Prehľad polovodičových súčiastok s PN prechodom a bez neho

Polovodičové súčiastky predstavujú dôležitú oblasť elektroniky. Sú to materiály, ktorých vodivosť sa nachádza medzi vodivosťou kovov a izolantov. Ich významnou vlastnosťou je zmena vodivosti pridaním cudzích látok, pričom na vedení prúdu sa podieľajú dva typy nosičov náboja - záporne nabité elektróny a kladne nabité diery.

Charakteristika polovodičov

Polovodiče sa odlišujú od kovových vodičov a izolantov hlavne tým, že ich vodivosť sa mení v širokom rozmedzí vplyvom rôznych fyzikálnych veličín, ako je zmena teploty, svetla, tlaku a podobne. Pri veľmi nízkych teplotách (v okolí 0 K) sa polovodiče správajú ako izolanty. Na výrobu polovodičových súčiastok sa v súčasnosti používajú hlavne kremík (Si) a germánium (Ge).

Vodivosť polovodičov môže byť:

• Vlastná: Zvýšením teploty elektróny získajú energiu a preskočia do vodivostného pásma. Tým spôsobia vodivosť typu N - elektrónová vodivosť. Po elektrónoch zostanú prázdne miesta, ktoré sa prejavia ako kladné diery, spôsobujú vodivosť typu P - dierová vodivosť. Vo vlastnom polovodiči je rovnaký počet voľných elektrónov a dier.
• Nevlastná: Je spôsobená pohybom elektrónov od prímesí. Nevlastné polovodiče sa používajú na výrobu polovodičových obvodových súčiastok. V týchto polovodičoch sa časť atómov kryštálovej mriežky vlastného polovodiča nahrádza atómami prímesí.

Čistý polovodič má veľmi malú vodivosť, preto sa vo výrobnom procese do polovodičov pridávajú presne stanovené množstvá niektorých prvkov, ktoré majú značný vplyv na zvýšenie vodivosti polovodiča. V prímesových polovodičoch prenáša elektrický prúd zväčša jeden typ nosičov náboja, ktorý je majoritný. Voľné nosiče s opačným nábojom sú zastúpené v značne menšom počte, sú minoritné.

Nevlastné polovodiče typu N (negatívny)

Ak do štvormocného kremíka (alebo germánia) pridáme päťmocný prvok (napríklad fosfor, arzén, antimón), štyri elektróny kremíka a štyri elektróny päťmocného prvku vytvoria kovalentnú väzbu. Jeden elektrón zostane voľný a tým spôsobí vodivosť - donorová vodivosť. Prevládajúce nositele nábojov sú záporne nabité elektróny. Takýto nevlastný polovodič má elektrónovú vodivosť a nazývame ho polovodič N (negatívne nosiče).

Nevlastné polovodiče typu P (pozitívny)

Ak do štvormocného kremíka (alebo germánia) pridáme trojmocný prvok (napríklad bór, hliník, gálium, indium), jedna z väzieb je neobsadená - nenasýtená väzba - diera, do ktorej môže prejsť iný voľný elektrón. Diery podobne ako elektróny sú nositeľmi elektrického náboja, ale kladného. Polovodič má dierovú vodivosť a nazývame ho polovodič P (pozitívne nosiče). Prímesové atómy, ktoré vytvoria polovodič typu P sú akceptory.

PN prechod

PN prechod je rozhranie medzi polovodičom typu P a polovodičom typu N. Je dôležité zdôrazniť, že PN prechod nevzniká mechanickým spojením týchto dvoch typov polovodičov, ale špeciálnymi technologickými postupmi v jednom monokryštáli polovodiča.

Vznik a vlastnosti PN prechodu

Po vytvorení PN prechodu dochádza k difúznemu pohybu majoritných nosičov náboja (dier v P-type a elektrónov v N-type) smerom k priechodu. V oblasti priechodu rekombinujú, čím vznikajú ióny a tzv. vyprázdnená oblasť, známa aj ako potenciálová bariéra. Na PN prechode pôsobí difúzne napätie, ktoré bráni ďalšiemu prechodu majoritných nosičov cez priechod. Umožňuje však prechod minoritných nosičov. Difúzne napätie sa nedá odviesť z kryštalickej mriežky, pretože je tvorené nosičmi priamo v mriežke.

Medzi oblasťami vzniká elektrické pole a potenciálová bariéra, ktorá svojím pôsobením zabráni ďalšiemu premiestňovaniu elektrónov a napätie medzi oblasťami sa ustáli. W - hradlová vrstva - málo vodivá oblasť ochudobnená o nosiče.

