Введение в Полупроводниковые Приборы

1.

Введение в Полупроводниковые Приборы
Основа современной
электроники
Управление электрическим
током
Ключевые компоненты: диоды,
тиристоры и другие
Полупроводники — это материалы,
Главная задача полупроводниковых
Среди множества полупроводниковых
компонентов диоды и тиристоры
электрическими свойствами, которые
приборов — прецизионное
управление потоком электрического
выделяются своей значимостью.
позволяют им проводить ток при
тока. Будь то ограничение его
Диоды действуют как односторонние
определенных условиях. Эта гибкость
направления, модуляция его
клапаны для тока, тогда как
делает их идеальными для создания
амплитуды или переключение его
тиристоры предлагают управляемое
электронных компонентов, способных
между состояниями, эти устройства
переключение для цепей высокой
к переключению, усилению и
обеспечивают контроль, необходимый
мощности, каждый из них выполняет
преобразованию сигналов, что
для сложных электронных схем.
критически важные функции в самых
обладающие уникальными
жизненно важно для всех
разных приложениях.
современных технологий.
Эти компоненты являются фундаментальными строительными блоками, позволяющими создавать инновационные и эффективные
электронные системы, от потребительской электроники до промышленных силовых установок.

2.

Диоды
Диод — это фундаментальный двухэлектродный полупроводниковый прибор, который позволяет
электрическому току протекать только в одном направлении. По своей сути, он действует как
односторонний клапан в электрической цепи. Когда напряжение приложено в правильном направлении
(прямое смещение), диод проводит ток с минимальным сопротивлением. Однако, если напряжение
приложено в обратном направлении (обратное смещение), диод практически блокирует поток тока,
предлагая очень высокое сопротивление.
Это однонаправленное свойство делает диоды незаменимыми для множества приложений, особенно для
преобразования переменного тока в постоянный (выпрямление). Их простота и надежность
обеспечивают их широкое использование в практически каждой электронной схеме.
1
2
3
Выпрямительные диоды
Стабилитроны
Светодиоды (LED)
Преобразуют переменный ток в постоянный,
Поддерживают постоянное напряжение на своих
Излучают свет при прохождении через них тока,
формируя основу блоков питания.
выводах при обратном пробое, используются для
широко применяются в освещении и индикации.
стабилизации напряжения.

3.

Тиристоры
Тиристор — это трехэлектродный полупроводниковый прибор, который действует как управляемый переключатель. В отличие от
диода, который проводит ток автоматически при прямом смещении, тиристор требует дополнительного управляющего сигнала на
своем третьем электроде, называемом затвором, чтобы начать проводить ток. После того как тиристор "откроется" (перейдет в
проводящее состояние) с помощью сигнала затвора, он остается открытым до тех пор, пока ток через него не упадет ниже
определенного уровня (ток удержания) или пока не будет приложено обратное напряжение.
Это свойство "фиксации" делает тиристоры идеальными для управления большими токами и напряжениями, особенно в
приложениях силовой электроники, где требуется точное управление включением. Они широко используются в системах
регулирования мощности, пускателях двигателей и инверторах.

4.

Структура и Принцип Работы Диодов
p-n переход
Вольт-амперная характеристика (ВАХ)
Основой любого диода является p-n переход — граница между полупроводниковым
ВАХ диода графически отображает зависимость тока через диод от приложенного к нему
материалом P-типа (с избытком "дырок", положительных носителей заряда) и N-типа (с
напряжения. В прямом направлении она показывает экспоненциальный рост тока после
избытком электронов, отрицательных носителей заряда). На этом переходе формируется
порогового напряжения (обычно 0.7В для кремния). В обратном направлении ток остается
обедненная область, свободная от подвижных носителей заряда, которая создает внутреннее
крайне малым до тех пор, пока не будет достигнуто напряжение пробоя, при котором ток
электрическое поле.
резко возрастает, что может повредить диод (если это не стабилитрон).
Прямое смещение
При подаче положительного напряжения на P-сторону и отрицательного на N-сторону (прямое
смещение) внешнее поле ослабляет внутренний барьер. Это позволяет дыркам из P-области и
электронам из N-области легко перемещаться через переход, создавая значительный ток.
Обратное смещение
Когда положительное напряжение приложено к N-стороне, а отрицательное к P-стороне
(обратное смещение), внешний потенциал увеличивает ширину обедненной области и
усиливает барьер. В результате ток практически не протекает, за исключением очень малого
тока утечки.
Создание p-n перехода
Приложение напряжения
Формирование тока
Соединение полупроводников p- и n-типа формирует основу.
Определение направления потока тока.
Электроны и дырки начинают движение.

5.

