반도체 장치 - 유형, 개요 및 용도
전자기기의 응용분야가 급속도로 발전하고 확장되는 것은 반도체 소자가 기반이 되는 소자 기반의 개량에 기인한다… 주요 유형의 반도체 장치의 장치 및 작동 원리.
반도체 재료 비저항 측면에서 도체와 유전체 사이의 중간 위치를 차지합니다.
반도체 소자 제조의 주요 재료는 실리콘(Si), 실리콘 카바이드(SiC), 갈륨 및 인듐 화합물입니다.
반도체 전도성 불순물 및 외부 에너지 영향(온도, 방사선, 압력 등)의 존재에 따라 달라집니다. 전류 흐름은 전자와 정공의 두 가지 유형의 전하 운반체에 의해 발생합니다. 화학 성분에 따라 순수 반도체와 불순물 반도체로 구분됩니다.
전자 장치 생산에는 결정 구조의 고체 반도체가 사용됩니다.
반도체 장치는 작동이 반도체 재료의 특성을 기반으로 하는 장치입니다.
반도체 장치의 분류
연속 반도체를 기반으로 하는 반도체 저항기:
선형 저항 - 저항은 전압과 전류에 약간 의존합니다. 집적 회로의 "요소"입니다.
배리스터 - 저항은 인가된 전압에 따라 달라집니다.
서미스터 - 저항은 온도에 따라 달라집니다. 서미스터(온도가 증가하면 저항이 감소함)와 포지스터(온도가 증가하면 저항이 증가함)의 두 가지 유형이 있습니다.
포토레지스터 — 저항은 조명(방사선)에 따라 달라집니다. Deformer — 저항은 기계적 변형에 따라 달라집니다.
대부분의 반도체 장치의 작동 원리는 전자-정공 접합 p-n 접합 속성에 기반합니다.
반도체 다이오드
하나의 p-n 접합과 두 개의 단자를 가진 반도체 장치로, p-n 접합의 특성에 따라 동작합니다.
p-n 접합의 주요 특성은 단방향 전도입니다. 전류는 한 방향으로만 흐릅니다. 다이오드의 기존 그래픽 지정(UGO)은 장치를 통과하는 전류 흐름의 방향을 나타내는 화살표 형태입니다.
구조적으로 다이오드는 케이스로 둘러싸인 p-n 접합부(마이크로 모듈 오픈 프레임 제외)와 두 개의 단자(p 영역 양극, n 영역 음극)로 구성됩니다.
이것들. 다이오드는 양극에서 음극으로 한 방향으로만 전류를 전도하는 반도체 장치입니다.
인가 전압에 대한 장치를 통과하는 전류의 의존성을 전류-전압 특성(VAC) 장치 I = f(U)라고 합니다.다이오드의 단면 전도는 I-V 특성에서 분명합니다(그림 1).
그림 1 - 다이오드 전류-전압 특성
목적에 따라 반도체 다이오드는 정류기, 범용, 펄스, 제너 다이오드 및 안정기, 터널 및 역방향 다이오드, LED 및 포토 다이오드로 나뉩니다.
한쪽 전도는 다이오드의 정류 특성을 결정합니다. 직접 연결(«+»는 양극, «-»는 음극)으로 다이오드가 열리고 충분히 큰 순방향 전류가 흐릅니다. 반대로(«-»는 양극, «+»는 음극) 다이오드는 닫히지만 작은 역전류가 흐릅니다.
정류기 다이오드는 저주파 교류(일반적으로 50kHz 미만)를 직류로 변환하도록 설계되었습니다. 일어서다. 주요 파라미터는 최대 허용 순방향 전류 Ipr max 및 최대 허용 역방향 전압 Uo6p max입니다. 이러한 매개변수를 제한이라고 합니다. 이를 초과하면 장치가 부분적으로 또는 완전히 비활성화될 수 있습니다.
