Основы полупроводниковых приборов: 6 ключевых концепций, которые вы должны освоить

Полупроводниковые приборы — Диоды

Диод — простейшая форма полупроводниковых приборов, состоящая из двух кусков разных полупроводниковых материалов: P-типа и N-типа. Обычно используется для пропуска электрического тока в одном направлении и блокировки в обратном.

При соединении P- и N-материалов образуется PN-переход. Нужно делать в чистой среде (чистая комната). При контакте материалов с разной проводимостью отрицательные электроны притягиваются к положительным зарядам, образуя границу на стыке. Одноименные заряды отталкиваются, формируя зону вытеснения (depletion region) на пересечении, где поток электронов и положительных зарядов в равновесии.

Конструкция азиатского диода (опечатка в оригинале — скорее «диода») может сделать его прямонаправленным (forward biased) или обратно-направленным (reverse biased).

Полупроводниковые приборы — Прямое смещение (Forward Bias)

Если соединяем P-сторону к прямому току — прямое смещение, ток течет в цепи.

Полупроводниковые приборы — Обратное смещение (Reverse Bias)

В конфигурации обратного смещения соединяем P-сторону к более отрицательному напряжению — входящие электроны отталкиваются. Блокирует ток в цепи.

Полупроводниковые приборы — Применение

Основные применения диодов:

Диод в выпрямителях

Диоды помогают проектировать различные выпрямительные цепи для выпрямления мощности из AC в DC. Базовые типы выпрямительных схем с диодами:

1. Однополупериодный (Half-wave)
2. Двухполупериодный с центральным отводом (Full-wave center-tapped)
3. Мостовой (Full bridge)

Ток выпрямляют в DC чередованием смещения диода в каждой полуволне входного AC. Дополнительно конденсатор может использоваться для сглаживания пульсаций.

Диод в ограничивающих цепях (Clipper Circuits)

Ограничивающие цепи удаляют избыточный шум из FM-передатчиков. По типу конфигурации диода классифицируются как:

1. Последовательный ограничиватель (Series Clipper) — диод обратно смещен во время положительной полуволны входного напряжения и прямо — во время отрицательной.
2. Параллельный ограничиватель (Shunt Clipper) — диод работает как ключ. Прямо смещен во время положительной полуволны, наоборот — во время отрицательной.

Диод в зажимающих цепях (Clamping Circuits)

Пока ограничиватели срезают пики, зажимающая цепь (clamper) сдвигает пиковый сигнал на желаемый уровень. Также называется DC-ресторатором или уровнесдвигателем. Типы:

1. Положительная конфигурация диода — отрицательные пики зажимаются к нулевому уровню.
2. Отрицательная конфигурация диода — положительные пики зажимаются к нулевому уровню.

Диод в логических элементах (Logic Gates)

Логические элементы выполняют логические операции: AND, OR, NOT, NOR, XOR и др. Применяя концепцию низких и высоких импедансных состояний логического ключа к обратному и прямому смещению, диоды могут строить все типы логических вентилей.

Логика 1 = высокое напряжение, Логика 0 = низкое напряжение. Для простого OR-вентиля — два диода с ключами. Оба ключа открыты — диоды обратно смещены, выходное напряжение ноль. Один ключ закрыт — один диод прямо смещен, выходное напряжение высокое.

Диод в цепях защиты от обратного тока (Reverse Current Protection)

Диод защищает цепь от обратной полярности DC-источника. При неправильном подключении DC возникает обратная полярность, большой ток может течь в цепь и повредить её. Блокирующий диод на входе в последовательном соединении с нагрузкой предотвращает проблему — блокирует ток при неправильном подключении. Диод прямо смещен при правильном подключении и обратно — при неправильном.

Диод в умножителях напряжения (Voltage Multiplier)

Каскадируя несколько диодов в выпрямительной цепи, получаете выходное DC-напряжение = входное напряжение × число умножителей.

V_out = V_in × multipliers

Схемы могут быть удвоителями и умножителями напряжения. Добавляя конденсатор, получаете нечетное или четное кратное входного напряжения на выходе.

