सेमीकंडक्टर डिवाइस - प्रकार, अवलोकन और उपयोग

इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के अनुप्रयोग के क्षेत्रों का तेजी से विकास और विस्तार तत्व आधार के सुधार के कारण है, जिस पर अर्धचालक उपकरण आधारित हैं... इसलिए, इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के कामकाज की प्रक्रियाओं को समझने के लिए, यह जानना आवश्यक है उपकरण और मुख्य प्रकार के अर्धचालक उपकरणों के संचालन का सिद्धांत।

सेमीकंडक्टर सामग्री उनके विशिष्ट प्रतिरोध के संदर्भ में, वे कंडक्टर और डाइलेक्ट्रिक्स के बीच एक मध्यवर्ती स्थिति पर कब्जा कर लेते हैं।

सेमीकंडक्टर उपकरणों के निर्माण के लिए मुख्य सामग्री सिलिकॉन (Si), सिलिकॉन कार्बाइड (SiC), गैलियम और इंडियम यौगिक हैं।

सेमीकंडक्टर चालकता अशुद्धियों और बाहरी ऊर्जा प्रभावों (तापमान, विकिरण, दबाव, आदि) की उपस्थिति पर निर्भर करता है। वर्तमान प्रवाह दो प्रकार के आवेश वाहकों - इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों के कारण होता है। रासायनिक संरचना के आधार पर, शुद्ध और अशुद्ध अर्धचालकों के बीच भेद किया जाता है।

इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के उत्पादन के लिए, क्रिस्टलीय संरचना वाले ठोस अर्धचालकों का उपयोग किया जाता है।

सेमीकंडक्टर उपकरण ऐसे उपकरण होते हैं जिनका संचालन अर्धचालक पदार्थों के गुणों के उपयोग पर आधारित होता है।

अर्धचालक उपकरणों का वर्गीकरण

निरंतर अर्धचालकों के आधार पर, अर्धचालक प्रतिरोधक:

रैखिक रोकनेवाला - प्रतिरोध वोल्टेज और करंट पर थोड़ा निर्भर करता है। यह एकीकृत परिपथों का एक "तत्व" है।

Varistor - प्रतिरोध लागू वोल्टेज पर निर्भर करता है।

थर्मिस्टर - प्रतिरोध तापमान पर निर्भर करता है। दो प्रकार के होते हैं: थर्मिस्टर (जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, प्रतिरोध घटता है) और पॉज़िस्टर्स (जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, प्रतिरोध बढ़ता है)।

Photoresistor - प्रतिरोध रोशनी (विकिरण) पर निर्भर करता है। विरूपक - प्रतिरोध यांत्रिक विरूपण पर निर्भर करता है।

अधिकांश अर्धचालक उपकरणों के संचालन का सिद्धांत इलेक्ट्रॉन-छेद जंक्शन पी-एन-जंक्शन गुणों पर आधारित है।

सेमीकंडक्टर डायोड

यह एक p-n जंक्शन और दो टर्मिनलों वाला अर्धचालक उपकरण है, जिसका संचालन p-n जंक्शन के गुणों पर आधारित है।

पी-एन जंक्शन की मुख्य संपत्ति यूनिडायरेक्शनल चालन है - वर्तमान केवल एक दिशा में बहती है। डायोड के पारंपरिक ग्राफिक पदनाम (यूजीओ) में एक तीर का रूप होता है, जो डिवाइस के माध्यम से वर्तमान प्रवाह की दिशा को इंगित करता है।

संरचनात्मक रूप से, डायोड में एक मामले में संलग्न एक पी-एन जंक्शन होता है (माइक्रोमॉड्यूल ओपन फ्रेम के अपवाद के साथ) और दो टर्मिनल: पी-क्षेत्र-एनोड से, एन-क्षेत्र-कैथोड से।

