Dispositifs semi-conducteurs - Types, aperçu et utilisations
Le développement et l'expansion rapides des domaines d'application des dispositifs électroniques sont dus à l'amélioration de la base d'éléments sur laquelle reposent les dispositifs semi-conducteurs... Par conséquent, pour comprendre les processus de fonctionnement des dispositifs électroniques, il est nécessaire de connaître le dispositif et le principe de fonctionnement des principaux types de dispositifs à semi-conducteurs.
Matériaux semi-conducteurs du point de vue de leur résistance spécifique, ils occupent une position intermédiaire entre les conducteurs et les diélectriques.
Les principaux matériaux pour la fabrication de dispositifs semi-conducteurs sont le silicium (Si), le carbure de silicium (SiC), les composés de gallium et d'indium.
Conductivité des semi-conducteurs dépend de la présence d'impuretés et d'influences énergétiques externes (température, rayonnement, pression, etc.). Le flux de courant est causé par deux types de porteurs de charge - les électrons et les trous. Selon la composition chimique, une distinction est faite entre les semi-conducteurs purs et les impuretés.
Pour la production d'appareils électroniques, des semi-conducteurs solides à structure cristalline sont utilisés.
Les dispositifs semi-conducteurs sont des dispositifs dont le fonctionnement est basé sur l'utilisation des propriétés des matériaux semi-conducteurs.
Classification des dispositifs semi-conducteurs
Basées sur des semi-conducteurs continus, les résistances semi-conductrices :
Résistance linéaire - La résistance dépend légèrement de la tension et du courant. C'est un "élément" de circuits intégrés.
Varistance - la résistance dépend de la tension appliquée.
Thermistance - la résistance dépend de la température. Il en existe deux types : les thermistors (lorsque la température augmente, la résistance diminue) et les posistors (lorsque la température augmente, la résistance augmente).
Photorésistance — la résistance dépend de l'illumination (rayonnement). Déformateur — la résistance dépend de la déformation mécanique.
Le principe de fonctionnement de la plupart des dispositifs à semi-conducteurs est basé sur les propriétés de jonction pn-jonction électron-trou.
Diodes semi-conductrices
Il s'agit d'un dispositif à semi-conducteur avec une jonction p-n et deux bornes, dont le fonctionnement est basé sur les propriétés de la jonction p-n.
La propriété principale de la jonction p-n est la conduction unidirectionnelle - le courant ne circule que dans une seule direction. La désignation graphique conventionnelle (UGO) de la diode a la forme d'une flèche, qui indique le sens du flux de courant à travers l'appareil.
Structurellement, la diode se compose d'une jonction p-n enfermée dans un boîtier (à l'exception des cadres ouverts de micromodule) et de deux bornes: de la région p-anode, de la région n-cathode.
Ces. Une diode est un dispositif semi-conducteur qui conduit le courant dans une seule direction, de l'anode à la cathode.
La dépendance du courant traversant l'appareil à la tension appliquée est appelée dispositif caractéristique courant-tension (VAC) I = f (U).La conduction unilatérale de la diode ressort de sa caractéristique I-V (Fig. 1).
Figure 1 — Caractéristique courant-tension de la diode
Selon le but, les diodes à semi-conducteurs sont divisées en diodes redresseuses, universelles, à impulsions, zener et stabilisateurs, diodes tunnel et inverses, LED et photodiodes.
La conduction unilatérale détermine les propriétés de redressement de la diode. Avec une connexion directe («+» à l'anode et «-» à la cathode), la diode est ouverte et un courant direct suffisamment important la traverse. En sens inverse ("-" à l'anode et "+" à la cathode), la diode est fermée, mais un petit courant inverse circule.
Les diodes de redressement sont conçues pour convertir le courant alternatif basse fréquence (généralement inférieur à 50 kHz) en courant continu, c'est-à-dire se lever. Leurs principaux paramètres sont le courant direct maximal admissible Ipr max et la tension inverse maximale admissible Uo6p max. Ces paramètres sont appelés limitants - les dépasser peut désactiver partiellement ou complètement l'appareil.
Pour augmenter ces paramètres, des colonnes de diodes, des nœuds, des matrices sont réalisées, qui sont des connexions série-parallèles, en pont ou autres de jonctions p-n.
Les diodes universelles sont utilisées pour redresser les courants dans une large gamme de fréquences (jusqu'à plusieurs centaines de mégahertz). Les paramètres de ces diodes sont les mêmes que ceux des diodes de redressement, seuls des paramètres supplémentaires sont entrés : la fréquence de fonctionnement maximale (MHz) et la capacité de la diode (pF).
Les diodes à impulsions sont conçues pour la conversion du signal d'impulsion, elles sont utilisées dans les circuits d'impulsions à grande vitesse.Les exigences pour ces diodes sont liées à la garantie d'une réponse rapide de l'appareil à la nature impulsionnelle de la tension fournie - un court temps de transition de la diode de l'état fermé à l'état ouvert et vice versa.
Diodes Zener — ce sont des diodes semi-conductrices dont la chute de tension aux bornes dépend peu du courant qui circule. Il sert à stabiliser la tension.
