Zastosowanie
półprzewodników
Zastosowanie
półprzewodników
Wstęp
Półprzewodniki są to substancje, których cechą
charakterystyczną jest to, iż tylko w pewnych
warunkach przewodzą prąd elektryczny, w
innych zachowując się jak dielektryk (przedmiot,
który nie przewodzi prądu). Półprzewodnikami są
półmetale (np. krzem i german) oraz związki
niektórych metali (arsenek galu, antymonek galu
lub tellurek kadmu). Istota ich przewodnictwa
polega na przemieszczaniu się elektronów
swobodnych pod wpływem pola elektrycznego.
Zdolność przewodzenia zależy zaś od wielu
czynników, głównie temperatury oraz zawartości
domieszek.
Dioda półprzewodnikowa
Dioda półprzewodnikowa to dwukońcówkowy element
półprzewodnikowy. Zbudowana jest z dwóch warstw
półprzewodnika, odmiennie domieszkowanych - typu n i typu
p, tworzących razem złącze p-n, lub z połączenia
półprzewodnika z odpowiednim metalem - dioda Schottky'ego.
Końcówka dołączona do obszaru n nazywa się katodą, a do
obszaru p - anodą. Element ten charakteryzuje się
jednokierunkowym przepływem prądu - od anody do katody, w
drugą stronę prąd nie płynie (zawór elektryczny).
Podstawową cechą diod półprzewodnikowych jest prostowanie
(tj. umożliwianie przepływu prądu tylko w jedną stronę) prądu
przemiennego, jednak ich gama zastosowań jest o wiele
szersza, w związku z tym rozróżniamy następujące rodzaje
diod:
Diody
Dioda prostująca (dioda prostownicza)
Dioda stabilizacyjna (dioda Zenera)
Dioda pojemnościowa
Dioda Schottky’ego
Dioda tunelowa
Dioda świecąca (dioda
elektroluminescencyjna-LED
Dioda sterowana (tyrystor)
Fotodioda półprzewodnikowa
Prosty dwukońcówkowy element
półprzewodnikowy
Dioda prostownicza
Dioda prostownicza to rodzaj diody przeznaczonej głównie do
prostowania prądu przemiennego, której głównym zastosowaniem
jest dostarczenie odpowiednio dużej mocy prądu stałego.
Najpopularniejszym zastosowaniem diody prostowniczej jest
prostowanie napięcia o częstotliwości sieciowej, czyli w Polsce 50
Hz. Diody te są elementami nieliniowymi i w związku z tym można
wyróżnić napięcie powyżej którego gwałtownie rośnie prąd
przepływający przez diodę w kierunku przewodzenia. Jest to
minimalne napięcie przewodzenia, poniżej którego prąd diody jest
pomijalnie mały. Dla germanu wynosi ono około 0,2 V (diody
rzadziej stosowane); dla krzemu napięcie to równe jest około 0,7 V.
Spotykane w praktyce zakresy pracy diod prostowniczych
obejmują prądy o wartości od kilku mA (miliamperów) do kilku kA
(kiloamperów) i napięcia od kilku V (woltów) do kilkudziesięciu kV
(kilowoltów).
Dioda stabilizacyjna
Podstawowym zastosowaniem diody
Zenera jest źródło napięcia odniesienia,
ponadto używana bywa do przesuwania
poziomów napięć oraz jako element
zabezpieczający i przeciwprzepięciowy
(transil).
Symbol diody Zenera
(A - anoda, K - katoda).
Dioda Zenera (stabilistor)
Dioda pojemnościowa
Wyróżnia się dwa rodzaje diod pojemnościowych:
Warikapy (od variable capacitance, zmienna pojemność), o
pojemności rzędu 10-500 pF(pikofaradów), używane głównie w
układach automatycznego strojenia jako elementy obwodów
rezonansowych (min).
Waraktory (od variable reactor, zmienna reaktancja), o
pojemności rzędu 0,2-20 pF, używane głównie w zakresie
wysokich częstotliwości, jak również mikrofalowym (5-200 GHz);
znajdują zastosowanie np. w powielaczach częstotliwości (max).
Symbol diody pojemnościowej (A
- anoda, K - katoda)
Diodę charakteryzują dwie skrajne
pojemności:
ora
z
.
Dioda Schottky’ego
Diody te znajdują zastosowanie w układach działających
przy dużej częstotliwości. Diody Schottky'ego mają również
mniejszy spadek napięcia w kierunku przewodzenia (U
F
=
0,3 V) niż diody krzemowe (U
F
= 0,6-0,7 V). Zwykle
maksymalne napięcie wsteczne jest niewielkie i nie
przekracza 100 V.
Symbol diody Schottky'ego
(A - anoda, K - katoda)
Dioda tunelowa
Diody tego typu wykorzystuje się do wytwarzania,
wzmacniania i detekcji słabych drgań wysokich częstości
(rzędu kilkuset gigaherców), w układach impulsowych (np.
cyfrowych) oraz jako elementy aktywne generatorów.
rzadziej dioda Esakiego
Symbol diody tunelowej
(A - anoda, K - katoda)
Dioda świecąca
Dioda elektroluminescencyjna, LED (ang. light-emitting diode) –
dioda zaliczana do półprzewodnikowych przyrządów
optoelektronicznych, emitujących promieniowanie w zakresie światła
widzialnego i podczerwieni.
