半導体デバイス - 種類、概要、用途
電子デバイスの急速な発展と応用分野の拡大は、半導体デバイスの基礎となる素子基盤の改良によるものです。したがって、電子デバイスの機能プロセスを理解するには、次のことを知る必要があります。主要な種類の半導体デバイスのデバイスと動作原理。
半導体材料 比抵抗の点では、導体と誘電体の中間の位置を占めます。
半導体デバイスの製造に使用される主な材料は、シリコン (Si)、炭化ケイ素 (SiC)、ガリウム、インジウム化合物です。
半導体の導電性 不純物の存在と外部エネルギーの影響（温度、放射線、圧力など）によって異なります。電流の流れは、電子と正孔という 2 種類の電荷キャリアによって引き起こされます。化学組成に応じて、純粋半導体と不純物半導体が区別されます。
電子デバイスの製造には、結晶構造を有する固体半導体が使用されます。
半導体デバイスは、その動作が半導体材料の特性の使用に基づいているデバイスです。
半導体デバイスの分類
連続半導体に基づいた半導体抵抗器:
線形抵抗 - 抵抗は電圧と電流にわずかに依存します。集積回路の「素子」です。
バリスタ - 抵抗は印加電圧に依存します。
サーミスタ - 抵抗は温度に依存します。サーミスタ (温度が上昇すると抵抗が減少します) とポジスタ (温度が上昇すると抵抗が増加します) の 2 つのタイプがあります。
フォトレジスタ — 抵抗は照明 (放射線) に依存します。デフォーマ — 抵抗は機械的変形に依存します。
ほとんどの半導体デバイスの動作原理は、電子-正孔接合の p-n 接合特性に基づいています。
半導体ダイオード
これは、1 つの p-n 接合と 2 つの端子を備えた半導体デバイスであり、その動作は p-n 接合の特性に基づいています。
p-n 接合の主な特性は一方向伝導であり、電流は一方向にのみ流れます。ダイオードの従来のグラフィック表示 (UGO) は矢印の形をしており、デバイスを流れる電流の方向を示します。
構造的に、ダイオードはケースに囲まれた p-n 接合 (マイクロモジュールのオープンフレームを除く) と、p 領域のアノードと n 領域のカソードからの 2 つの端子で構成されます。
これらは。ダイオードは、アノードからカソードへの一方向にのみ電流を流す半導体デバイスです。
デバイスを流れる電流の印加電圧への依存性は、電流電圧特性 (VAC) デバイス I = f (U) と呼ばれます。ダイオードの片側導通は、その I-V 特性から明らかです (図 1)。
図1 — ダイオードの電流電圧特性
半導体ダイオードは、目的に応じて、整流ダイオード、汎用ダイオード、パルスダイオード、ツェナーダイオードおよび安定化ダイオード、トンネルダイオードおよび逆ダイオード、LEDおよびフォトダイオードに分類されます。
片側導通はダイオードの整流特性を決定します。直接接続（アノードに「+」、カソードに「-」）すると、ダイオードが開き、十分に大きな順電流が流れます。逆方向（アノードに「-」、カソードに「+」）では、ダイオードは閉じますが、小さな逆電流が流れます。
整流ダイオードは、低周波交流 (通常は 50 kHz 未満) を直流、つまり 50 kHz に変換するように設計されています。立ち上がる。主なパラメータは、最大許容順電流 Ipr max と最大許容逆電圧 Uo6p max です。これらのパラメータは制限と呼ばれます。これらのパラメータを超えると、デバイスが部分的または完全に無効になる可能性があります。
これらのパラメータを増やすために、pn 接合の直並列、ブリッジ、またはその他の接続であるダイオード列、ノード、マトリックスが作成されます。
汎用ダイオードは、広い周波数範囲 (最大数百メガヘルツ) で電流を整流するために使用されます。これらのダイオードのパラメータは整流ダイオードのパラメータと同じですが、最大動作周波数 (MHz) とダイオード容量 (pF) の追加パラメータのみが入力されます。
パルスダイオードはパルス信号を変換するために設計されており、高速パルス回路に使用されます。これらのダイオードの要件は、供給電圧のインパルス特性に対するデバイスの高速応答、つまりダイオードが閉状態から開状態へ、またはその逆への短い遷移時間を保証することに関連しています。
ツェナー ダイオード — これらは半導体ダイオードであり、両端の電圧降下は流れる電流にほとんど依存しません。張力を安定させる働きがあります。
