Признаки классификации полупроводниковых приборов

По каким признакам классифицируются полупроводниковые приборы?

Полупроводниковые приборы классифицируют в зависимости от механизма работы и функционального назначения.

По принципу действия полупроводниковые приборы делятся на следующие основные виды: диоды, тиристоры, стабилитроны, транзисторы. Внутри, каждого из указанных видов приборы подразделяются на типы: диоды — по значениям максимально допустимого среднего прямого тока, тиристоры — по значениям максимально допустимого прямого тока в открытом состоянии, стабилитроны — по значениям максимально допустимой мощности рассеяния.

Приборы одного типа подразделяются на классы:

— диоды — по значениям повторяющегося импульсного обратного напряжения,

— тиристоры — по значениям повторяющегося импульсного обратного напряжения и повторяющегося импульсного напряжения в закрытом состоянии, тиристоры, проводящие в обратном направлении, и симметричные тиристоры — по значениям повторяющегося напряжения в закрытом состоянии,

— стабилитроны — по значениям напряжения стабилизации.

Кроме того, виды диодов и тиристоров подразделяются на подвиды в зависимости от коммутационных параметров. Для диодов:

а) диод — время обратного восстановления не нормируется;

б) быстровосстанавливающийся диод — время обратного восстановления равно или менее нормы.

Для тиристоров:

а) тиристор — время включения и время выключения не нормируется;

б) быстровыключающийся тиристор — время выключения равно или менее нормы;

в) быстровключающийся тиристор — время включения равно или менее нормы;

г) быстродействующий тиристор — время включения и время выключения равно или менее нормы.

В зависимости от отличительных признаков диоды и тиристоры подразделяются следующим образом:

— тиристор, управляемый с помощью внешнего светового сигнала, — фототиристор;

— тиристор, управляемый с помощью внутреннего светового сигнала от светоизлучающего диода при воздействии внешнего электрического сигнала, — оптотиристор (тиристорная оптопара);

— тиристор, проводящий в обратном направлении, допускающий работу в обратном направлении в качестве диода, — тиристор-диод;

— диод (тиристор), имеющий лавинные вольт-амперные характеристики, — лавинный диод (лавинный тиристор).

Кроме того, приборы подразделяются по конструктивным признакам и по полярности Рассмотрим состав полупроводниковых приборов.

Диоды

Двухэлектродный преобразовательный прибор, в котором используется то или иное свойство одного p-n перехода.

В свою очередь среди диодов можно выделить.

а) Выпрямительные диоды

Полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования переменного тока в пульсирующий однонаправленный ток (для выпрямления переменного тока).

б) Высокочастотные диоды

Предназначены ля выпрямления переменного тока в радиочастотных устройствах. Основным критерием является минимизация емкости p-n перехода. Для минимизации перехода используется планарная и точечная технологии.

в) Импульсные диоды

Полупроводниковый диод, предназначенный для применения в импульсных режимах. Диод, адаптированный для работы с импульсными сигналами имеющие ступенчатый характер изменения во времени.

г) Стабилитроны

Полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя (обратной ветви ВАХ) слабо зависит от тока и который используется для стабилизации напряжения. Используют стабилитроны в качестве источника опорного напряжения. Помимо обычных стабилитронов выпускают серию термокомпенсированных стабилитронов, в которых к последнему соединяют обычный полупроводниковый диод. При этом положительный температурный коэффициент (ТКН) компенсируется отрицательным ТКН прямосмещенного перехода. Также, диод, в котором для стабилизации напряжения используют прямую ветвь ВАХ, называют стабистором. Напряжение стабилизации примерно 0,7 В. Для увеличения напряжения собирают цепочки из последовательно соединенных диодов, и монтируют в одном корпусе.

д) Туннельные и обращенные диоды

Полупроводниковый диод, использующий при работе помимо инжекционного (диффузионного), туннельный механизм перехода через p-n переход. На ВАХ туннельного диода появляется участок отрицательного динамического сопротивления. Наличие такого участка позволяет строить различные генераторные и триггерные схемы. Обращенные диоды — диоды Шоттки, разновидности туннельных диодов, у которых технологическими приемами на ВАХ устранен участок отрицательного динамического сопротивления. В результате диоды Шоттки имеют меньшее значение прямого падения напряжения, по сравнению с обычными диодами, при одинаковых значениях протекающих токах.

е) Варикап

Полупроводниковый диод, работающий в режиме обратного смещения, у которого используется зависимость емкости перехода от величины приложенного обратного напряжения. Приборы широко используют в цепях электронной настройки радиочастотных сигналов.

ж) Фотодиод

Фотодиод — это полупроводниковый оптопреобразовательный прибор, основанный на внутреннем фотоэффекте, содержащий один p-n переход и имеющий два вывода. Прибор имеет оптически прозрачное окно.