इन। एक डायोड एक अर्धचालक उपकरण है जो केवल एक दिशा में - एनोड से कैथोड तक विद्युत प्रवाहित करता है।

लागू वोल्टेज पर डिवाइस के माध्यम से वर्तमान की निर्भरता को वर्तमान-वोल्टेज विशेषता (VAC) डिवाइस I = f (U) कहा जाता है।डायोड का एकतरफा चालन इसकी I-V विशेषता (चित्र 1) से स्पष्ट है।

चित्रा 1 - डायोड वर्तमान-वोल्टेज विशेषता

उद्देश्य के आधार पर, सेमीकंडक्टर डायोड को रेक्टिफायर, यूनिवर्सल, पल्स, जेनर डायोड और स्टेबलाइजर्स, टनल और रिवर्स डायोड, एलईडी और फोटोडायोड में बांटा गया है।

एक तरफा चालन डायोड के सुधार गुणों को निर्धारित करता है। सीधे कनेक्शन के साथ ("+" एनोड और «-» कैथोड के लिए) डायोड खुला है और इसके माध्यम से एक पर्याप्त बड़ी आगे की धारा प्रवाहित होती है। रिवर्स में ("-" एनोड के लिए और «+» कैथोड के लिए), डायोड बंद है, लेकिन एक छोटा रिवर्स करंट प्रवाहित होता है।

रेक्टिफायर डायोड को निम्न-आवृत्ति प्रत्यावर्ती धारा (आमतौर पर 50 kHz से कम) को प्रत्यक्ष धारा में बदलने के लिए डिज़ाइन किया गया है, अर्थात। खड़े होने के लिए। उनके मुख्य पैरामीटर अधिकतम स्वीकार्य फॉरवर्ड करंट Ipr मैक्स और अधिकतम स्वीकार्य रिवर्स वोल्टेज Uo6p मैक्स हैं। इन मापदंडों को सीमित कहा जाता है - उनसे अधिक होने से डिवाइस आंशिक रूप से या पूरी तरह से अक्षम हो सकता है।

इन पैरामीटर्स को बढ़ाने के लिए डायोड कॉलम, नोड्स, मेट्रिसेस बनाए जाते हैं, जो सीरीज- पैरेलल, ब्रिज या पी-एन-जंक्शन के दूसरे कनेक्शन होते हैं।

व्यापक आवृत्ति रेंज (कई सौ मेगाहर्ट्ज़ तक) में धाराओं को सुधारने के लिए यूनिवर्सल डायोड का उपयोग किया जाता है। इन डायोड के पैरामीटर रेक्टीफायर डायोड के समान हैं, केवल अतिरिक्त दर्ज किए जाते हैं: अधिकतम ऑपरेटिंग आवृत्ति (मेगाहर्ट्ज) और डायोड कैपेसिटेंस (पीएफ)।

पल्स डायोड को पल्स सिग्नल रूपांतरण के लिए डिज़ाइन किया गया है, इनका उपयोग हाई-स्पीड पल्स सर्किट में किया जाता है।इन डायोड की आवश्यकताएं आपूर्ति किए गए वोल्टेज की आवेग प्रकृति के लिए डिवाइस की तेज प्रतिक्रिया सुनिश्चित करने से संबंधित हैं - डायोड का एक छोटा संक्रमण समय बंद राज्य से खुले राज्य में और इसके विपरीत।

जेनर डायोड — ये सेमीकंडक्टर डायोड हैं, वोल्टेज में गिरावट जो वर्तमान प्रवाह पर बहुत कम निर्भर करती है। यह तनाव को स्थिर करने का कार्य करता है।

Varikapi - ऑपरेशन का सिद्धांत p-n-जंक्शन की संपत्ति पर आधारित होता है, जब उस पर रिवर्स वोल्टेज का मान बदलता है तो बैरियर कैपेसिटेंस के मान को बदल देता है। वे वोल्टेज नियंत्रित चर कैपेसिटर के रूप में उपयोग किए जाते हैं। योजनाओं में, varicaps को विपरीत दिशा में चालू किया जाता है।

