Halvlederelektronikk

Pinnedioden

En stiftdiode er et pn-kryss med en urenhetsprofil som er skreddersydd slik at et iboende lag, “i-regionen”, er klemt mellom et lag og et n-lag. Stiftdioden har funnet bred anvendelse i mikrobølge-kretser. Den kan brukes som en mikrobølgebryter med i det vesentlige konstant uttømmingslags kapasitans (lik den for en parallellplatekondensator som har en avstand mellom platene som er lik i-regionens tykkelse) og høy kraftbehandlingsevne.

Bipolare transistorer

Denne typen transistor er en av de viktigste av halvlederenhetene. Det er en bipolar enhet ved at både elektroner og hull er involvert i ledningsprosessen. Den bipolare transistoren leverer en endring i utgangsstrøm som svar på en endring i inngangsspenning ved basen. Forholdet mellom disse to endringene har motstandsdimensjoner og er en "overføring" -egenskap (input-to-output), derav navnet transistor.

Et perspektivriss av en bipolar transistor av silisium pnp er vist i figur 4A. I utgangspunktet er den bipolare transistoren fremstilt ved først å danne et n-type område i p-typen substrat; deretter dannes ap ⁺ -region (veldig sterkt dopet p-type) i n-regionen. Ohmiske kontakter er laget til de øverste p ⁺ og n-områdene gjennom vinduene som er åpnet i oksidlaget (en isolator) og til p-regionen i bunnen.

En idealisert, endimensjonal struktur av den bipolare transistoren, vist i figur 4B, kan betraktes som et utsnitt av anordningen langs de stiplede linjene i figur 4A. Det sterkt dopede p ⁺ -området kalles emitteren, den smale sentrale n-regionen er basen, og p-regionen er samleren. Kretsarrangementet i figur 4B er kjent som en vanlig basiskonfigurasjon. Pilene indikerer strømningsretningen under normale driftsforhold - nemlig senderen-base-krysset er forspent og basissamler-krysset er revers-partisk. Den komplementære strukturen til den pnp bipolare transistoren er den npn bipolare transistoren, som oppnås ved å bytte p for n og n for p i figur 4A. Strømmen og spenningspolariteten er alle reversert. Kretssymbolene for pnp- og npn-transistorer er gitt i figur 4C.

Den bipolare transistoren er sammensatt av to tett koblede pn-kryss. Emitter-base p ⁺ -n-krysset er forspent og har lav motstand. De fleste bærere (hull) i p ⁺ -emitteren blir injisert (eller sendt ut) i basisregionen. Grunnsamlerens np-krysset er omvendt partisk. Den har høy motstand, og bare en liten lekkasjestrøm vil strømme over krysset. Hvis basisbredden er tilstrekkelig smal, kan de fleste hullene som er injisert fra emitteren imidlertid strømme gjennom basen og nå samleren. Denne transportmekanismen gir opphav til den rådende nomenklatur: emitter, som avgir eller injiserer bærere, og samler, som samler disse transportørene som er injisert fra et nærliggende kryss.

Strømforsterkningen for den vanlige basekonfigurasjonen er definert som endringen i kollektorstrøm dividert med endringen i emitterstrøm når basis-til-kollektorspenningen er konstant. Typisk strømbasert forsterkning i en godt designet bipolar transistor er veldig nær enhet. Den mest nyttige forsterkerkretsen er den vanlige emitterkonfigurasjonen, som vist i figur 5A, der en liten endring i inngangsstrømmen til basen krever liten strøm, men kan føre til mye større strøm i utgangskretsen. En typisk utgangsstrømspenningskarakteristikk for den vanlige emitterkonfigurasjonen er vist i figur 5B, hvor kollektorstrømmen I _C er plottet mot emitter-kollektorspenningen V _EC for forskjellige basestrømmer. Et numerisk eksempel er gitt ved bruk av figur 5B. Hvis V _EC er fast på fem volt og basestrømmen I _B varieres fra 10 til 15 mikroamper (μA; 1 μA = 10 ⁻⁶ A), vil kollektorstrømmen I _C endres fra omtrent fire til seks milliamper (mA; 1 mA = 10 ⁻³ A), som kan leses fra venstre akse. Derfor gir et økning på 5 μA i inngangsbasestrømmen et økning på 2 mA i utgangskretsen - en økning på 400 ganger, og inngangssignalet blir dermed vesentlig forsterket. I tillegg til deres bruk som forsterkere, er bipolare transistorer nøkkelkomponenter for oscillatorer og puls- og analoge kretsløp, så vel som for høyhastighetsintegrerte kretsløp. Det finnes mer enn 45 000 typer bipolare transistorer for lavfrekvent drift, med effektutganger opptil 3000 watt og en nåværende rangering på mer enn 1000 ampere. Ved mikrobølgefrekvenser har bipolare transistorer kraftuttak på mer enn 200 watt ved 1 gigahertz og omtrent 10 watt ved 10 gigahertz.

