Spis treści:
Artykuł ma za zadanie przedstawienie półprzewodnikowych przyrządów mocy jakimi są urządzenia elektroniczne, które wykorzystują półprzewodniki do przekształcania, sterowania i regulacji energii elektrycznej o dużej mocy. Są one stosowane w różnych dziedzinach, takich jak elektronika przemysłowa, motoryzacja, energetyka czy telekomunikacja.
Półprzewodnikowe przyrządy mocy
Najpopularniejsze przykłady półprzewodnikowych przyrządów mocy to:
- Diody mocy: Diody są wykorzystywane do prostowania i stabilizacji napięcia oraz prądu. Zastosowanie diod mocy występuje w zasilaczach, falownikach, układach ochrony przed przepięciami, układach ładowania akumulatorów itp.
- Tranzystory mocy: Tranzystory bipolarny (NPN, PNP) lub unipolarny (MOSFET, IGBT) są wykorzystywane do sterowania i regulacji mocy w układach elektronicznych. Są one stosowane w przetwornikach, falownikach, regulatorach napięcia i wielu innych aplikacjach, gdzie potrzebna jest duża moc.
- Tyrystory: Tyrystory są wykorzystywane w układach sterowania, falownikach, rozrusznikach, falownikach, układach oświetleniowych zasilanych z sieci elektrycznej i innych aplikacjach, gdzie potrzebne jest sterowanie większą mocą.
- Triaki i inne elementy przełączające: Triaki są półprzewodnikowymi odpowiednikami tyrystorów. Są one stosowane w układach sterowania fazowego, regulacji napięcia i prądu, oświetleniu wykorzystującym przemienniki i wiele innych aplikacjach, gdzie potrzebne jest sterowanie jednofazowe lub trójfazowe.
- Wszystkie te elementy mają swoje unikalne cechy i zastosowania, ale łączy je fakt, że wykorzystują półprzewodniki do przetwarzania energii elektrycznej o dużej mocy. W tym artykule zostaną omówione diody półprzewodnikowe.
Materiały półprzewodnikowe
Materiały wykorzystywane do budowy urządzeń elektronicznych w zależności od ich wartości dzielimy na metale oraz niemetale (półprzewodniki, dielektryki). Powszechnie stosowanymi materiałami półprzewodnikowymi są krzem i german (należą one do IV grupy układu okresowego pierwiastków).
Materiały półprzewodnikowe są wytwarzane w postaci monokryształu, co oznacza, że w sieci krystalicznej są związane wiązaniami kowalencyjnymi. Wyróżnia się półprzewodniki samoistne, czyli półprzewodniki niezawierające obcych atomów w sieci krystalicznej, oraz półprzewodniki niesamoistne, czyli takie, które w swojej sieci krystalicznej zawierają inny atom. Powstaje wtedy tzw. domieszka. Rozróżnia się dwa rodzaje domieszek: akceptorową oraz donorową. Półprzewodnik, który w swojej strukturze sieci krystalicznej zawiera atomy pierwiastków V grupy układu okresowego pierwiastków, nazywa się półprzewodnikiem typu N (domieszka donorowa). Półprzewodnik, który w swojej strukturze sieci krystalicznej zawiera atomy pierwiastków III grupy układu okresowego pierwiastków, nazywa się półprzewodnikiem typu P (domieszka akceptorowa).
Złącze PN
Połączenie się dwóch kryształów ciała stałego w taki sposób, że tworzą ścisły kontakt, nazywamy złączem. Najczęściej spotykany w elektronice typ złącza to półprzewodnik–półprzewodnik. Złącze powstałe w wyniku połączenia półprzewodnika typu P z półprzewodnikiem typu N nazywamy złączem PN.
Polaryzacja złącza to stan, jaki występuje w złączu pod wpływem przyłożenia z zewnątrz potencjałów do dwóch różnych obszarów złącza.
- Polaryzacja złącza w kierunku przewodzenia
Jeżeli do półprzewodnika typu P przyłożymy potencjał dodatni (+), a do półprzewodnika typu N potencjał ujemny (–), to złącze jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia.
