciowa diod: 1 – zwrotnej, 2 –
tunelowej
Diody pojemnościowe
Diody pojemnościowe posiadają zmienną pojemność, zależną od
napięcia przyłożonego w kierunku zaporowym.
Układy prostownicze
Prostowniki są przekształtnikami prądu przemiennego w prąd stały.
Można rozróżnić prostowniki sterowane i niesterowane. Można
również podzielić prostowniki na:
• jednofazowe półfalowe (półokresowe)
• jednofazowe pełnookresowe jednokierunkowe
• jednofazowe pełnookresowe mostkowe (Graetza)
• trójfazowe jednokierunkowe
• trójfazowe mostkowe
W prostownikach niesterowanych stosuje się diody. W
prostownikach sterowanych stosuje się tyrystory i tranzystory.
Umożliwiają one regulację wartości napięcia wyprostowanego
Napięcie wyprostowane nie jest stałe w czasie. Występują w nim
składowe zmienne w postaci tętnień, których wartość jest zależna od
rodzaju prostownika.
Aby zniwelować udział tętnień,
prostowników filtry prostownicze.
stosuje
się
na
wyjściu
Tranzystory
Tranzystory są elementami umożliwiającymi realizację układów
wzmacniających umożliwiających sterowanie przepływem dużej mocy
sygnałem małej mocy. Stanowią rodzaj zaworu, który umożliwia
regulację przepływu prądu.
Ze względu na zasadę działania rozróżniamy:
• tranzystory bipolarne – ich działanie jest oparte na przepływie
ładunków większościowych i mniejszościowych
• tranzystory unipolarne (polowe) – przepływ prądu zachodzi za
pośrednictwem nośników tylko jednego znaku - ładunków
większościowych
Tranzystory bipolarne
Są wykonywane w technologii PNP lub NPN.
Posiadają trzy wyprowadzenia:
• B – baza (wykorzystywana najczęściej do sterowania)
• E – emiter (wysyła ładunki elektryczne)
• C – kolektor (zbiera ładunki elektryczne)
Tranzystor może pracować w jednym z trzech układów:
• wspólnej bazy (WB)
• wspólnego emitera (WE)
• wspólnego kolektora (WK)
Rys. Struktura i symbole tranzystorów NPN i PNP
Tranzystor NPN w stanie przewodzenia
Tranzystory są sterowane prądem bazy.
Tranzystory unipolarne
Tranzystory unipolarne dzielimy na złączowe i z izolowaną bramką.
Tranzystory polowe posiadają wyprowadzenia:
• S – źródło (odp. emitera)
• D – dren (odp. kolektora)
• G – bramka (odp. bazy)
Mogą pracować w układach:
• WS – wspólnego źródła
• WG – wspólnej bramki
• WD – wspólnego drenu
Tranzystory są sterowane napięciem (potencjałem) bramki.
Tyrystory
Tyrystor jest diodą załączalną. Podobnie jak dioda posiada
anodę (A) i katodę (K) oraz dodatkowo bramkę (G). Tyrystor
spolaryzowany w kierunku przewodzenia pozostaje w stanie
blokowania i potrzebuje impulsu prądowego podanego na bramkę żeby
przejść do stanu przewodzenia. Żeby wyłączyć tyrystor trzeba
spolaryzować go - podobnie jak diodę - zaporowo.
Triaki
Triak jest tyrystorem o możliwości przewodzenia w obu
kierunkach.
Diaki
Diakiem nazywamy dwukierunkowy tyrystor diodowy symetryczny.
Chłodzenie elementów półprzewodnikowych
Wszelkie elementy półprzewodnikowe, zwłaszcza stosowane w
urządzeniach większej mocy, podlegają nagrzewaniu. Część z nich pod
wpływem podwyższonej temperatury może zmienić swoje właściwości,
a nawet ulec trwałemu uszkodzeniu.
W celu zapewnienia odpowiedniego chłodzenia, elementy
narażone na przegrzanie powinny być montowane na specjalnych
konstrukcjach zapewniających dobre odprowadzanie ciepła, zwanych
radiatorami.
Radiatory, dzięki swojej konstrukcji posiadają dużą powierzchnię
umożliwiającą odprowadzanie ciepła. Są jednocześnie wykonane z
materiałów dobrze przewodzących ciepło, głównie z aluminium.
W razie potrzeby na radiatorach mogą być montowane
wentylatory wymuszające odpowiednią cyrkulację powietrza.
Same radiatory, jak i elementy elektroniczne w punktach styczności
powinny być wypolerowane dla lepszego przekazywania ciepła. Często
w celu poprawy przewodności cieplnej, ich punkty wspólne są
pokrywane warstwą pasty silikonowej.
Przykładowe radiatory
Literatura:
J.Nowicki „Podstawy elektrotechniki i elektroniki dla ZSN” WSiP 1999
A.Chochowski „Podstawy elektrotechniki i elektroniki dla elektryków”
cz. 2. WSiP 2011