Varikapi - le principe de fonctionnement est basé sur la propriété de la jonction p-n de modifier la valeur de la capacité de barrière lorsque la valeur de la tension inverse change dessus. Ils sont utilisés comme condensateurs variables commandés en tension. Dans les schémas, les varicaps sont activées dans le sens opposé.
LED - ce sont des diodes semi-conductrices dont le principe est basé sur l'émission de lumière à partir d'une jonction p-n lorsqu'un courant continu la traverse.
Photodiodes - le courant inverse dépend de l'éclairage de la jonction p-n.
Diodes Schottky - basées sur une jonction métal-semi-conducteur, c'est pourquoi elles ont un taux de réponse nettement plus élevé que les diodes conventionnelles.
Figure 2 — Représentation graphique conventionnelle des diodes
Pour plus d'informations sur les diodes voir ici:
Paramètres et schémas du redresseur
Photodiodes: dispositif, caractéristiques et principes de fonctionnement
Transistors
Un transistor est un dispositif semi-conducteur conçu pour amplifier, générer et convertir des signaux électriques, ainsi que pour commuter des circuits électriques.
Une caractéristique distinctive du transistor est sa capacité à amplifier la tension et le courant - les tensions et les courants agissant à l'entrée du transistor entraînent l'apparition de tensions et de courants nettement plus élevés à sa sortie.
Avec la diffusion de l'électronique numérique et des circuits à impulsions, la propriété principale du transistor est sa capacité à être à l'état ouvert et fermé sous l'influence d'un signal de commande.
Le transistor tire son nom de l'abréviation de deux mots anglais tran (sfer) (re)sistor - résistance contrôlée. Ce nom n'est pas accidentel, car sous l'action de la tension d'entrée appliquée au transistor, la résistance entre ses bornes de sortie peut être ajustée dans une très large plage.
Le transistor vous permet de régler le courant dans le circuit de zéro à la valeur maximale.
Classement des transistors :
— selon le principe d'action : champ (unipolaire), bipolaire, combiné.
— par la valeur de la puissance dissipée : faible, moyenne et élevée.
— par la valeur de la fréquence limite : basse, moyenne, haute et ultra-haute fréquence.
— par la valeur de la tension de fonctionnement : basse et haute tension.
— par finalité fonctionnelle : universelle, renforçante, clé, etc.
- au niveau de la conception : à cadre ouvert et en version boîtier, avec bornes rigides et souples.
Selon les fonctions exercées, les transistors peuvent fonctionner selon trois modes :
1) Mode actif - utilisé pour amplifier les signaux électriques dans les appareils analogiques.La résistance du transistor passe de zéro à la valeur maximale - on dit que le transistor "s'ouvre" ou "se ferme".
2) Mode saturation — la résistance du transistor tend vers zéro. Dans ce cas, le transistor équivaut à un contact de relais fermé.
3) Mode de coupure - le transistor est fermé et a une résistance élevée, c'est-à-dire il équivaut à un contact de relais ouvert.
Les modes de saturation et de coupure sont utilisés dans les circuits numériques, à impulsions et à commutation.
Un transistor bipolaire est un dispositif à semi-conducteur avec deux jonctions p-n et trois conducteurs fournissant une amplification de puissance des signaux électriques.
Dans les transistors bipolaires, le courant est provoqué par le mouvement de porteurs de charge de deux types : les électrons et les trous, d'où leur nom.
Sur les schémas, il est permis de représenter des transistors, à la fois dans un cercle et sans lui (Fig. 3). La flèche indique le sens de circulation du courant dans le transistor.
Figure 3 - Notation graphique conventionnelle des transistors n-p-n (a) et p-n-p (b)
La base du transistor est une plaque semi-conductrice dans laquelle trois sections avec un type de conductivité variable - électron et trou - sont formées. Selon l'alternance des couches, on distingue deux types de structure de transistor : n-p-n (Fig. 3, a) et p-n-p (Fig. 3, b).
Émetteur (E) - une couche qui est une source de porteurs de charge (électrons ou trous) et crée un courant sur l'appareil ;
Collecteur (K) - une couche qui accepte les porteurs de charge provenant de l'émetteur ;
Base (B) - la couche intermédiaire qui contrôle le courant du transistor.
Lorsque le transistor est connecté au circuit, l'une de ses électrodes est en entrée (la source du signal alternatif d'entrée est allumée), l'autre est en sortie (la charge est allumée), la troisième électrode est commune à l'entrée et à la sortie. Dans la plupart des cas, un circuit émetteur commun est utilisé (Figure 4). Une tension de pas plus de 1 V est appliquée à la base, plus de 1 V au collecteur, par exemple +5 V, +12 V, +24 V, etc.