Структура и Принцип Работы Тиристоров
Четырехслойная структура (p-n-p-n)
В отличие от диода, тиристор имеет более сложную четырехслойную структуру из чередующихся слоев полупроводников P- и N-типа (p-n-p-n). Эта структура образует три p-n
перехода, что придает тиристору его уникальные управляемые свойства переключения. Управляющий электрод (затвор) обычно подключен к внутреннему P-слою, ближайшему к
катоду.
Отпирание тиристора
Тиристор в выключенном состоянии блокирует ток при приложении прямого напряжения (анод положительный относительно катода). Чтобы включить его, необходимо подать
короткий импульс тока на затвор. Этот импульс инициирует внутренний регенеративный процесс, который быстро переводит тиристор в полностью проводящее состояние с
очень низким падением напряжения, подобно замкнутому переключателю.
Начальное состояние
Открытие
Тиристор закрыт, ток не течет.
Тиристор начинает проводить ток.
Импульс затвора
Запирание
Подача управляющего сигнала на затвор.
Ток падает ниже тока удержания или прикладывается обратное
напряжение.
После отпирания тиристор остается в проводящем состоянии, даже если сигнал затвора будет удален, что является ключевой особенностью. Для его запирания (выключения)
требуется либо уменьшить ток через анод до нуля (или ниже тока удержания), либо приложить к нему обратное напряжение.

6.

Сравнение Характеристик
Хотя и диоды, и тиристоры являются полупроводниковыми приборами, их фундаментальные различия в управляемости и способности
пропускать ток определяют их области применения.
Диоды
Управляемость
Проведение тока
Тиристоры
Неуправляемые: начинают проводить ток
Управляемые: требуют управляющего
при прямом смещении автоматически.
импульса на затвор для включения.
Однонаправленное: пропускают ток только
Однонаправленное (для SCR), но с
в одном направлении.
возможностью "фиксации" включенного
состояния.
Мощность
Выключение
Обычно используются для малых и
Предназначены для управления большими
средних токов, но есть и мощные
токами и напряжениями, часто в силовых
выпрямительные диоды.
цепях.
Происходит автоматически при смене
Требует снижения тока ниже тока
полярности или снятии напряжения.
удержания или принудительного
обратного смещения (коммутации).

7.

Области Применения Диодов
Благодаря своим уникальным свойствам, диоды находят применение в широком спектре электронных устройств:
Защита от перенапряжений
Светодиоды (LED)
Диоды Зенера (стабилитроны)
Светодиоды — это специализированные
выпрямительных мостах, которые
чувствительных компонентов от
прохождении через них тока. Они
преобразуют переменный ток из
скачков напряжения, стабилизируя
произвели революцию в освещении,
розетки в пульсирующий постоянный
напряжение на определенном уровне.
дисплеях и индикации благодаря своей
Выпрямители переменного тока
Основное применение диодов — в
ток, необходимый для большинства
используются для защиты
диоды, которые излучают свет при
энергоэффективности и долговечности.
электронных устройств.
Кроме того, диоды используются в радиоприемниках для демодуляции сигналов, в логических схемах для выполнения
булевых операций и во многих других областях, где требуется однонаправленное проведение тока или его преобразование.

8.

Области Применения Тиристоров
Тиристоры, с их способностью управляемо переключать большие мощности, незаменимы в тяжелой промышленности и высокомощной
электронике:
Регулирование мощности
Преобразователи частоты
Системы управления двигателями
Тиристоры широко используются в
В инверторах и преобразователях
регуляторах напряжения и мощности
частоты тиристоры используются для
Они применяются в схемах плавного
для управления нагревательными
преобразования постоянного тока в
пуска двигателей, предотвращая
элементами, освещением (диммеры) и
переменный или для изменения
высокие пусковые токи, и в системах
другими нагрузками переменного тока,
частоты переменного тока, что
регулирования скорости, обеспечивая
позволяя точно дозировать подаваемую
критично для питания трехфазных
эффективное и контролируемое
мощность.
двигателей с регулируемой скоростью.
функционирование промышленных
электродвигателей.
Также тиристоры находят применение в сварке, зарядных устройствах для аккумуляторов, в источниках бесперебойного питания (ИБП) и в
других системах, где требуется надежное и управляемое переключение больших электрических нагрузок.

9.

Заключение: Выбор между Диодами и Тиристорами
Выбор между диодом и тиристором всегда зависит от конкретных требований к вашей электронной схеме. Оба прибора являются
краеугольными камнями силовой электроники, но выполняют разные роли.
Диоды: Простота и Надежность
Тиристоры: Управление Мощностью
Если ваша задача требует простого однонаправленного потока
Когда же требуется управляемое переключение больших токов
тока или выпрямления без необходимости внешнего
или напряжений, особенно в цепях переменного тока или там,
управления, диод — это идеальное решение. Его простота
где необходима "фиксация" состояния проводимости,
компонентом для широкого круга приложений, от базовых
системах регулирования мощности, инверторах,
выпрямителей до стабилизаторов напряжения и световых
промышленных приводах и других приложениях, где точный
индикаторов. Диод — это "рабочая лошадка" электроники.
контроль над потоком энергии критически важен. Тиристор —
конструкции и надежность делают его универсальным
тиристоры выходят на передний план. Они незаменимы в
это "умный выключатель" для больших нагрузок.
Понимание этих различий позволяет инженерам и разработчикам эффективно проектировать электронные системы, выбирая наиболее
подходящий компонент для достижения желаемой функциональности и производительности.