Dispositivos semiconductores: tipos, descripción general y usos
El rápido desarrollo y expansión de los campos de aplicación de los dispositivos electrónicos se debe a la mejora de la base de elementos en la que se basan los dispositivos semiconductores... Por lo tanto, para comprender los procesos de funcionamiento de los dispositivos electrónicos, es necesario saber el dispositivo y el principio de funcionamiento de los principales tipos de dispositivos semiconductores.
Materiales semiconductores en cuanto a su resistencia específica, ocupan una posición intermedia entre los conductores y los dieléctricos.
Los principales materiales para la fabricación de dispositivos semiconductores son el silicio (Si), el carburo de silicio (SiC), el galio y los compuestos de indio.
Conductividad de semiconductores depende de la presencia de impurezas e influencias energéticas externas (temperatura, radiación, presión, etc.). El flujo de corriente es causado por dos tipos de portadores de carga: electrones y huecos. Dependiendo de la composición química, se hace una distinción entre semiconductores puros e impuros.
Para la producción de dispositivos electrónicos, se utilizan semiconductores sólidos con estructura cristalina.
Los dispositivos semiconductores son dispositivos cuyo funcionamiento se basa en el aprovechamiento de las propiedades de los materiales semiconductores.
Clasificación de dispositivos semiconductores
Basado en semiconductores continuos, resistencias semiconductoras:
Resistencia lineal: la resistencia depende ligeramente del voltaje y la corriente. Es un "elemento" de los circuitos integrados.
Varistor: la resistencia depende del voltaje aplicado.
Termistor: la resistencia depende de la temperatura. Hay dos tipos: termistor (a medida que aumenta la temperatura, la resistencia disminuye) y positores (a medida que aumenta la temperatura, la resistencia aumenta).
Fotorresistencia: la resistencia depende de la iluminación (radiación). Deformador: la resistencia depende de la deformación mecánica.
El principio de funcionamiento de la mayoría de los dispositivos semiconductores se basa en las propiedades de la unión p-n de la unión electrón-hueco.
diodos semiconductores
Es un dispositivo semiconductor con una unión p-n y dos terminales, cuyo funcionamiento se basa en las propiedades de la unión p-n.
La propiedad principal de la unión p-n es la conducción unidireccional: la corriente fluye en una sola dirección. La designación gráfica convencional (UGO) del diodo tiene la forma de una flecha, que indica la dirección del flujo de corriente a través del dispositivo.
Estructuralmente, el diodo consta de una unión p-n encerrada en una caja (con la excepción de los marcos abiertos del micromódulo) y dos terminales: desde el ánodo de la región p, desde el cátodo de la región n.
Estos. Un diodo es un dispositivo semiconductor que conduce la corriente en una sola dirección: del ánodo al cátodo.
La dependencia de la corriente a través del dispositivo con respecto al voltaje aplicado se denomina dispositivo de característica de corriente-voltaje (VCA) I = f (U).La conducción unilateral del diodo es evidente por su característica I-V (Fig. 1).
Figura 1 — Característica de corriente-voltaje del diodo
Dependiendo del propósito, los diodos semiconductores se dividen en diodos rectificadores, universales, de pulso, zener y estabilizadores, diodos de túnel e inversos, LED y fotodiodos.
La conducción unilateral determina las propiedades de rectificación del diodo. Con conexión directa ("+" al ánodo y "-" al cátodo) el diodo está abierto y una corriente directa suficientemente grande fluye a través de él. A la inversa («-» al ánodo y «+» al cátodo), el diodo se cierra, pero fluye una pequeña corriente inversa.
Los diodos rectificadores están diseñados para convertir corriente alterna de baja frecuencia (generalmente menos de 50 kHz) en corriente continua, es decir, pararse. Sus parámetros principales son la corriente directa máxima permitida Ipr max y la tensión inversa máxima permitida Uo6p max. Estos parámetros se denominan limitación: excederlos puede desactivar parcial o completamente el dispositivo.
Para aumentar estos parámetros, se hacen columnas de diodos, nodos, matrices, que son conexiones en serie-paralelo, puente u otras uniones p-n.
Los diodos universales se utilizan para rectificar corrientes en un amplio rango de frecuencias (hasta varios cientos de megahercios). Los parámetros de estos diodos son los mismos que los de los diodos rectificadores, solo se ingresan otros adicionales: la frecuencia máxima de operación (MHz) y la capacitancia del diodo (pF).
Los diodos de pulso están diseñados para la conversión de señales de pulso, se utilizan en circuitos de pulso de alta velocidad.Los requisitos para estos diodos están relacionados con garantizar una respuesta rápida del dispositivo a la naturaleza de impulso del voltaje suministrado: un tiempo de transición corto del diodo del estado cerrado al estado abierto y viceversa.
Diodos Zener: estos son diodos semiconductores, cuya caída de voltaje depende poco del flujo de corriente. Sirve para estabilizar la tensión.