이러한 매개 변수를 늘리기 위해 직렬 병렬, 브리지 또는 기타 p-n 접합 연결인 다이오드 열, 노드, 매트릭스가 만들어집니다.
범용 다이오드는 넓은 주파수 범위(최대 수백 메가헤르츠)에서 전류를 정류하는 데 사용됩니다. 이 다이오드의 매개변수는 정류기 다이오드의 매개변수와 동일하며 최대 작동 주파수(MHz) 및 다이오드 커패시턴스(pF)만 추가로 입력됩니다.
펄스 다이오드는 펄스 신호 변환용으로 설계되었으며 고속 펄스 회로에 사용됩니다.이러한 다이오드에 대한 요구 사항은 공급 전압의 임펄스 특성에 대한 장치의 빠른 응답(다이오드가 닫힌 상태에서 열린 상태로 또는 그 반대로의 짧은 전환 시간)을 보장하는 것과 관련이 있습니다.
제너 다이오드 - 이들은 반도체 다이오드로, 흐르는 전류에 거의 의존하지 않는 전압 강하입니다. 긴장을 안정시키는 역할을 합니다.
Varikapi - 작동 원리는 역 전압 값이 변경될 때 배리어 커패시턴스 값을 변경하는 p-n 접합의 속성을 기반으로 합니다. 그들은 전압 제어 가변 커패시터로 사용됩니다. 구성표에서 varicaps는 반대 방향으로 켜집니다.
LED - 이들은 반도체 다이오드이며 그 원리는 직류가 통과할 때 p-n 접합에서 빛이 방출되는 것을 기반으로 합니다.
포토다이오드 - 역전류는 p-n-접합의 조명에 따라 달라집니다.
쇼트키 다이오드 - 금속-반도체 접합을 기반으로 하므로 기존 다이오드보다 응답 속도가 훨씬 더 빠릅니다.
그림 2 — 다이오드의 기존 그래픽 표현
다이오드에 대한 자세한 내용은 여기를 참조하십시오.
트랜지스터
트랜지스터는 전기 신호를 증폭, 생성 및 변환하고 전기 회로를 전환하도록 설계된 반도체 장치입니다.
트랜지스터의 특징은 전압과 전류를 증폭하는 능력입니다. 트랜지스터의 입력에서 작용하는 전압과 전류는 출력에서 훨씬 더 높은 전압과 전류를 나타냅니다.
디지털 전자 장치 및 펄스 회로의 확산과 함께 트랜지스터의 주요 특성은 제어 신호의 영향을 받아 개방 및 폐쇄 상태에 있을 수 있는 능력입니다.
트랜지스터는 두 개의 영어 단어 tran (sfer) (re) sistor-제어 저항기의 약어에서 이름을 얻었습니다. 이 이름은 우연이 아닙니다. 트랜지스터에 적용된 입력 전압의 작용으로 출력 단자 사이의 저항을 매우 광범위하게 조정할 수 있기 때문입니다.
트랜지스터를 사용하면 회로의 전류를 0에서 최대 값으로 조정할 수 있습니다.
트랜지스터의 분류:
- 작동 원리에 따라: 필드(단극), 양극, 결합.
- 소실 전력의 값: 낮음, 중간 및 높음.
- 제한 주파수의 값에 따라: 저, 중, 고 및 초고주파.
- 작동 전압 값: 저전압 및 고전압.
— 기능적 목적별: 범용, 강화, 키 등
-설계 측면에서: 개방형 프레임 및 상자형 버전, 단단하고 유연한 단자 포함.
수행되는 기능에 따라 트랜지스터는 세 가지 모드로 작동할 수 있습니다.
1) 활성 모드 - 아날로그 장치에서 전기 신호를 증폭하는 데 사용됩니다.트랜지스터의 저항은 0에서 최대 값으로 변경됩니다. 트랜지스터가 "열림"또는 "닫힘"이라고합니다.
2) 포화 모드 - 트랜지스터의 저항이 0이 되는 경향이 있습니다. 이 경우 트랜지스터는 닫힌 릴레이 접점과 같습니다.
