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 U F(AV) dopuszczalny średni prąd przewodzenia I F(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 U RRM
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 U Z 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, stosuje się na wyjściu prostowników filtry prostownicze.
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