एल ई डी - ये सेमीकंडक्टर डायोड हैं, जिसका सिद्धांत पी-एन जंक्शन से प्रकाश के उत्सर्जन पर आधारित होता है, जब एक प्रत्यक्ष धारा इसके माध्यम से गुजरती है।

Photodiodes - रिवर्स करंट पी-एन-जंक्शन की रोशनी पर निर्भर करता है।

Schottky डायोड - एक धातु-अर्धचालक जंक्शन पर आधारित है, यही वजह है कि उनके पास पारंपरिक डायोड की तुलना में काफी अधिक प्रतिक्रिया दर है।

चित्रा 2 - डायोड का पारंपरिक चित्रमय प्रतिनिधित्व

डायोड के बारे में अधिक जानकारी के लिए यहां देखें:

शुद्ध करनेवाला डायोड

पावर डायोड

सुधारक के पैरामीटर और योजनाएं

Photodiodes: उपकरण, विशेषताओं और संचालन के सिद्धांत

ट्रांजिस्टर

एक ट्रांजिस्टर एक अर्धचालक उपकरण है जिसे विद्युत संकेतों को बढ़ाने, उत्पन्न करने और परिवर्तित करने के साथ-साथ विद्युत परिपथों को स्विच करने के लिए डिज़ाइन किया गया है।

ट्रांजिस्टर की एक विशिष्ट विशेषता वोल्टेज और करंट को बढ़ाने की क्षमता है - ट्रांजिस्टर के इनपुट पर काम करने वाले वोल्टेज और धाराएं इसके आउटपुट में काफी अधिक वोल्टेज और धाराओं की उपस्थिति की ओर ले जाती हैं।

डिजिटल इलेक्ट्रॉनिक्स और पल्स सर्किट के प्रसार के साथ, ट्रांजिस्टर की मुख्य संपत्ति एक नियंत्रण संकेत के प्रभाव में खुली और बंद अवस्था में होने की क्षमता है।

ट्रांजिस्टर को इसका नाम दो अंग्रेजी शब्दों ट्रान (sfer) (पुनः) सिस्टर - नियंत्रित प्रतिरोधी के संक्षिप्त नाम से मिला। यह नाम आकस्मिक नहीं है, क्योंकि ट्रांजिस्टर पर लागू इनपुट वोल्टेज की कार्रवाई के तहत, इसके आउटपुट टर्मिनलों के बीच प्रतिरोध को बहुत व्यापक श्रेणी में समायोजित किया जा सकता है।

ट्रांजिस्टर आपको सर्किट में वर्तमान को शून्य से अधिकतम मूल्य तक समायोजित करने की अनुमति देता है।

ट्रांजिस्टर का वर्गीकरण:

— कार्रवाई के सिद्धांत के अनुसार: क्षेत्र (एकध्रुवीय), द्विध्रुवी, संयुक्त।

- छितरी हुई शक्ति के मूल्य से: निम्न, मध्यम और उच्च।

- सीमित आवृत्ति के मूल्य से: निम्न, मध्यम, उच्च और अति उच्च आवृत्ति।

- ऑपरेटिंग वोल्टेज के मूल्य से: कम और उच्च वोल्टेज।

- कार्यात्मक उद्देश्य से: सार्वभौमिक, मजबूत, कुंजी, आदि।

-डिजाइन के संदर्भ में: एक खुले फ्रेम के साथ और एक बॉक्स-प्रकार के संस्करण में, कठोर और लचीले टर्मिनलों के साथ।

प्रदर्शन किए गए कार्यों के आधार पर, ट्रांजिस्टर तीन मोड में काम कर सकते हैं:

1) सक्रिय मोड - एनालॉग उपकरणों में विद्युत संकेतों को बढ़ाने के लिए उपयोग किया जाता है। ट्रांजिस्टर का प्रतिरोध शून्य से अधिकतम मान में बदल जाता है - वे कहते हैं कि ट्रांजिस्टर "खुलता है" या "बंद" होता है।

2) संतृप्ति मोड - ट्रांजिस्टर का प्रतिरोध शून्य हो जाता है। इस स्थिति में, ट्रांजिस्टर एक बंद रिले संपर्क के बराबर होता है।

3) कट-ऑफ मोड — ट्रांजिस्टर बंद है और इसका प्रतिरोध उच्च है, अर्थात। यह एक खुले रिले संपर्क के बराबर है।

डिजिटल, पल्स और स्विचिंग सर्किट में संतृप्ति और कटऑफ मोड का उपयोग किया जाता है।

द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर एक अर्धचालक उपकरण है जिसमें दो p-n जंक्शन और तीन कंडक्टर होते हैं जो विद्युत संकेतों का शक्ति प्रवर्धन प्रदान करते हैं।

द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर में, करंट दो प्रकार के आवेश वाहकों के संचलन के कारण होता है: इलेक्ट्रॉन और छिद्र, जो उनके नाम के लिए जिम्मेदार होते हैं।

आरेखों पर, इसे एक सर्कल में और इसके बिना (चित्र 3) दोनों में ट्रांजिस्टर को चित्रित करने की अनुमति है। तीर ट्रांजिस्टर में धारा प्रवाह की दिशा दिखाता है।

चित्रा 3 - ट्रांजिस्टर एन-पी-एन (ए) और पी-एन-पी (बी) के पारंपरिक-ग्राफिक नोटेशन

ट्रांजिस्टर का आधार एक अर्धचालक प्लेट है, जिसमें एक चर प्रकार की चालकता वाले तीन खंड - इलेक्ट्रॉन और छिद्र - बनते हैं। परतों के प्रत्यावर्तन के आधार पर, दो प्रकार की ट्रांजिस्टर संरचना को प्रतिष्ठित किया जाता है: n-p-n (चित्र 3, a) और p-n-p (चित्र 3, b)।

एमिटर (ई) - एक परत जो आवेश वाहकों (इलेक्ट्रॉनों या छिद्रों) का एक स्रोत है और डिवाइस पर एक करंट बनाता है;

संग्राहक (K) — एक परत जो उत्सर्जक से आने वाले आवेश वाहकों को स्वीकार करती है;

बेस (बी) - मध्य परत जो ट्रांजिस्टर की धारा को नियंत्रित करती है।

जब ट्रांजिस्टर सर्किट से जुड़ा होता है, तो इसका एक इलेक्ट्रोड इनपुट होता है (इनपुट अल्टरनेटिंग सिग्नल का स्रोत चालू होता है), दूसरा आउटपुट होता है (लोड चालू होता है), तीसरा इलेक्ट्रोड इनपुट और आउटपुट के लिए सामान्य होता है। ज्यादातर मामलों में, एक सामान्य उत्सर्जक सर्किट का उपयोग किया जाता है (चित्र 4)। 1 V से अधिक का वोल्टेज आधार पर लागू नहीं होता है, कलेक्टर के लिए 1 V से अधिक, उदाहरण के लिए +5 V, +12 V, +24 V, आदि।

चित्रा 4 - एक सामान्य उत्सर्जक द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर के सर्किट आरेख

कलेक्टर करंट तभी होता है जब बेस करंट Ib (Ube द्वारा निर्धारित) बह रहा हो।जितना अधिक इब, उतना अधिक इक। Ib को mA की इकाइयों में मापा जाता है, और कलेक्टर करंट को दसियों और सैकड़ों mA में मापा जाता है, अर्थात। इबिक। इसलिए, जब आधार पर एक छोटा आयाम एसी सिग्नल लगाया जाता है, तो छोटा आईबी बदल जाएगा और बड़ा आईसी उसके अनुपात में बदल जाएगा। जब सर्किट में लोड प्रतिरोध कलेक्टर शामिल होता है, तो इनपुट के आकार को दोहराते हुए एक सिग्नल वितरित किया जाएगा, लेकिन एक बड़े आयाम के साथ, यानी। प्रवर्धित संकेत।