Полупроводниковые приборы — Транзисторы

Транзисторы — предшественники многих современных гаджетов и электронных устройств. Обеспечили усиление сигналов и коммутационные схемы, став важнейшей частью электроники.

Каждый транзистор состоит из трех основных частей: эмиттер, база, коллектор. Некоторые имеют дополнительный субстрат для соединения с цепями.

Классификация по структуре, материалу или механизму:

1. Биполярные транзисторы с p-n-переходом (BJT: NPN и PNP)
2. Полевые транзисторы (FET: JFET и MOSFET)

Применения

Транзисторы используются как ключи и усилители в цепях для управления током.

Биполярные транзисторы с p-n-переходом (BJT)

Обычно называются переходными транзисторами. BJT отличаются по конфигурации:

1. В NPN-схемах конфигурация: КБЭ (Коллектор, База, Эмиттер).
2. В PNP — ЭБК.

Для NPN: два слоя N-типа соединены со средним P-слоем. Электроны проходят из эмиттера в базу, база управляет числом электронов, которые эмиттер может излучать.

Для PNP: конфигурация обратна NPN. Два P-слоя на концах с N-слоем в базе. База все равно управляет токами, но в обратном направлении.

Полевые транзисторы (FET)

FET работают иначе, чем BJT. Имеют выводы и три части: затвор (gate), исток (source), сток (drain).

JFET (переходные FET) — упрощенная версия FET как ключи, усилители, резисторы. Не требуют смещающего тока, работают только от входного напряжения. Два типа: P-канальный и N-канальный.

1. P-канальный JFET — ток течет из-за положительных зарядов (дырок).
2. N-канальный JFET — электроны вызывают ток. Популярнее P-канальных.

MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) — самый популярный тип транзистора в современных низковольтных схемах и чип-дизайне. Использует металлический затвор, имеет 4 вывода: сток, исток, затвор, корпус/субстрат.

MOSFET обеспечивают высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс.

Полупроводниковые приборы — Операционные усилители

Операционные усилители (Op-Amp) — аналоговые функциональные блоки для производства высокопроизводительных схем с минимальными компонентами. Используя систему отрицательной или положительной обратной связи, усилители, конденсаторы, фильтры и др. могут использовать эти цепи.

Линейные устройства со свойствами, похожими на DC-усилитель.

У оп-ампа 3 важных вывода: инвертирующий вход, неинвертирующий вход, выходной вывод — может либо поглощать (sink), либо выдавать (source) ток и напряжение.

Применения

1. Сравнение сигналов (Compare Signals) — Op-Amp сравнивает напряжение на одном входе с другим. Разница напряжений вызывает насыщение оп-ампа; если напряжения равны по модулю — выходное напряжение 0 В.
2. Буферизация сигналов (Buffer Signals) — Op-Amp с отрицательной обратной связью работает как буферный усилитель с коэффициентом передачи 1. Высокий входной импеданс (нет нагрузки на источник сигнала), низкий выходной импеданс, высокий токовый коэффициент передачи.
3. Двойное питание (Supply Dual Voltages) — Dual-supply Op-Amp принимает два разных напряжения: положительное и отрицательное. Неинвертирующий вход получает +, инвертирующий — - вместо заземления как в однополярном режиме. Dual-supply Op-Amp лучше для AC-сигналов и работает с более высокими уровнями напряжения.
4. Усиление сигналов (Amplify Signals) — Op-Amp усиливает входные сигналы на основе напряжения на неинвертирующем и инвертирующем входах.
5. Фильтрация сигналов (Filter Signals) — Один оп-амп может давать 1-, 2-, 3-полюсные фильтры. Вариации фильтров на оп-ампах: низкочастотные (LPF), высокочастотные (HPF), полосовые (BPF), режекторные (Notch).
6. Суммирование сигналов (Summing Signals) — Аудиомикшер и подобные используют оп-амп для суммирования приложенных напряжений. Виртуальная точка заземления инвертирующего усилителя суммирует аудиовходы.