Varikapi: el principio de funcionamiento se basa en la propiedad de la unión p-n de cambiar el valor de la capacitancia de la barrera cuando cambia el valor del voltaje inverso. Se utilizan como capacitores variables controlados por voltaje. En los esquemas, los varicaps se encienden en la dirección opuesta.
LED: estos son diodos semiconductores, cuyo principio se basa en la emisión de luz desde una unión p-n cuando la atraviesa una corriente continua.
Fotodiodos: la corriente inversa depende de la iluminación de la unión p-n.
Diodos Schottky: basados en una unión metal-semiconductor, por lo que tienen una tasa de respuesta significativamente más alta que los diodos convencionales.
Figura 2 — Representación gráfica convencional de diodos
Para obtener más información sobre los diodos, consulte aquí:
Parámetros y esquemas del rectificador.
Fotodiodos: dispositivo, características y principios de funcionamiento.
transistores
Un transistor es un dispositivo semiconductor diseñado para amplificar, generar y convertir señales eléctricas, así como para cambiar circuitos eléctricos.
Una característica distintiva del transistor es la capacidad de amplificar el voltaje y la corriente: los voltajes y las corrientes que actúan en la entrada del transistor provocan la aparición de voltajes y corrientes significativamente más altos en su salida.
Con la difusión de la electrónica digital y los circuitos de impulsos, la propiedad principal del transistor es su capacidad para estar en estado abierto y cerrado bajo la influencia de una señal de control.
El transistor obtuvo su nombre de la abreviatura de dos palabras en inglés tran (sfer) (re) sistor - resistencia controlada. Este nombre no es casual, ya que bajo la acción del voltaje de entrada aplicado al transistor, la resistencia entre sus terminales de salida puede ajustarse en un rango muy amplio.
El transistor le permite ajustar la corriente en el circuito desde cero hasta el valor máximo.
Clasificación de transistores:
— según el principio de acción: campo (unipolar), bipolar, combinado.
— por el valor de la potencia disipada: baja, media y alta.
— por el valor de la frecuencia límite: baja, media, alta y ultra alta frecuencia.
— por el valor de la tensión de funcionamiento: baja y alta tensión.
— por finalidad funcional: universal, de refuerzo, clave, etc.
-en cuanto al diseño: con marco abierto y en versión tipo caja, con terminales rígidos y flexibles.
Dependiendo de las funciones realizadas, los transistores pueden funcionar en tres modos:
1) Modo activo: se utiliza para amplificar señales eléctricas en dispositivos analógicos. La resistencia del transistor cambia de cero al valor máximo; dicen que el transistor "abre" o "cierra".
2) Modo de saturación: la resistencia del transistor tiende a cero. En este caso, el transistor es equivalente a un contacto de relé cerrado.
3) Modo de corte: el transistor está cerrado y tiene una alta resistencia, es decir, es equivalente a un contacto de relé abierto.
Los modos de saturación y corte se utilizan en circuitos digitales, de pulsos y de conmutación.
Un transistor bipolar es un dispositivo semiconductor con dos uniones p-n y tres conductores que proporcionan amplificación de potencia de las señales eléctricas.
En los transistores bipolares, la corriente es causada por el movimiento de portadores de carga de dos tipos: electrones y huecos, lo que explica su nombre.
En los diagramas, se permite representar transistores, tanto en un círculo como sin él (Fig. 3). La flecha muestra la dirección del flujo de corriente en el transistor.
Figura 3 - Notación gráfica convencional de transistores n-p-n (a) y p-n-p (b)
La base del transistor es una placa semiconductora, en la que se forman tres secciones con un tipo variable de conductividad: electrón y hueco. Dependiendo de la alternancia de las capas, se distinguen dos tipos de estructura de transistor: n-p-n (Fig. 3, a) y p-n-p (Fig. 3, b).
Emisor (E): una capa que es una fuente de portadores de carga (electrones o huecos) y crea una corriente en el dispositivo;
Colector (K) — una capa que acepta portadores de carga provenientes del emisor;
Base (B): la capa intermedia que controla la corriente del transistor.
Cuando el transistor está conectado al circuito, uno de sus electrodos es de entrada (la fuente de la señal alterna de entrada está encendida), el otro es de salida (la carga está encendida), el tercer electrodo es común a la entrada y la salida. En la mayoría de los casos, se utiliza un circuito de emisor común (Figura 4). Se aplica un voltaje de no más de 1 V a la base, más de 1 V al colector, por ejemplo +5 V, +12 V, +24 V, etc.
Figura 4 — Diagramas de circuito de un transistor bipolar de emisor común
La corriente del colector ocurre solo cuando fluye la corriente base Ib (determinada por Ube).Cuanto más Ib, más Ik. Ib se mide en unidades de mA, y la corriente del colector se mide en decenas y centenas de mA, es decir IbIk. Por lo tanto, cuando se aplica una señal de CA de amplitud pequeña a la base, el Ib pequeño cambiará y el Ic grande cambiará en proporción a ello. Cuando se incluye un colector de resistencia de carga en el circuito, se le distribuirá una señal, repitiendo la forma de la entrada, pero con una amplitud mayor, es decir señal amplificada.