Figure 4 — Schémas électriques d'un transistor bipolaire à émetteur commun
Le courant de collecteur n'apparaît que lorsque le courant de base Ib (déterminé par Ube) circule.Plus il y a de Ib, plus il y a de Ik. Ib est mesuré en unités de mA, et le courant de collecteur est mesuré en dizaines et centaines de mA, c'est-à-dire IbIk. Par conséquent, lorsqu'un signal alternatif de petite amplitude est appliqué à la base, le petit Ib changera et le grand Ic changera proportionnellement à celui-ci. Lorsqu'un collecteur de résistance de charge est inclus dans le circuit, un signal lui sera distribué, répétant la forme de l'entrée, mais avec une plus grande amplitude, c'est-à-dire signal amplifié.
Les paramètres maximaux admissibles des transistors comprennent tout d'abord : la puissance maximale admissible dissipée sur le collecteur Pk.max, la tension entre le collecteur et l'émetteur Uke.max, le courant de collecteur Ik.max.
Pour augmenter les paramètres de limitation, on réalise des montages de transistors pouvant compter jusqu'à plusieurs centaines de transistors montés en parallèle enfermés dans un même boîtier.
Les transistors bipolaires sont aujourd'hui de moins en moins utilisés, notamment en technologie de puissance pulsée. Ils sont remplacés par des MOSFET et des IGBT combinés, présentant des avantages incontestables dans ce domaine de l'électronique.
Dans les transistors à effet de champ, le courant est déterminé par le mouvement des porteurs d'un seul signe (électrons ou trous). Contrairement au bipolaire, le courant du transistor est entraîné par un champ électrique qui modifie la section transversale du canal conducteur.
Comme il n'y a pas de courant d'entrée dans le circuit d'entrée, la consommation électrique de ce circuit est pratiquement nulle, ce qui est sans aucun doute un avantage du transistor à effet de champ.
Structurellement, un transistor est constitué d'un canal conducteur de type n ou p, aux extrémités duquel se trouvent des régions : une source qui émet des porteurs de charges et un drain qui accepte des porteurs.L'électrode utilisée pour ajuster la section transversale du canal s'appelle la grille.
Un transistor à effet de champ est un dispositif semi-conducteur qui régule le courant dans un circuit en modifiant la section transversale du canal conducteur.
Il existe des transistors à effet de champ à grille en forme de jonction pn et à grille isolée.
Dans les transistors à effet de champ avec une grille isolée entre le canal semi-conducteur et la grille métallique, il y a une couche isolante de transistors diélectriques - MIS (métal - diélectrique - semi-conducteur), un cas particulier - oxyde de silicium - transistors MOS.
Un transistor MOS à canal intégré a une conductance initiale qui, en l'absence de signal d'entrée (Uzi = 0), est approximativement la moitié du maximum. Dans les transistors MOS à canal induit à une tension Uzi = 0, le courant de sortie est absent, Ic = 0, car initialement il n'y a pas de canal conducteur.
Les MOSFET à canal induit sont également appelés MOSFET. Ils sont principalement utilisés comme éléments clés, par exemple dans les alimentations à découpage.
Les éléments clés basés sur des transistors MOS présentent un certain nombre d'avantages: le circuit de signal n'est pas connecté galvaniquement à la source de l'action de commande, le circuit de commande ne consomme pas de courant et a une conductivité double face. Les transistors à effet de champ, contrairement aux bipolaires, n'ont pas peur de la surchauffe.
Pour plus d'informations sur les transistors voir ici:
Thyristors
Un thyristor est un dispositif semi-conducteur fonctionnant dans deux états stables - faible conduction (thyristor fermé) et haute conduction (thyristor ouvert). Structurellement, un thyristor a trois jonctions pn ou plus et trois sorties.
En plus de l'anode et de la cathode, une troisième sortie (électrode) est prévue dans la conception du thyristor, appelée commande.
Le thyristor est conçu pour la commutation sans contact (marche et arrêt) des circuits électriques. Ils se caractérisent par une vitesse élevée et la capacité de commuter des courants d'une amplitude très importante (jusqu'à 1000 A). Ils sont progressivement remplacés par des transistors de commutation.
Figure 5 - Conventionnel - désignation graphique des thyristors
Dynistors (à deux électrodes) - comme les redresseurs conventionnels, ils ont une anode et une cathode. Lorsque la tension directe augmente à une certaine valeur Ua = Uon, le dinistor s'ouvre.
Les thyristors (SCR - à trois électrodes) - ont une électrode de commande supplémentaire ; Uin est modifié par le courant de commande traversant l'électrode de commande.
Pour passer le thyristor à l'état fermé, il faut appliquer une tension inverse (- à l'anode, + à la cathode) ou réduire le courant direct en dessous d'une valeur appelée Iuder holding current.
Thyristor de verrouillage - peut être commuté à l'état fermé en appliquant une impulsion de commande de polarité inverse.
Thyristors: principe de fonctionnement, conception, types et méthodes d'inclusion
Triacs (thyristors symétriques) - conducteur de courant dans les deux sens.
Les thyristors sont utilisés comme détecteurs de proximité et redresseurs contrôlables dans les dispositifs d'automatisation et les convertisseurs de courant électrique. Dans les circuits à courant alternatif et pulsé, il est possible de modifier le temps d'ouverture du thyristor, et donc le temps de circulation du courant dans la charge. Cela permet d'ajuster la puissance distribuée à la charge.