3) 차단 모드 - 트랜지스터가 닫혀 있고 저항이 높습니다. 오픈 릴레이 접점과 동일합니다.
포화 및 컷오프 모드는 디지털, 펄스 및 스위칭 회로에 사용됩니다.
바이폴라 트랜지스터는 전기 신호의 전력 증폭을 제공하는 2개의 p-n 접합과 3개의 도체가 있는 반도체 장치입니다.
바이폴라 트랜지스터에서 전류는 전자와 정공이라는 두 가지 유형의 전하 캐리어의 이동으로 인해 발생합니다.
다이어그램에서 원 안에 있거나 없는 트랜지스터를 묘사할 수 있습니다(그림 3). 화살표는 트랜지스터의 전류 흐름 방향을 나타냅니다.
그림 3 - 트랜지스터 n-p-n(a) 및 p-n-p(b)의 기존 그래픽 표기법
트랜지스터의 기본은 전자와 정공의 가변 유형 전도성을 가진 세 개의 섹션이 형성되는 반도체 판입니다. 레이어의 교대에 따라 n-p-n (그림 3, a) 및 p-n-p (그림 3, b)의 두 가지 유형의 트랜지스터 구조가 구별됩니다.
방출기(E) - 전하 운반체(전자 또는 정공)의 소스이며 장치에 전류를 생성하는 층입니다.
컬렉터(K) — 방출기에서 오는 전하 캐리어를 받아들이는 층입니다.
베이스(B) — 트랜지스터의 전류를 제어하는 중간 레이어.
트랜지스터가 회로에 연결되면 전극 중 하나가 입력되고 (입력 교류 신호의 소스가 켜짐) 다른 하나는 출력 (부하가 켜짐)이며 세 번째 전극은 입력 및 출력에 공통입니다. 대부분의 경우 공통 이미터 회로가 사용됩니다(그림 4). +5V, +12V, +24V 등과 같이 1V 이하의 전압이 베이스에, 콜렉터에 1V보다 큰 전압이 적용됩니다.
그림 4 - 공통 이미 터 바이폴라 트랜지스터의 회로도
콜렉터 전류는 베이스 전류 Ib(Ube에 의해 결정됨)가 흐를 때만 발생합니다.Ib가 많을수록 Ik가 커집니다. Ib는 mA 단위로 측정되며 콜렉터 전류는 수십 및 수백 mA로 측정됩니다. IbIk. 따라서 베이스에 작은 진폭의 AC 신호를 인가하면 작은 Ib는 변하고 큰 Ic는 그에 비례하여 변하게 됩니다. 부하 저항 컬렉터가 회로에 포함되면 신호가 분배되어 입력 모양을 반복하지만 더 큰 진폭, 즉 증폭 신호.
트랜지스터의 최대 허용 매개 변수에는 무엇보다도 콜렉터 Pk.max에서 소비되는 최대 허용 전력, 콜렉터와 이미 터 Uke.max 사이의 전압, 콜렉터 전류 Ik.max가 포함됩니다.
제한 매개변수를 늘리기 위해 트랜지스터 어셈블리가 생산되며 단일 하우징에 포함된 병렬 연결된 트랜지스터가 최대 수백 개에 달할 수 있습니다.
바이폴라 트랜지스터는 이제 특히 펄스 전력 기술에서 점점 더 적게 사용됩니다. 그들은 MOSFET과 결합된 IGBT로 대체되어 이 전자 분야에서 명백한 이점을 가지고 있습니다.
전계 효과 트랜지스터에서 전류는 단 하나의 기호(전자 또는 정공)의 캐리어 이동에 의해 결정됩니다. 바이폴라와 달리 트랜지스터 전류는 전도성 채널의 단면을 변경하는 전기장에 의해 구동됩니다.
입력 회로에 입력 전류가 없기 때문에 이 회로의 전력 소비는 사실상 제로이며 이는 의심할 여지 없이 전계 효과 트랜지스터의 장점입니다.