Varikapi - 動作原理は、逆電圧の値が変化するとバリア容量の値が変化するという pn 接合の特性に基づいています。電圧制御可変コンデンサとして使用されます。このスキームでは、バリキャップは反対方向にオンになります。
LED - これらは半導体ダイオードであり、その原理は、直流電流が通過するときに p-n 接合から光が放射されることに基づいています。
フォトダイオード - 逆電流は、pn 接合の照度に依存します。
ショットキー ダイオード - 金属と半導体の接合に基づくため、従来のダイオードよりも応答速度が大幅に高くなります。
図2 — ダイオードの従来のグラフ表示
ダイオードの詳細については、ここを参照してください。
トランジスタ
トランジスタは、電気信号を増幅、生成、変換し、電気回路を切り替えるように設計された半導体デバイスです。
トランジスタの独特の機能は、電圧と電流を増幅する機能です。トランジスタの入力に作用する電圧と電流により、出力には大幅に高い電圧と電流が現れます。
デジタル電子機器とパルス回路の普及に伴い、トランジスタの主な特性は、制御信号の影響下で開閉状態になる能力です。
トランジスタの名前は、tran (sfer) (re) sistor (制御された抵抗器) という 2 つの英語の単語の略語から付けられました。トランジスタに印加される入力電圧の作用により、出力端子間の抵抗を非常に広い範囲で調整できるため、この名前は偶然ではありません。
トランジスタを使用すると、回路内の電流をゼロから最大値まで調整できます。
トランジスタの分類:
— 動作原理によると、フィールド（単極）、双極、複合。
— 消費電力の値による: 低、中、高。
— 制限周波数の値による: 低、中、高、超高周波。
— 動作電圧の値によって異なります: 低電圧と高電圧。
— 機能目的別: 汎用、補強、キーなど。
-デザインの面では、オープンフレームとボックスタイプのバージョンがあり、剛性と柔軟性のある端子を備えています。
実行される機能に応じて、トランジスタは 3 つのモードで動作します。
1) アクティブモード - アナログデバイスの電気信号を増幅するために使用され、トランジスタの抵抗がゼロから最大値まで変化します - トランジスタが「開く」または「閉じる」と言われます。
2) 飽和モード — トランジスタの抵抗はゼロに近づく傾向があります。この場合、トランジスタは閉じたリレー接点と等価です。
3) カットオフ モード — トランジスタは閉じており、抵抗が高くなります。これはオープンリレー接点と同等です。
飽和モードとカットオフ モードは、デジタル、パルス、スイッチング回路で使用されます。
バイポーラ トランジスタは、電気信号の電力増幅を行う 2 つの p-n 接合と 3 つの導体を備えた半導体デバイスです。
バイポーラ トランジスタでは、電子と正孔という 2 種類の電荷キャリアの移動によって電流が発生します。これがその名前の由来となっています。
図では、円の中にトランジスタを描くことも、円なしでトランジスタを描くことも許可されています（図3）。矢印はトランジスタに流れる電流の方向を示します。
図 3 - トランジスタの従来のグラフィック表記 n-p-n (a) および p-n-p (b)
トランジスタの基礎となるのは半導体プレートで、その中には電子と正孔という可変の導電性を持つ 3 つのセクションが形成されます。層の交互配置に応じて、n-p-n (図 3、a) と p-n-p (図 3、b) の 2 種類のトランジスタ構造が区別されます。
エミッタ (E) — 電荷キャリア (電子または正孔) の供給源であり、デバイス上に電流を生成する層。
コレクタ (K) — エミッタから来る電荷キャリアを受け入れる層。
ベース (B) — トランジスタの電流を制御する中間層。
トランジスタが回路に接続されると、その電極の 1 つは入力 (入力交流信号のソースがオン)、もう 1 つは出力 (負荷がオン) となり、3 番目の電極は入力と出力に共通になります。ほとんどの場合、エミッタ接地回路が使用されます (図 4)。ベースには 1 V 以下の電圧が印加され、コレクタには 1 V を超える電圧が印加されます (例: +5 V、+12 V、+24 V など)。
図4｜エミッタ接地バイポーラトランジスタの回路図
コレクタ電流は、ベース電流 Ib (Ube によって決定) が流れているときにのみ発生します。Ib が多ければ多いほど、Ik も多くなります。 Ib は mA の単位で測定され、コレクタ電流は数十、数百 mA、つまり 100 mA で測定されます。イビック。したがって、小振幅の交流信号がベースに印加されると、小さなIbが変化し、それに比例して大きなIcも変化します。負荷抵抗コレクタが回路に含まれている場合、信号は入力の形状を繰り返しながらそれに分配されますが、振幅はより大きくなります。増幅された信号。