IR – emitujące promieniowanie podczerwone – wykorzystywane w
łączach światłowodowych, a także w urządzeniach zdalnego sterowania
HBLED, High Brightness LED – diody o wysokiej jasności świecenia; za
takie uważa się, których jasność przekracza 0.2 cd; znajdują one
zastosowanie w miejscach, gdzie zwykle używa się tradycyjnych źródeł
światła – w sygnalizacji ulicznej, w oświetleniu pojazdów, w latarkach
RGB LED – dioda mająca struktury do generowania trzech
podstawowych barw (czerwony, zielony, niebieski), a co za tym idzie,
przez możliwość ich mieszania, praktycznie dowolnej barwy
RGBA LED – rozszerzenie struktury RGB o dodatkową diodę o kolorze
bursztynowym (ang. Amber) powiększającą osiągalną przestrzeń barw
warm white LED – LED generująca światło bardzo zbliżone do światła
żarówki (temperatura barwy 3500 K, odpowiednio dobrana jaskrawość)
Dioda sterowana
Tyrystory znalazły zastosowania w wielu dziedzinach.
Jako sterowniki prądu stałego są stosowane w
stabilizatorach napięcia stałego i w automatyce silników
prądu stałego. Jako sterowniki prądu przemiennego – w
automatyce silników indukcyjnych i w technice
oświetleniowej. Jako łączniki i przerywacze prądu stałego
i przemiennego – w automatyce napędu elektrycznego,
układach stabilizacji napięcia i w technice zabezpieczeń.
Jako przemienniki częstotliwości – w automatyce silników
indukcyjnych, technice ultradźwięków oraz jako układy
impulsowe – w generatorach odchylenia strumienia
elektronowego w kineskopach telewizorów kolorowych,
w urządzeniach zapłonowych silników spalinowych.
Tyrystor
Fotodioda półprzewodnikowa
Fotodioda - dioda półprzewodnikowa pracująca jako
fotodetektor.
przy braku polaryzacji - bateria słoneczna
przy polaryzacji zaporowej - nieliniowy rezystor, w którym
opór zależy od strumienia światła.
W obu przypadkach można wykorzystać fotodiodę jako
detektor.
Lasery
półprzewodnikowe
Ze względu na niewielkie rozmiary, niskie koszty produkcji,
oraz wysoką wydajność, lasery półprzewodnikowe są dzisiaj
najczęściej wykorzystywanym rodzajem laserów, znajdują
zastosowanie między innymi w napędach CD, DVD, Blu Ray
, XDCAM, wskaźnikach laserowych, łączności
światłowodowej, w zastosowaniach militarnych jako
wskaźniki celu , dalmierze.
Laser półprzewodnikowy w obudowie
przy monecie jednocentowej
Tranzystory
Tranzystor ze względu na swoje właściwości wzmacniające znajduje
bardzo szerokie zastosowanie. Jest wykorzystywany do budowy
wzmacniaczy różnego rodzaju: różnicowych, operacyjnych, mocy
(akustycznych), selektywnych, pasmowych. Jest kluczowym
elementem w konstrukcji wielu układów elektronicznych, takich jak
źródła prądowe, lustra prądowe, stabilizatory, przesuwniki napięcia,
klucze elektroniczne, przerzutniki czy generatory.
Ponieważ tranzystor może pełnić rolę klucza elektronicznego, z
tranzystorów buduje się także bramki logiczne realizujące
podstawowe funkcje boolowskie, co stało się motorem do bardzo
dynamicznego rozwoju techniki cyfrowej w ostatnich kilkudziesięciu
latach. Tranzystory są także podstawowym budulcem wszelkiego
rodzaju pamięci półprzewodnikowych (RAM, ROM, itp.).
Dzięki rozwojowi technologii oraz ze względów ekonomicznych
większość wymienionych wyżej układów tranzystorowych realizuje
się w postaci układów scalonych. Co więcej, niektórych układów, jak
np. mikroprocesorów liczących sobie miliony tranzystorów, nie
sposób byłoby wykonać bez technologii scalania.
Tranzystory
Hallotron
Hallotron jest urządzeniem, którego zasada działania opiera się na
(klasycznym) efekcie Halla. Najpopularniejszym jego zastosowaniem
jest pomiar pola magnetycznego.
Zastosowanie:
do pomiaru wielkości elektromagnetycznych takich jak indukcja
magnetyczna, natężenie prądu, moc czy opór,
do pomiaru wielkości innych niż elektryczne, np. kąt obrotu (na części
wirującej zamocowany jest magnes współpracujący z nieruchomym
hallotronem), przesunięcie, drgania mechaniczne, ciśnienie,
w układach wykonujących operacje matematyczne i logiczne,
jako kompas.
Zastosowanie hallotronu umożliwiło budowę tanich silniczków prądu
stałego np. do wentylatorków, używanych np. w komputerach. Silniczek
taki jest wykonany jako silnik prądu przemiennego i charakteryzuje się
brakiem komutatora, oraz łatwością regulacji obrotów. Wirnik silnika
jest magnesem, natomiast cewki stojana są zasilane poprzez układ
elektroniczny. Hallotron wykrywa położenie magnesu i tak steruje
załączaniem poszczególnych uzwojeń, aby nadać wirnikowi ruch
obrotowy.
Wykorzystanie hallotronu do pomiaru
prędkości obrotowej. Czerwone krążki
oznaczają magnesy, niebieski
prostopadłościan - czujnik
hallotronowy.
Termistor
Termistory wykorzystywane są szeroko w elektronice jako:
czujniki temperatury (KTY), w układach kompensujących
zmiany parametrów obwodów przy zmianie temperatury, w
układach zapobiegających nadmiernemu wzrostowi prądu,
do pomiarów temperatury,
elementy kompensujące zmianę oporności innych
elementów elektronicznych np. we wzmacniaczach i
generatorach bardzo niskich częstotliwości.
ograniczniki natężenia prądu (bezpieczniki elektroniczne) –
termistory typu (CTR), np. w układach akumulatorów
telefonów, zapobiegając uszkodzeniu akumulatorów w
wyniku zwarcia lub zbyt szybkiego ładowania.
Czujniki tlenu.