ट्रांजिस्टर के अधिकतम अनुमेय मापदंडों में शामिल हैं, सबसे पहले: कलेक्टर Pk.max पर अधिकतम अनुमेय शक्ति का प्रसार, कलेक्टर और उत्सर्जक Uke.max के बीच वोल्टेज, कलेक्टर वर्तमान Ik.max।

सीमित मापदंडों को बढ़ाने के लिए, ट्रांजिस्टर असेंबलियों का उत्पादन किया जाता है, जो एक ही आवास में संलग्न कई सौ समानांतर-जुड़े ट्रांजिस्टर तक की संख्या में हो सकते हैं।

द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर अब कम और कम उपयोग किए जाते हैं, विशेष रूप से स्पंदित विद्युत प्रौद्योगिकी में। उन्हें MOSFETs और संयुक्त IGBTs द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है, इलेक्ट्रॉनिक्स के इस क्षेत्र में निर्विवाद लाभ हैं।

क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर में, वर्तमान केवल एक संकेत (इलेक्ट्रॉनों या छेद) के वाहकों के आंदोलन से निर्धारित होता है। बाइपोलर के विपरीत, ट्रांजिस्टर करंट एक विद्युत क्षेत्र द्वारा संचालित होता है जो कंडक्टिंग चैनल के क्रॉस-सेक्शन को बदलता है।

चूंकि इनपुट सर्किट में कोई इनपुट करंट नहीं है, इसलिए इस सर्किट की बिजली की खपत व्यावहारिक रूप से शून्य है, जो निस्संदेह फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर का एक फायदा है।

संरचनात्मक रूप से, एक ट्रांजिस्टर में एक n- या p-प्रकार का संवाहक चैनल होता है, जिसके सिरों पर क्षेत्र होते हैं: एक स्रोत जो आवेश वाहकों का उत्सर्जन करता है और एक नाली जो वाहकों को स्वीकार करता है।चैनल के अनुप्रस्थ काट को समायोजित करने के लिए प्रयुक्त इलेक्ट्रोड को गेट कहा जाता है।

फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर एक सेमीकंडक्टर डिवाइस है जो कंडक्टिंग चैनल के क्रॉस-सेक्शन को बदलकर सर्किट में करंट को नियंत्रित करता है।

पीएन जंक्शन के रूप में एक गेट के साथ और एक पृथक गेट के साथ क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर हैं।

सेमीकंडक्टर चैनल और मेटल गेट के बीच एक इंसुलेटेड गेट वाले फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर में डाइइलेक्ट्रिक - एमआईएस ट्रांजिस्टर (मेटल - डाइइलेक्ट्रिक - सेमीकंडक्टर) की एक इंसुलेटिंग लेयर होती है, एक विशेष केस - सिलिकॉन ऑक्साइड - एमओएस ट्रांजिस्टर।

एक बिल्ट-इन चैनल MOS ट्रांजिस्टर में एक प्रारंभिक चालन होता है, जो इनपुट सिग्नल (Uzi = 0) की अनुपस्थिति में, अधिकतम का लगभग आधा होता है। वोल्टेज Uzi = 0 पर एक प्रेरित चैनल के साथ MOS ट्रांजिस्टर में, आउटपुट करंट अनुपस्थित है, Ic = 0, क्योंकि शुरू में कोई कंडक्टिंग चैनल नहीं है।

प्रेरित चैनल वाले MOSFETs को MOSFETs भी कहा जाता है। वे मुख्य रूप से प्रमुख तत्वों के रूप में उपयोग किए जाते हैं, उदाहरण के लिए बिजली की आपूर्ति स्विच करने में।