トランジスタの最大許容パラメータには、まず、コレクタで消費される最大許容電力 Pk.max、コレクタとエミッタ間の電圧 Uke.max、コレクタ電流 Ik.max が含まれます。
制限パラメータを増やすために、単一のハウジング内に最大数百個の並列接続されたトランジスタを収容できるトランジスタ アセンブリが製造されます。
バイポーラトランジスタは現在、特にパルスパワー技術で使用されることが少なくなってきています。これらは MOSFET と複合 IGBT に置き換えられ、このエレクトロニクス分野では議論の余地のない利点があります。
電界効果トランジスタでは、電流は 1 つの符号 (電子または正孔) のみのキャリアの動きによって決まります。バイポーラとは異なり、トランジスタの電流は、導電チャネルの断面積を変化させる電場によって駆動されます。
入力回路には入力電流がないため、この回路の消費電力は実質的にゼロであり、これは間違いなく電界効果トランジスタの利点です。
構造的には、トランジスタは n 型または p 型の導電チャネルで構成され、その端には電荷キャリアを放出するソースとキャリアを受け取るドレインの領域があります。チャネルの断面積を調整するために使用される電極はゲートと呼ばれます。
電界効果トランジスタは、導電チャネルの断面積を変化させることによって回路内の電流を調整する半導体デバイスです。
電界効果トランジスタには、pn 接合の形のゲートと絶縁されたゲートを備えたものがあります。
半導体チャネルと金属ゲートの間に絶縁ゲートを備えた電界効果トランジスタでは、誘電体 - MIS トランジスタ（金属 - 誘電体 - 半導体）、特殊な場合 - 酸化シリコン - MOS トランジスタの絶縁層があります。
内蔵チャネル MOS トランジスタの初期コンダクタンスは、入力信号がない場合 (Uzi = 0)、最大値の約半分になります。電圧 Uzi = 0 で誘導チャネルを持つ MOS トランジスタでは、最初は伝導チャネルがないため、出力電流は存在せず、Ic = 0 になります。
誘導チャネルを持つ MOSFET は MOSFET とも呼ばれます。これらは主に、スイッチング電源などの重要な要素として使用されます。
MOS トランジスタに基づく主要な要素には多くの利点があります。信号回路は制御動作のソースに電気的に接続されず、制御回路は電流を消費せず、両面導電性を備えます。電界効果トランジスタは、バイポーラトランジスタとは異なり、過熱の心配がありません。
トランジスタの詳細については、ここを参照してください。
サイリスタ
サイリスタは、低伝導 (サイリスタが閉じた状態) と高伝導 (サイリスタが開いた状態) の 2 つの定常状態で動作する半導体デバイスです。構造的には、サイリスタには 3 つ以上の pn 接合と 3 つの出力があります。
アノードとカソードに加えて、サイリスタの設計では、制御と呼ばれる 3 番目の出力 (電極) が提供されます。
サイリスタは、電気回路の非接触スイッチング (オンとオフ) 用に設計されています。これらは、高速性と、非常に大きな電流 (最大 1000 A) を切り替える能力が特徴です。それらは徐々にスイッチングトランジスタに置き換えられています。
図 5 - 従来の - サイリスタのグラフィック表示
ダイニスター (2 電極) — 従来の整流器と同様に、アノードとカソードがあります。順方向電圧が特定の値 Ua = Uon で増加すると、ダイニスタが開きます。
サイリスタ (SCR - 3 電極) - には追加の制御電極があります。 Ｕｉｎは、制御電極に流れる制御電流によって変化する。
サイリスタを閉状態に移行するには、逆電圧 (アノードに -、カソードに +) を印加するか、順電流を Iuder 保持電流と呼ばれる値以下に下げる必要があります。
ロック サイリスタ - 逆極性の制御パルスを印加することで閉状態に切り替えることができます。
トライアック (対称サイリスタ) — 電流を両方向に伝導します。
サイリスタは、自動化装置や電流コンバータの近接スイッチや制御可能な整流器として使用されます。交流およびパルス電流回路では、サイリスタの開放状態の時間を変更することができ、したがって負荷に電流が流れる時間を変更することができます。これにより、負荷に分配される電力を調整できます。