- Polaryzacja złącza w kierunku zaporowym
Jeżeli do półprzewodnika typu N przyłożymy potencjał dodatni (+), a do półprzewodnika typu P potencjał ujemny (–), to złącze jest spolaryzowane w kierunku zaporowym.
Przebicie złącza to trwałe zniszczenie lub uszkodzenie złącza pod wpływem gwałtownego wzrostu prądu przy polaryzacji w kierunku zaporowym.
Diody półprzewodnikowe
Dioda półprzewodnikowa to element wykonany z półprzewodnika, zawierającego jedno złącze PN, z którego wyprowadzone są dwie końcówki – anoda (A) i katoda (K). Diody półprzewodnikowe są jednym z podstawowych elementów elektronicznych. Są to elementy, które pozwalają na przepływ prądu tylko w jednym kierunku i blokują go w przeciwnym kierunku. Diody półprzewodnikowe wykonane są z półprzewodnikowego materiału, takiego jak krzem lub german. Mają strukturę złączową, czyli złącza p-n, które składa się z dwóch obszarów p- i n-półprzewodników. Główne cechy diod półprzewodnikowych to tylko jednokierunkowy przepływ prądu, małe napięcie progowe oraz szybki czas trwania przełączania się diody z jednego stanu do drugiego.
Podział diod półprzewodnikowych
Diody prostownicze „prostują” napięcie lub prąd zmienny o małej częstotliwości, przetwarzając go na prąd jednokierunkowy; przewodzą prąd dopiero po przekroczeniu określonej wartości napięcia w kierunku przewodzenia (dla diod krzemowych wynosi ona ok. 0,7 V, a dla germanowych ok. 0,2 V).
Diody stabilizacyjne stabilizują lub ograniczają napięcie mimo znacznych zmian natężenia prądu. Pracują przy polaryzacji w kierunku zaporowym (np. diody Zenera).
Diody pojemnościowe (warikapy, waraktory) pracują przy polaryzacji zaporowej. Charakteryzują się zmienną pojemnością sterowaną napięciem. Im wyższe napięcie, tym mniejsza pojemność diody.
Diody przełączające (impulsowe) charakteryzują się niewielkim czasem przełączania przy zmianie polaryzacji między kierunkiem przewodzenia a kierunkiem zaporowym (np. diody Schottky’ego).
Diody tunelowe prostują, generują i wzmacniają przebiegi elektryczne w częstotliwościach mikrofalowych.
Diody elektroluminescencyjne (LED) to diody świecące.
Fotodioda – w fotodiodach prąd wsteczny jest proporcjonalny do intensywności światła padającego na złącze pn.
Charakterystyka prądowo-napięciowa diody prostowniczej
Diody półprzewodnikowe znajdują duże zastosowanie w różnych dziedzinach, zarówno w elektronice, jak i w innych gałęziach techniki dlatego jako elementy półprzewodnikowe są takie ważne i warto posiadać o nich dużą wiedzę. Przykładowe zastosowanie to:
- Prostowniki: Diody półprzewodnikowe stosowane są w układach prostownikowych do zamiany prądu zmiennego na prąd stały.
- Ogniwa fotowoltaiczne: Diody półprzewodnikowe służą do konwersji energii świetlnej na energię elektryczną w ogniwach fotowoltaicznych.
- Diody LED: to popularne źródła światła o niskim poborze energii, znajdujące zastosowanie w oświetleniu, wskaźnikach, wyświetlaczach i innych urządzeniach.
- Detektory – Fotodiody: stanowią podstawowy element w różnego rodzaju czujnikach światła oraz w komórkach fotoelektrycznych.
Diody półprzewodnikowe są nieodłącznym elementem wielu układów elektronicznych, w tym również układów scalonych, mikrokontrolerowych spełniając rolę do tworzenia struktur prostowniczych, stabilizacyjnych, kompensacyjnych i ochronnych . Elementy takie jak diody półprzewodnikowe są elastyczne i stosunkowo niezawodne, dlatego są wszechstronne i niezbędne również w dzisiejszej technice.