Полупроводниковые приборы — Резистор

В электрических процессах резисторы нужны для управления потоком электронов и настройки уровня тока при заданном напряжении. Чем выше сопротивление резистора, тем ниже ток.

Применения

1. Транзисторы и светодиоды — резисторы защищают чувствительные полупроводниковые приборы (транзисторы, светодиоды), пропуская правильный ток.
2. Тайминг и частота — резисторы, соединенные с конденсаторами, дают временно-контролируемые устройства. Помогают в дизайне схем для вспышек света и сирен.
3. Делитель напряжения (Voltage Divider) — последовательная цепочка резисторов дает желаемое падение напряжения на основе сопротивлений. Результирующее напряжение пропорционально вкладу каждого резистора.
4. Резисторы для нагрева — в тостерах, электроплитах, обогревателях преобразуют электрическую энергию в тепловую.

Полупроводниковые приборы — Конденсатор

Конденсаторы — важная часть всех электронных схем. Могут заряжаться током и разряжать его сразу.

Применения

1. Тайминг (Timing)

Манипулируя интервалами заряда/разряда, конденсаторы используют в временнозависимых цепях: светодиоды, акустические системы, сигнализации, периодические пищители.

2. Сглаживание (Smoothing)

Входной AC-ток сглаживается для получения DC-выхода с помощью конденсатора во многих бытовых приборах.

3. Развязка/Связывание (Coupling)

Конденсаторная связь блокирует DC, пропуская только AC через цепь. Акустические системы используют конденсаторы для этого, избегая повреждений от постоянного тока.

4. Настройка (Tuning)

Переменные конденсаторы в радиосистемах для настройки цепей. Соединяя LC-генератор с переменными конденсаторами.

5. Накопление энергии (Energy Storage)

Конденсаторы накапливают энергию и мгновенно выдают её — применение в схемах камер, где нужна внезапная вспышка.

Полупроводниковые приборы — Катушка индуктивности (Индуктор)

Индукторы — пассивные электронные цепи, накапливающие энергию в магнитном поле при прохождении тока. Катушка из изолированного провода на центральном сердечнике — индуктор, обычно крупнейший компонент на плате.

Применения

1. Фильтры (Filters)

Индукторы работают как НЧ-фильтры. В комбинации с конденсаторами и резисторами создают продвинутые фильтры.

2. Датчики (Sensors)

Индукторы чувствуют магнитные поля и магнито-пропускаемые материалы без физического контакта. Отлично для датчиков в светофорах и подобных.

3. Трансформаторы (Transformers)

Объединяя индукторы с общим магнитным путем, формируете трансформатор. Трансформаторы — важнейшая часть энергетических сетей и блоков питания.

4. Двигатели (Motors)

Индукционные двигатели эффективнее преобразуют электрическую энергию в механическую с магнитной силой. AC-вход на индукционном двигателе создает вращающееся магнитное поле. Не требуют электрического контакта между ротором и машиной — безопаснее и надежнее.

5. Накопление энергии (Energy Storage)

Пока индуктор запитан, накапливает энергию в магнитном поле. Импульсные блоки питания (например, в ПК) используют их.

6. Аудиоэквалайзер (Audio Equalizer)

Аудиоэквалайзеры — специальные электронные устройства для музыкального производства. Усиливают или ослабляют определенные частоты для создания требуемых звуковых эффектов.

Разные типы эквалайзеров, наиболее распространенные:

1. Полочатый эквалайзер (Shelving equalizer)
2. Графический эквалайзер (Graphic equalizer)
3. Параметрический эквалайзер (Parametric equalizer)

Резюме

Статья — базовый обзор полупроводников и всех приборов, которые они могут создавать.

Есть вопросы? Пишите в комментариях. Нужен сервис полупроводниковых приборов? Свяжитесь с нами. WellPCB — более 10 лет опыта в производстве печатных плат. Обсудим вместе и изучим электронику.