з) Светодиод

Полупроводниковый оптоэлектронный прибор, преобразующий энергию протекающего прямого тока в оптическое излучение инфракрасного или видимого светового излучения.

и) Магнитодиод — полупроводниковый диод, в котором используется изменение ВАХ под действием магнитного поля. Эффект Холла.

Транзисторы

Полупроводниковые приборы пригодные для усиления мощности.

Среди транзисторов различают:

а) Биполярный транзистор — (обычно его называют просто транзистором) представляет собой полупроводниковый прибор состоящий из трех областей с чередующимися типами электропроводности, пригодный для усиления мощности. Области разделяются электронно-дырочными переходами. Особенность транзистора состоит в том, что между его электронно-дырочными переходами существует взаимодействиеток одного из переходов может управлять током другого. Такое управление возможно, потому что носители заряда, инжектированные через один из электронно-дырочных переходов, могут дойти до другого перехода, находящегося под обратным напряжением, и изменить его ток.

б) Однопереходный транзистор — трехэлектродный полупроводниковый прибор с одним p-n переходом и двумя невыпрямляющими контактами к базовой области, предназначенный для усиления и генерации электромагнитных колебаний при модуляции сопротивления базы в результате инжекции через p — n переход не основных носителей заряда.

в) Полевой транзистор — это электропреобразовательный прибор, в котором ток через канал управляется электрическим полем, возникающим при приложении напряжения между затвором и истоком, и который предназначен для усиления мощности электромагнитных колебаний.

г) IGBT-транзистор. Аббревиатура IGBT — это сокращение названия Insulated gate bipolar transistor. В переводе это значит биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ).

д) Биполярный магнитотранзистор — это транзистор, в котором используется зависимость его характеристик от магнитного поля. Физической причиной изменения параметров биполярных транзисторов в магнитном поле является изменение сопротивления базы транзистора. Для увеличения чувствительности мгнитотранзисторы делают с двумя коллекторными переходами. Магнитное поле отклоняет носители от одного коллектора к другому. По изменению токов коллекторов можно оценить или измерить магнитную индукцию поперечного магнитного поля.

Тиристоры

Тиристор это полупроводниковый прибор с тремя или более p-n переходами, ВАХ которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, который используется для переключения.

а) Двухэлектродный тиристор (динистор) — тиристор имеющий два внешних вывода. Состоит из четырех слоев кристалла полупроводника с чередующимся типом электропроводности. Динистор может находиться в двух состояниях: выключенном, или закрытом, которое характеризуется большим падением напряжения на динисторе и прохождением малых токов через него, то есть большим сопротивлением, и включенном или открытом которое характеризуется малым падением напряжения на динисторе и прохождением больших токов через него, то есть малым сопротивлением. В открытом состоянии динистор находится до тех пор, пока за счет проходящего тока поддерживается количество избыточных зарядов в p-n переходах, необходимое для понижения высоты потенциального барьера до величины, соответствующей прямому его включению. Если же ток через тиристор уменьшить до некоторой величины то в результате рекомбинации и рассасывания количество избыточных зарядов уменьшится произойдет перераспределение падений напряжений на p-n переходах тиристорной структуры и динистор перейдет в закрытое состояние.

б) Трехэлектродный тиристор (тринистор) — тиристор, имеющий три внешних вывода. Чтобы перевести динистор в открытое состояние необходимо увеличение анодного напряжения на динисторе до величины напряжения включения. Однако тот же эффект можно получить если есть управляющий электрод. При подачи на управляющий электрод напряжения такой полярности, что прилегающий переход будет включен в прямом направлении приведет переключение тринистора в открытое состояние при анодном напряжении меньшем напряжения включения.

в) Симметричный тиристор (симмистор)- это тиристор, имеющий практически одинаковые ВАХ при различных полярностях приложенного напряжения. Таким образом симметричный тиристор можно представить в виде двух тиристоров включенных встречно и шунтирующих друг друга. Симметричный тиристор можно сделать управляемым, если у одной из областей с электропроводностью p-типа осуществить невыпрямляющий контакт с соответствующим управляющим выводом.

Схемы включения и применение фотоэлектронных приборов

Фотоэлектронные (фотоэлектрические) приборы предназначены для преобразования световой энергии в электрическую.

Все полупроводниковые фотоэлектрические приборы основаны на внутреннем фотоэффекте — возбуждении атомов и росте концентрации свободных носителей заряда под воздействием светового излучения. При этом в полупроводнике растет проводимость, а на p-n переходах появляется ЭДС.

К фотоэлектронным приборам относятся фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры.

Фоторезистор — это полупроводниковый фотоэлектрический прибор, сопротивление которого изменяется под действием светового излучения. На рис. 1 показана схема включения фоторезистора и его характеристики.

Фоторезисторы, как и другие фотоэлектрические приборы, характеризуются световой характеристикой, т. е. зависимостью фототока, протекающего через прибор от светового потока. Она нелинейная и это является недостатком фоторезистора. ВАХ фоторезистора линейны, а их наклон зависит от величины светового потока.

