Изучение электронной техники полупроводниковых приборов является важным и необходимым условием для успешного ремонта. Успешно освоив уроки электроники, вы научитесь понимать процессы происходящие в полупроводниках. На основании транзисторов построены подавляющее большинство электронных устройств
Для построения электронных схем совместно с пассивными элементами используются полупроводниковые приборы, изготавливаемые из материалов занимающих промежуточные положения между металлами и диэлектриками. Металл проводит электрический ток, а диэлектрик не проводит. Это связано с их химическими свойствами – расположением валентной зоны и зоны проводимости.
Проводимость элементов – способность вещества пропускать через себя электрический ток. Обозначается буквой G, измеряется в См (сименс), данная величина обратно пропорциональна величине электрического сопротивления.
Полупроводников в природе значительно больше, чем металлов и диэлектриков. К ним относятся Si (кремний), Ge (германий), GaS (арсенид галлия) и др. Полупроводники меняют свои свойства под действием внешних факторов – нагрев, охлаждение, введение различных примесей. Эти свойства используются для изготовления полупроводниковых приборов.
Наиболее распространенным элементом полупроводника является кремний. На уроках электроники изучим кристаллическое строение материалов, подробно разберем что такое P-N переход. Также он называется “электронно-дырочным” переходом. Для работы в полупроводник вводятся примеси.
Существует два вида P-N переходов:
Примесные атомы замещают основные атомы кристаллической решетки.
Граничный слой между двумя областями материалов с разными примесями образуют электрический переход, благодаря диффузии. Этот переход называется P-N переходом. Таким образом, P-N переход – это переход между двумя областями полупроводника, имеющих разный тип проводимости.
При приложении напряжения к P-N переходу “+” к P-области, а “-” к N-области электрический ток будет протекать. В обратном приложении напряжения ток протекать не будет. Это связано с технологией изготовления, а также свойствами полупроводника. На основании работы P-N перехода был изобретен полупроводниковый элемент – Диод. Для полного открытия диода кремниевой структуры необходимо приложить напряжение в прямом смещении 0,65 – 0,7 вольта.
Уроки электроники направлены на изучение полупроводникового прибора с одним P-N переходом и двумя выводами, который называется диодом. Описанные выше свойства P-N перехода относятся к диоду. Вольт-амперная характеристика диода имеет не линейную зависимость тока от напряжения. Наиболее широкое распространение получили германиевые и кремниевые полупроводниковые приборы.
Диоды классифицируются по:
Существуют различные виды диодов: импульсные, туннельные, выпрямительные и множество других. Выпрямительные используются для выпрямления переменного тока в постоянный. Импульсные применяются для работы в импульсных цепях, обладают низкой емкостью P-N перехода. Туннельные нашли применение в генераторах высокой частоты.
Помимо диодов существуют их разновидности: фотодиоды, светодиоды, стабилитроны.
Стабилитрон – диод Зенера, где напряжение в области электрического пробоя не зависит от тока. Применяются данные приборы для стабилизации напряжения. Светодиоды и фотодиоды имеют эффект оптического излучения в зоне видимого или инфракрасного спектра, применяются для индикации или в системах дистанционного управления.
Диодный мост состоит из четырех диодов. В диагональ моста подается переменное напряжение. Он предназначен для выпрямления переменного напряжения в постоянное. На выходе моста после выпрямления появляются полупериоды выпрямленного напряжения. Они имеют форму обрезанных синусоид.
На вход подается переменное напряжение положительной полу волны. В этот момент открывается диод VD1, ток через нагрузку протекает в определенном направлении и выходит через диод VD4 в линию сети. При поступлении отрицательной полу волны открывается VD2 и ток через нагрузку протекает в том же направлении как и в первом случае. Уходит в линию через VD3.
Из этого следует, что ток в нагрузке всегда течет в одном направлении. А напряжение на выходе имеет форму, изображенную на графике ниже (U выхода (t)).
Транзистор – полупроводниковый прибор имеющий два и более P-N перехода. Имеет три вывода, предназначен для работы усиления сигналов (аналоговые схемы), ключевых режимах (цифровые схемы), генерирования и преобразования сигналов. Существуют биполярные и полевые транзисторы.
Обозначение выводов биполярных транзисторов:
Обозначение выводов полевых транзисторов:
Биполярные транзисторы имеют разные структуры проводимости P-N-P и N-P-N.
Данный вид полупроводниковых приборов имеют различные схемы включения в электронных цепях:
Названия включения происходит от того электрода биполярного транзистора, который является общим для входной и выходной цепи. Часто встречающаяся схема включения является схема с общим эмиттером.