tyristorer

Tyristorene utgjør en familie av halvlederenheter som har bistabile egenskaper og kan skiftes mellom en høy-motstandsdyktig, lav strøm "av" tilstand og en lav motstand, høy strøm "på" tilstand. Driften av tyristorer er nært knyttet til den bipolare transistoren, der både elektroner og hull er involvert i ledningsprosessene. Navnet tyristor er avledet fra elektronrøret som kalles gass-tyratron, siden de elektriske egenskapene til begge enhetene er like i mange henseender. På grunn av deres to stabile tilstander (av og på) og lave effekttillføringer i disse tilstandene, brukes tyristorer i applikasjoner som spenner fra hastighetskontroll i hvitevarer til svitsjing og strømkonvertering i høyspent transmisjonslinjer. Mer enn 40 000 typer tyristorer er tilgjengelige, med nåværende karakterer fra noen få milliamper til mer enn 5000 ampere og spenningsvurderinger som strekker seg til 900 000 volt.

Figur 6A gir et perspektivriss av en tyristorkonstruksjon. En skive av n-type er generelt valgt som startmateriale. Deretter brukes et diffusjonstrinn for å danne pl- og p2-lagene samtidig ved å spre skiven fra begge sider. (Diffusjon er bevegelse av urenhetsatomer inn i den krystallinske strukturen til en halvleder.) Til slutt diffunderes n-type urenheter atomer gjennom et ringformet vindu i et oksid inn i p2-regionen for å danne n2-laget.

Et tverrsnitt av tyristoren langs de stiplede linjene er vist i figur 6B. Tyristoren er en firlags pnpn-diode med tre pn-koblinger i serie. Kontaktelektroden til det ytre p-laget (pl) kalles anoden, og den til det ytre n-laget (n2) betegnes katoden. En ekstra elektrode, kjent som portelektroden, er koblet til det indre p-laget (p2).

Den grunnleggende strømspenningskarakteristikken til en tyristor er illustrert i figur 6C. Den viser tre forskjellige regioner: den fremoverblokkerende (eller av) tilstanden, den fremoverførende (eller på) tilstanden og den motsatt blokkerende tilstanden, som er lik den for et omvendt partisk pn-kryss. Dermed er en tyristor som opereres i det fremre området en bistabil enhet som kan bytte fra en høy-motstand, lav strøm av tilstand til en lav motstand, høy strøm på tilstand, eller omvendt.

I frem-av-tilstand faller mesteparten av spenningen over sentrum n1-p2-krysset, mens i frem-til-tilstand er alle tre veikryssene forspent. Den fremre strømspenningskarakteristikken kan forklares ved hjelp av metoden til en to-transistor-analog - det vil si å betrakte enheten som en pnp-transistor og en npn-transistor koblet til basen til en transistor (n1) festet til samleren til samleren annen. Når spenningen V _AK i figur 6C øker fra null, vil strømmen I _A øke. Dette fører igjen til at nåværende gevinst for begge transistorer øker. På grunn av den regenererende karakteren av disse prosessene skjer det endelig bytte, og enheten er i sin tilstand. Den maksimale forspenningen som kan påføres enheten før du bytter, kalles foroverbryter-spenningen V _BF. Størrelsen på V _BF avhenger av portstrømmen. Høyere portstrømmer gjør at strømmen I _A øker raskere, forbedrer regenereringsprosessen og bytter ved lavere overgangsspenning. Effekten av portstrøm på koblingsatferden er vist i figur 6C (stiplet linje).

En toveis, tre-terminal tyristor kalles en triac. Denne enheten kan bytte strøm i begge retninger ved å påføre en liten strøm med enten polaritet mellom porten og en av de to hovedterminalene. Triacen er produsert ved å integrere to tyristorer i en omvendt parallell forbindelse. Den brukes i vekselstrømapplikasjoner som lysdemping, motorhastighetskontroll og temperaturregulering. Det er også mange lysaktiverte tyristorer som bruker et optisk signal for å kontrollere omkoblingsatferden til enheter.