구조적으로 트랜지스터는 n형 또는 p형 전도성 채널로 구성되며, 그 끝에는 전하 캐리어를 방출하는 소스와 캐리어를 받아들이는 드레인 영역이 있습니다.채널의 단면을 조정하는 데 사용되는 전극을 게이트라고 합니다.
전계 효과 트랜지스터는 전도 채널의 단면을 변경하여 회로의 전류를 조절하는 반도체 장치입니다.
pn 접합 형태의 게이트와 절연 게이트가 있는 전계 효과 트랜지스터가 있습니다.
반도체 채널과 금속 게이트 사이에 절연 게이트가있는 전계 효과 트랜지스터에는 MIS 트랜지스터 (금속 - 유전체 - 반도체), 특수한 경우 - 실리콘 산화물 - MOS 트랜지스터의 유전체 절연 층이 있습니다.
내장형 채널 MOS 트랜지스터는 입력 신호가 없을 때(Uzi = 0) 초기 컨덕턴스가 최대값의 약 절반입니다. 전압 Uzi = 0에서 유도된 채널이 있는 MOS 트랜지스터에서는 초기에 전도 채널이 없기 때문에 출력 전류가 없습니다(Ic = 0).
유도 채널이 있는 MOSFET은 MOSFET이라고도 합니다. 예를 들어 스위칭 전원 공급 장치에서 주로 핵심 요소로 사용됩니다.
MOS 트랜지스터 기반의 핵심 요소에는 여러 가지 장점이 있습니다. 신호 회로는 제어 동작 소스에 전기적으로 연결되지 않고 제어 회로는 전류를 소비하지 않으며 양면 전도성을 갖습니다. 바이폴라 트랜지스터와 달리 전계 효과 트랜지스터는 과열을 두려워하지 않습니다.
트랜지스터에 대한 자세한 내용은 여기를 참조하십시오.
사이리스터
사이리스터는 낮은 전도(사이리스터 닫힘)와 높은 전도(사이리스터 열림)의 두 정상 상태에서 작동하는 반도체 장치입니다. 구조적으로 사이리스터에는 3개 이상의 p-n 접합과 3개의 출력이 있습니다.
애노드 및 캐소드 외에도 컨트롤이라고 하는 사이리스터 설계에 세 번째 출력(전극)이 제공됩니다.
사이리스터는 전기 회로의 비접촉 스위칭(켜기 및 끄기)용으로 설계되었습니다. 그것들은 고속과 매우 중요한 크기(최대 1000A)의 전류를 스위칭하는 능력이 특징입니다. 그것들은 점차 스위칭 트랜지스터로 대체되고 있습니다.
그림 5 - 기존 - 사이리스터의 그래픽 지정
Dynistors(2전극) — 기존 정류기와 마찬가지로 양극과 음극이 있습니다. 특정 값 Ua = Uon에서 순방향 전압이 증가하면 dinistor가 열립니다.
사이리스터(SCR - 3전극) - 추가 제어 전극이 있습니다. Uin은 제어전극에 흐르는 제어전류에 의해 변화한다.
사이리스터를 폐쇄 상태로 전환하려면 역 전압(양극에 -, 음극에 +)을 적용하거나 순방향 전류를 Iuder 유지 전류라는 값 아래로 줄여야 합니다.
잠금 사이리스터 - 반대 극성의 제어 펄스를 적용하여 닫힌 상태로 전환할 수 있습니다.
트라이악(대칭 사이리스터) - 전류를 양방향으로 전도합니다.
사이리스터는 자동화 장치 및 전류 변환기에서 근접 스위치 및 제어 가능한 정류기로 사용됩니다. 교류 및 펄스 전류 회로에서 사이리스터의 개방 상태 시간을 변경하여 부하를 통해 전류가 흐르는 시간을 변경할 수 있습니다. 이를 통해 부하에 분배되는 전력을 조정할 수 있습니다.