Los parámetros máximos admisibles de los transistores incluyen, en primer lugar: la potencia máxima admisible disipada en el colector Pk.max, la tensión entre el colector y el emisor Uke.max, la corriente de colector Ik.max.
Para aumentar los parámetros limitantes, se producen ensamblajes de transistores, que pueden contar hasta varios cientos de transistores conectados en paralelo encerrados en una sola carcasa.
Los transistores bipolares ahora se usan cada vez menos, especialmente en la tecnología de potencia pulsada. Se reemplazan por MOSFET e IGBT combinados, con ventajas indiscutibles en este campo de la electrónica.
En los transistores de efecto de campo, la corriente está determinada por el movimiento de portadores de un solo signo (electrones o huecos). A diferencia del bipolar, la corriente del transistor es impulsada por un campo eléctrico que cambia la sección transversal del canal conductor.
Dado que no hay corriente de entrada en el circuito de entrada, el consumo de energía de este circuito es prácticamente nulo, lo que sin duda es una ventaja del transistor de efecto de campo.
Estructuralmente, un transistor consta de un canal conductor de tipo n o p, en cuyos extremos hay regiones: una fuente que emite portadores de carga y un drenaje que acepta portadores.El electrodo utilizado para ajustar la sección transversal del canal se llama puerta.
Un transistor de efecto de campo es un dispositivo semiconductor que regula la corriente en un circuito cambiando la sección transversal del canal conductor.
Existen transistores de efecto de campo con puerta en forma de unión pn y con puerta aislada.
En los transistores de efecto de campo con una puerta aislada entre el canal del semiconductor y la puerta de metal hay una capa aislante de dieléctrico - transistores MIS (metal - dieléctrico - semiconductor), un caso especial - óxido de silicio - transistores MOS.
Un transistor MOS de canal incorporado tiene una conductancia inicial que, en ausencia de una señal de entrada (Uzi = 0), es aproximadamente la mitad del máximo. En los transistores MOS con un canal inducido a un voltaje Uzi = 0, la corriente de salida está ausente, Ic = 0, porque inicialmente no hay un canal conductor.
Los MOSFET con un canal inducido también se denominan MOSFET. Se utilizan principalmente como elementos clave, por ejemplo, en fuentes de alimentación conmutadas.
Los elementos clave basados en transistores MOS tienen una serie de ventajas: el circuito de señal no está conectado galvánicamente a la fuente de la acción de control, el circuito de control no consume corriente y tiene conductividad de doble cara. Los transistores de efecto de campo, a diferencia de los bipolares, no temen el sobrecalentamiento.
Para obtener más información sobre los transistores, consulte aquí:
tiristores
Un tiristor es un dispositivo semiconductor que opera en dos estados estables: baja conducción (tiristor cerrado) y alta conducción (tiristor abierto). Estructuralmente, un tiristor tiene tres o más uniones p-n y tres salidas.
Además del ánodo y el cátodo, se proporciona una tercera salida (electrodo) en el diseño del tiristor, que se denomina control.
El tiristor está diseñado para el encendido y apagado sin contacto de circuitos eléctricos. Se caracterizan por su alta velocidad y la capacidad de conmutar corrientes de una magnitud muy importante (hasta 1000 A). Están siendo reemplazados gradualmente por transistores de conmutación.
Figura 5 - Convencional - designación gráfica de tiristores
Dynistores (dos electrodos): al igual que los rectificadores convencionales, tienen un ánodo y un cátodo. A medida que aumenta el voltaje directo a un cierto valor Ua = Uon, el dinistor se abre.
Tiristores (SCR, tres electrodos): tienen un electrodo de control adicional; Uin es cambiado por la corriente de control que fluye a través del electrodo de control.
Para transferir el tiristor al estado cerrado, es necesario aplicar un voltaje inverso (- al ánodo, + al cátodo) o reducir la corriente directa por debajo de un valor llamado corriente de retención Iuder.
Tiristor de bloqueo: se puede cambiar al estado cerrado aplicando un pulso de control de polaridad inversa.
Tiristores: principio de funcionamiento, diseño, tipos y métodos de inclusión.
Triacs (tiristores simétricos): conducen corriente en ambas direcciones.
Los tiristores se utilizan como interruptores de proximidad y rectificadores controlables en dispositivos de automatización y convertidores de corriente eléctrica. En los circuitos de corriente alterna y pulsada, es posible cambiar el tiempo del estado abierto del tiristor y, por lo tanto, el tiempo de flujo de corriente a través de la carga. Esto le permite ajustar la potencia distribuida a la carga.