एमओएस ट्रांजिस्टर पर आधारित प्रमुख तत्वों के कई फायदे हैं: सिग्नल सर्किट गैल्वेनिक रूप से नियंत्रण क्रिया के स्रोत से जुड़ा नहीं है, नियंत्रण सर्किट वर्तमान का उपभोग नहीं करता है और इसमें दो तरफा चालकता है। क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर, द्विध्रुवी वाले के विपरीत, अति ताप करने से डरते नहीं हैं।

ट्रांजिस्टर के बारे में अधिक जानकारी के लिए यहाँ देखें:

द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर

आईजीबीटी ट्रांजिस्टर

thyristors

एक थाइरिस्टर एक अर्धचालक उपकरण है जो दो स्थिर अवस्थाओं में काम करता है - निम्न चालन (थाइरिस्टर बंद) और उच्च चालन (थाइरिस्टर खुला)। संरचनात्मक रूप से, एक थाइरिस्टर में तीन या अधिक p-n जंक्शन और तीन आउटपुट होते हैं।

एनोड और कैथोड के अलावा, थाइरिस्टर के डिजाइन में एक तीसरा आउटपुट (इलेक्ट्रोड) प्रदान किया जाता है, जिसे कंट्रोल कहा जाता है।

थाइरिस्टर विद्युत सर्किट के गैर-संपर्क स्विचिंग (चालू और बंद) के लिए डिज़ाइन किया गया है। उन्हें उच्च गति और बहुत महत्वपूर्ण परिमाण (1000 ए तक) की धाराओं को स्विच करने की क्षमता की विशेषता है। ट्रांजिस्टर स्विच करके उन्हें धीरे-धीरे बदला जा रहा है।

चित्र 5 - पारंपरिक - थायरिस्टर्स का ग्राफिकल पदनाम

डायनिस्टर्स (दो-इलेक्ट्रोड) - पारंपरिक रेक्टीफायर्स की तरह, उनके पास एक एनोड और एक कैथोड होता है। जैसे ही आगे का वोल्टेज एक निश्चित मान Ua = U पर बढ़ता है, डाइनिस्टर खुल जाता है।

थिरिस्टर्स (एससीआर - तीन-इलेक्ट्रोड) - एक अतिरिक्त नियंत्रण इलेक्ट्रोड है; नियंत्रण इलेक्ट्रोड के माध्यम से प्रवाहित होने वाले नियंत्रण प्रवाह द्वारा Uin को बदल दिया जाता है।

थाइरिस्टर को बंद स्थिति में स्थानांतरित करने के लिए, एक रिवर्स वोल्टेज (- एनोड के लिए, + कैथोड के लिए) को लागू करना आवश्यक है या Iuder होल्डिंग करंट नामक मान के नीचे आगे की धारा को कम करना है।

लॉकिंग थाइरिस्टर - रिवर्स पोलरिटी के कंट्रोल पल्स को लगाकर बंद अवस्था में स्विच किया जा सकता है।

थायरिस्टर्स: संचालन, डिजाइन, प्रकार और शामिल करने के तरीकों का सिद्धांत

Triacs (सममित थाइरिस्टर) - दोनों दिशाओं में विद्युत प्रवाहित करना।

थायरिस्टर्स का उपयोग स्वचालन उपकरणों और विद्युत प्रवाह कन्वर्टर्स में निकटता स्विच और नियंत्रणीय रेक्टीफायर के रूप में किया जाता है। वैकल्पिक और स्पंदित वर्तमान सर्किट में, थाइरिस्टर की खुली स्थिति के समय को बदलना संभव है, और इसलिए लोड के माध्यम से वर्तमान प्रवाह का समय। यह आपको लोड को वितरित शक्ति को समायोजित करने की अनुमति देता है।