Pooljuhtseadmete elektroonika

Nööpdiood

Tappdiood on pn-ristmik, mille lisandiprofiil on kohandatud nii, et sisemine kiht, i piirkond, asetseks ap-kihi ja n-kihi vahel. Tappdiood on leidnud kasutamist mikrolaineahelates laialt. Seda saab kasutada mikrolaine lülitina, millel on praktiliselt konstantse kahanemiskihi mahtuvus (võrdne paralleelse plaadi kondensaatori omaga, mille vahemaa plaatide vahel on võrdne i-piirkonna paksusega) ja kõrge energiakäsitsemisvõimega.

Bipolaarsed transistorid

Seda tüüpi transistor on pooljuhtseadistest üks olulisemaid. See on bipolaarne seade, milles juhtivusprotsessis osalevad nii elektronid kui ka augud. Bipolaarne transistor tagab väljundvoolu muutuse vastusena sisendpinge muutusele baasis. Nende kahe muutuse suhtel on takistuse mõõtmed ja see on "ülekande" omadus (sisend-väljund), seega ka transistor.

Räni pnp bipolaarset transistori on perspektiivvaates näidatud joonisel 4A. Põhimõtteliselt valmistatakse bipolaarne transistor, moodustades esmalt n-tüüpi piirkonna p-tüüpi substraadis; seejärel moodustub n piirkonnas ap ⁺ piirkond (väga tugevalt legeeritud p-tüüp). Oomilised kontaktid luuakse p ⁺ ja n ülaossa oksiidikihis (isolaatoris) avatud akende kaudu ja p-alaga alumises osas.

Bipolaarse transistori idealiseeritud ühemõõtmelist struktuuri, nagu on näidatud joonisel 4B, võib pidada seadme lõiguks piki kriipsjooni joonisel 4A. Tugevalt legeeritud p ⁺ piirkonda nimetatakse emitteriks, kitsas keskne n piirkond on alus ja p piirkond on koguja. Joonisel 4B kujutatud vooluahela paigutust nimetatakse ühise aluse konfiguratsiooniks. Nooled näitavad voolu voolu suundi normaalsetes töötingimustes - nimelt on emitteri ja aluse ristmik ettepoole kallutatud ja põhikollektori ristmik on vastupidine. Pnp bipolaarse transistori komplementaarseks struktuuriks on npn bipolaarne transistor, mis saadakse n-i ja n-i vahetamisel p-ga joonisel 4A. Voolu voolu ja pinge polaarsus on kõik vastupidised. Pnp ja npn transistoride vooluahela sümbolid on toodud joonisel 4C.

Bipolaarne transistor koosneb kahest tihedalt seotud pn-ristmikust. Emitteri ja aluse p ⁺ -n ristmik on ettepoole kallutatud ja selle takistus on madal. Enamik kandjaid (auke) p ⁺ -mitteris süstitakse (või eraldatakse) baaspiirkonda. Aluskollektori np-ristmik on vastupidine. Sellel on kõrge takistus ja ristmikul voolab ainult väike lekkevool. Kui aluse laius on piisavalt kitsas, võib suurem osa emitterist süstitud auke voolata läbi aluse ja jõuda kollektorini. See transpordimehhanism loob valdava nomenklatuuri: emitter, mis kiirgab või süstib kandjaid, ja kollektor, mis kogub neid kandjaid lähedalasuvalt ristmikult.

Voolu võimendus ühise aluse konfiguratsiooni korral on määratletud kui kollektori voolu muutus jagatuna emitteri voolu muutusega, kui aluse ja kollektori pinge on konstantne. Tüüpiline tavalise baasi voolutugevus hästi kavandatud bipolaarses transistoris on väga lähedane ühtsusele. Kõige kasulikum võimendiahel on ühissemitri konfiguratsioon, nagu on näidatud joonisel 5A, kus aluse sisendvoolu väike muutus nõuab vähe energiat, kuid võib põhjustada väljundiahelas palju suurema voolu. Tavalise emitteri konfiguratsiooni tüüpiline väljundvoolu-pinge karakteristik on näidatud joonisel 5B, kus kollektori vool I _C on kujutatud emitteri-kollektori pinge V _EC suhtes erinevate baasvoolude jaoks. Numbriline näide on toodud joonisel 5B. Kui V _EC on fikseeritud viie voltiga ja baasvoolu I _B varieeritakse vahemikus 10 kuni 15 mikroampeeri (μA; 1 μA = 10 ⁻⁶ A), muutub kollektori vool I _C umbes neljalt kuuele milliampeerile (mA; 1). mA = 10 ⁻³ A), nagu võib lugeda vasakult teljelt. Seetõttu põhjustab sisend-baasvoolu juurdekasv 5 μA väljundiahelas 2 mA juurdekasvu - 400-kordselt, kusjuures sisendsignaali oluliselt võimendatakse. Lisaks võimendina kasutamiseks on bipolaarsed transistorid ostsillaatorite, impulss- ja analoogsahelate, samuti kiirete integraallülituste põhikomponendid. Madala sagedusega töötamiseks on rohkem kui 45 000 tüüpi bipolaarseid transistoreid, mille väljundvõimsus on kuni 3000 vatti ja voolutugevus üle 1000 ampri. Mikrolaine sagedustel on bipolaarsete transistoride väljundvõimsus rohkem kui 200 vatti 1 gigahertsil ja umbes 10 vatti 10 gigahertsil.