Полевой транзистор – полупроводниковый прибор. Его работа обусловлена током основных носителей заряда – зарядов одного знака электронов или “дырок”. Данный вид транзисторов имеет следующие преимущества перед биполярными:
Данный вид транзисторов делится на транзисторы с управляющим P-N переходом и с изолирующим затвором.
Транзисторы с изолирующим затвором существуют двух видов:
Данный вид транзисторов нашел широкое применение в электронной технике (импульсные блоки питания, сварочные аппараты, LED-подсветка, различные виды памяти и т.д.).
Транзистор с индуцированным каналом
Индуцированный канал
Транзистор с индуцированным каналом имеет следующее строение:
Транзистор со встроенным каналом
Под действием приложения напряжение на границе раздела диэлектрика и полупроводника индуцируется обогащенный слой электронами. Таким образом образуется канал. Необходимое напряжение для подачи на затвор составляет от 3,5 до 20 вольт. Следовательно в исходном состоянии (отсутствие приложенного напряжения) канал между стоком и истоком транзистора отсутствует.
За счет структуры изготовления данные виды транзисторов часто называют МДП или МОП транзисторы. Что означает – металл, диэлектрик, полупроводник или металл, оксид, полупроводник.
Транзисторы полевые как и биполярные могут включаться:
МДП структуры широко применяются в микросхемах памяти так как достигнуты размеры миниатюризации, где данный вид приборов находит все большее и большее применение в области нанотехнологических разработок и миниатюризации устройств, а также их быстродействия.
В силовой электронике не всегда удобно использовать разные виды транзисторов (биполярный, полевой). Биполярный транзистор держит высокие токи, имеет сложное управление включения (открывается при помощи тока). Полевой транзистор имеет более простое управление (открывается напряжением) но держит не очень высокие токи.
На базе двух типов транзисторов изобретен вид транзисторов IGBT. Данный вид транзистора позаимствовал управление от полевого G (Gate – Затвор), а выход взят от биполярного транзистора Коллектор Эммитер. У данного полупроводникового прибора управление происходит напряжением. Это упрощает схемы. IGBT транзистор держит большой выходной ток. Транзистор имеет три вывода: затвор, коллектор, эммитер.
Для проверки полевых транзисторов при помощи мультиметра необходимо проверить Затвор-Исток и Затвор-Сток. Расположение щупов мультиметра на выводах транзистора не имеет значения, при данной проверке. Сопротивление в диодной прозвонке равно 1 или OL. При приложении щупов к выводам Сток-Исток в одном из случаев должны увидеть падение напряжения на диоде, примерно 0,45 вольта. Это говорит о исправности полевого транзистора.
Тиристоры – электронные приборы имеющие четырехслойную структуру. Они состоят из областей P-N переходов соединенных друг за другом. Приборы имеющие два вывода называются динисторами. Прибор имеющий три вывода называется тиристор (симистор, работающий в отличие от тиристора в две стороны).
Тиристоры (симисторы) имеют следующие выводы:
В настоящее время тиристоры используются преимущественно в силовой электронике, как мощные управляемые коммутаторы силовых электрических цепей.
Тиристоры имеют допустимые значения токов и напряжений, время включения и выключения.
Уроки электроники посвящены изучению различных элементов полупроводников. Можно заметить, что многие из них могут зависеть от внешних явлений окружающей среды, например – света. Этот раздел изучает оптоэлектроника, т.е. взаимодействие электромагнитных волн с электронами, а также метод создания оптоэлектронных приборов.
Основными элементами оптоэлектроники являются:
Светодиоды – диоды содержащие P-N переход. Где при прохождении электрического тока, генерируется оптическое излучение, сопровождающее рекомбинацией носителей. Цвет свечения зависит от примеси полупроводника.
Фоторезисторы – изменяют сопротивление под действием излучения.
Фотодиод – обладает свойством односторонней проводимости, возникшей при воздействии на него оптического излучения. Он используется для преобразования оптического сигнала в электрический.
Фототранзистор – обычно биполярный, управление током коллектора осуществляется на основе фотоэффекта и служит для преобразования световых сигналов в электрические.
Оптрон – прибор состоящий из излучателя света и фотоприемника, взаимодействующих друг с другом, помещенных в одном корпусе.С помощью оптрона осуществляется гальваническая развязка, разделения цепей. Широкое применение нашли в автоматике, блоках питания, в частотных преобразователях и многих других электронных устройствах.