Фоторезисторы могут работать и на переменном токе. Фоторезисторы являются самыми простыми и дешевыми фотоэлектрическими приборами.

Фотодиод — это полупроводниковый фотоэлектрический прибор, основанный на внутреннем фотоэффекте, содержащий один p-n переход и имеющий два вывода.

Фотодиоды могут работать в двух режимах: без внешнего источника электроэнергии (режим фотогенератора) и с внешним источником (режим фотопреобразователя). На рис. 2, а, б показаны схемы включения.

При освещении фотодиода в режиме фотогенератора на его выводах появляется фото-ЭДС с полярностью слева «+», справа «-». При подключении сопротивления нагрузки под действием ЭДС по нему идет фототок. Именно в таком режиме работают солнечные батареи. В режиме фотопреобразователя через p-n переход протекает обратный ток, зависящий от светового потока, определяющего число неосновных носителей. Световая характеристика в режиме фотопреобразователя (рис. 2, в) линейна и выражается уравнением

где — чувствительность (до 20 мА/лм),

I_ФТ - темновой ток (начальный ток в темноте).

ВАХ фотодиода в темноте не отличаются от ВАХ p-n перехода (рис. 2 г), а при освещении опускается вниз. Режиму фотопреобразователя соответствуют участки в третьем квадранте, а режиму фотогенератора — в четвертом.

Фотодиоды имеют большее быстродействие, чем фоторезисторы (работоспособны при частоте 1 гГц и выше), но менее чувствительны.

С целью повышения чувствительности вместо фотодиодов применяют фототранзисторы.

Фототранзистор — фотоэлектронный прибор, имеющий трехслойную структуру, как обычный транзистор, в котором ток зависит от освещения базы. Схема включения Рис. 3. Схема включения фототранзистора показана на рис. 3. Они имеют линейную световую характеристику, а выходные ВАХ аналогичны ВАХ обычного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, но в качестве параметра вместо тока базы выступает световой поток. Чувствительность фототранзисторов достигает 1 А/лм. Параметры фототранзисторов существенно зависят от температуры.

Фототиристор — фотоэлектронный прибор, имеющий четырехслойную структуру, как обычный тиристор, но управляемый световыми импульсами. При освещении тиристора он включается.

Динамические свойства АИМС

Аналоговые интегральные микросхемы предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции. В них любому допустимому значению входного сигнала соответствует определенное значение выходного.

Параметры, которые характеризуют качество аналоговых интегральных микросхем, весьма многочисленны. Все параметры аналоговых интегральных микросхем делятся на статические, динамические и эксплуатационные.

К динамическим свойствам (характеристикам) относятся следующие параметры;

1 полоса единичного усиления. Обозначается — f_T, ?_T, размерность характеристики, МГц, рад/с. Определяется как частота, на которой коэффициент усиления операционного усилителя уменьшается до единицы. Значение у большинства аналоговых интегральных микросхем лежат в диапазоне от десятых долей мегагерца до нескольких десятков мегагерц.

2 Частота среза, частота по уровню 3дБ. Обозначается — f_ср, ?_ср, размерность характеристики, Гц, рад/с. Определяется как частота первого полюса амплитудно-частотной характеристики.

3 Полоса пропускания максимальной мощности обозначается — f_р, размерность — КГц. Определяется как частота, до которой сохраняется максимальная амплитуда выходного напряжения.

4 Максимальная скорость нарастания выходного напряжения. Обозначается — U. Размерность В/мкс. Определяется при подаче на вход импульсов прямоугольной формы. Для типовых интегральных операционных усилителей максимальная скорость нарастания лежит в диапазоне 0,3−50 В/мкс. Так как наибольшая скорость изменения выходного сигнала пропорциональна амплитуде и частоте этого сигнала, то ограничение скорости изменения выходного сигнала приводит к ограничению амплитуды выходного неискаженного гармонического сигнала на высоких частотах.

5 Время установления выходного напряжения. Размерность — мкс. Обозначается —t_уст. Определяется для заданной относительной погрешности от полной шкалы.

Данные параметры, характеризующие быстродействие операционных усилителей, можно разделить на две категории. К первой относятся частота среза АЧХ на уровне 3дБ f_ср, частота единичного усиления f_T, и время установления — t_уст.Их обычно называют малосигнальными динамическими параметрами, подразумевая их измерение в линейном режиме работы ОУ (U_вх=50мВ в ОУ на биполярных транзисторах и U_вх<1 В с полевыми транзисторами на входе) Ко второй категории относятся скорость нарастания U и мощностная полоса пропускания f_Р, и обычно называют динамическими параметрами большого сигнала, подразумевая их измерение при U_вх>1 В.

Динамические показатели ОУ зависят от использованного в нем метода коррекции и параметров элементов корректирующих цепей.