Türistorid

Türistorid moodustavad pooljuhtseadmete perekonna, millel on bistabilised omadused ja mida saab lülitada suure takistuse, nõrkvoolu väljalülitatud oleku ja madala takistuse, suure vooluga sisselülitatud oleku vahel. Türistoride töö on tihedalt seotud bipolaarse transistoriga, milles juhtivusprotsessides osalevad nii elektronid kui ka augud. Nimi türistor tuleneb elektrontorust, mida nimetatakse gaasitratrooniks, kuna mõlema seadme elektrilised omadused on mitmes mõttes sarnased. Nende kahe stabiilse oleku (sisse ja välja) ja nendes olekus väikese energiatarbimise tõttu kasutatakse türistoreid rakendustes, alates kodumasinate kiirusekontrollist kuni lülitamiseni ja võimsuse muundamiseni kõrgepingeülekandeliinides. Saadaval on üle 40 000 türistori tüübi, voolutugevus alates mõnest millimeetrist kuni enam kui 5000 amprini ja pinge nimivõimsus ulatub 900 000 voltini.

Joonis fig 6A pakub türistori struktuuri perspektiivvaadet. Algmaterjalina valitakse tavaliselt n-tüüpi vahvl. Seejärel kasutatakse difusioonietappi p1 ja p2 kihtide moodustamiseks üheaegselt, difundeerides vahvli mõlemalt küljelt. (Difusioon on lisandite aatomite liikumine pooljuhi kristallstruktuuri.) Lõpuks difundeeritakse n-tüüpi lisandite aatomid läbi oksiidi rõngakujulise akna p2 piirkonda, moodustades n2 kihi.

Türistori ristlõige piki kriipsjooni on näidatud joonisel 6B. Türistor on neljakihiline pnpn-diood, millel on kolm pn-ristmikku järjestikku. Välise p-kihi (pl) kontakt-elektroodi nimetatakse anoodiks ja välise n-kihi (n2) jaoks katoodiks. Sisemine p-kiht (p2) on ühendatud lisaelektroodiga, mida nimetatakse väravalektroodiks.

Türistori põhivoolu-pinge karakteristikut on illustreeritud joonisel 6C. Sellel on kolm eraldiseisvat piirkonda: edasi-blokeeriv (või välja lülitatud) olek, edasi suunav (või sisse lülitatud) olek ja vastupidine blokeerimise olek, mis on sarnane vastupidiselt kallutatud pn-ristmikuga. Seega on esiotsa piirkonnas töötav türistor bistabiilne seade, mis võib lülituda suure takistuse, nõrga voolu väljalülitatud olekust madala takistuse, suure vooluga olekusse või vastupidi.

Väljaspoolt oleku korral langeb suurem osa pingest keskpunkti n1-p2 ristmikul, samas kui edasisuunalises olekus on kõik kolm ristmikku ettepoole kallutatud. Edasine voolu-pinge karakteristik on seletatav kahe transistori analoogi meetodiga, see tähendab, et seadet peetakse pnp transistoriks ja npn transistoriks, mis on ühendatud ühe transistori (n1) alusega, mis on ühendatud kollektori kollektoriga. muud. Kuna pinge V _AK joonisel 6C tõusu nullist, praeguse I kasvab. See omakorda põhjustab mõlema transistori praeguse võimenduse kasvu. Nende protsesside taastava olemuse tõttu toimub lõpuks ümberlülitus ja seade on sisse lülitatud. Maksimaalset ettepoole suunatud pinget, mida saab seadmele enne ümberlülitamist rakendada, nimetatakse tagasikäigu pingeks V _BF. V _BF suurus sõltub värava voolust. Suuremad väravavoolud põhjustavad voolu I _A kiiremat suurenemist, tõhustavad regenereerimisprotsessi ja lülituvad madalama katkestuspinge korral. Väravavoolu mõju lülituskäitumisele on näidatud joonisel 6C (punktiir).

Kahesuunalist, kolme terminaalset türistorit nimetatakse triaksiks. See seade saab voolu lülitada mõlemas suunas, rakendades värava ja ühe kahe peamise klemmi vahel väikest kummagi polaarsusega voolu. Triakk on valmistatud kahe türistori integreerimisega paralleelsesse pöördühendusse. Seda kasutatakse vahelduvvoolu rakendustes nagu valgustus hämardamine, mootori pöörlemiskiiruse reguleerimine ja temperatuuri reguleerimine. Samuti on palju valgust aktiveeritavaid türistoreid, mis kasutavad optilist signaali seadmete lülituskäitumise juhtimiseks.