Polarizácia PN prechodu

Samotný PN prechod je pre praktické využitie nepostačujúci. Preto sa na oblasti P a N typu nanášajú kovové vrstvičky (napríklad naparovaním), na ktoré sa pripájajú vývody. Týmto spôsobom je možné PN prechod pripojiť na vonkajšie jednosmerné napätie, čo sa nazýva polarizácia PN prechodu. Podľa polarity pripojeného napätia môže byť PN priechod zapojený v dvoch smeroch:

Priama polarizácia (priepustný smer)

Pri priamej polarizácii sú majoritné nosiče odpudzované od elektród smerom k vyprázdnenej oblasti, ktorá sa postupne zmenšuje, až zanikne. Na oblasť P pripojíme kladný pól zdroja a na oblasť N záporný pól zdroja. Nastane pohyb nosičov nábojov - elektróny a diery sú tlačené na PN priechod. Hradlová vrstva sa zúži, potenciálová bariéra sa zníži, odpor priechodu klesá a priechodom tečie prúd. Cez PN prechod prechádzajú majoritné nosiče náboja.

Inverzná polarizácia (záverný, spätný smer)

Pri inverznej polarizácii sa polarita napätia obráti, čím sa potenciálová bariéra medzi P a N oblasťou zväčšuje a vyprázdnená oblasť sa rozširuje. Majoritné nosiče nemôžu prejsť cez PN prechod, a preto prúd obvodom nepreteká. Na oblasť P pripojíme záporný pól zdroja a na oblasť N kladný pól zdroja. Elektróny v polovodiči N a diery v polovodiči P sú od PN priechodu odťahované. Hradlová vrstva sa rozšíri. Potenciálová bariéra sa zvýši, odpor priechodu rastie. Cez PN prechod prechádzajú minoritné nosiče náboja a spôsobujú veľmi malý prúd (takmer nemerateľný) tzv. zvyškový prúd.

Volt-ampérová charakteristika PN prechodu

Volt-ampérová charakteristika (VA charakteristika) je závislosť prúdu pretekajúceho priechodom od napätia medzi vývodmi. V priepustnom smere (uF = f (iF)) tečie prúd pri nízkom napätí nepatrný a až od určitej hodnoty sa značne zväčšuje. VA charakteristika je v priepustnom smere určená prahovým napätím UT0, pri ktorom diódou začína prakticky pretekať prúd. Pre kremíkové diódy sa prahové napätie pohybuje okolo 0,6-0,7 V. Po prekročení prahového napätia prúd a napätie na dióde stúpajú lineárne.

V nepriepustnom smere (uR = f (iR)) je záverný prúd nepatrný a zväčšuje sa až pri napätí UBR - prierazné napätie. Pri zvyšovaní napätia na PN priechode nastáva pri napätí uR = UBR lavínový prieraz, ktorý je nedeštruktívny a môže sa periodicky opakovať. Poškodenie PN priechodu nastáva až pri tepelnom prieraze a to veľkým prúdovým zaťažením, vtedy sa priechod zohrieva.

Polovodičové diódy

Diódy sú najjednoduchšie polovodičové obvodové súčiastky, ktoré využívajú pri svojej činnosti usmerňovacie účinky PN priechodu. Dióda je elektrotechnická súčiastka s dvoma elektródami (anóda a katóda), ktorá sa vyznačuje odlišnou Volt-Ampérovou charakteristikou v závislosti od polarity priloženého napätia. Po pripojení anódy na kladnejšie napätie ako je na katóde, kladie dióda malý odpor priechodu elektrickému prúdu. Pri opačnom zapojení je dióda takmer nevodivá.

Typy polovodičových diód

Podľa funkčného určenia:

• Usmerňovacie diódy (usmerňovače)
• Zenerove diódy - stabilizačné diódy (stabilizátory)
• Kapacitné diódy - varikapy (rezonančné obvody)
• Tunelové diódy (zosilňovače, oscilátory)
• Schottkyho diódy
• Fotodiódy
• Svetelné diódy (LED)

Podľa schopnosti zniesť rôznu záťaž alebo podľa frekvencie striedavého prúdu:

• Nízkofrekvenčné
• Vysokofrekvenčné

Usmerňovacie diódy

Sú to elektronické súčiastky určené na premenu striedavého prúdu na jednosmerný. Využívajú nesymetrickú vodivosť PN priechodu alebo styku kov - polovodič (Schottkyho kontakt). Vyznačujú sa zanedbateľným odporom pri prechode prúdu jednej polarity a veľkým odporom pri prechode prúdu opačnej polarity. Prúd môže diódou prechádzať iba v jednom smere. Striedavý prúd prechádza v jednej polovici periódy prvou dvojicou diód, v druhej polovici periódy druhou dvojicou diód, pričom smer prúdu vystupujúceho z mostíka je stále rovnaký. Pre vyhladenie napätia sa používa tzv. filtračný kondenzátor.

Zenerova dióda (stabilizačná dióda)

Je kremíková plošná polovodičová dióda s veľmi tenkým priechodom PN. Vyznačuje sa prudkým zlomom závernej časti voltampérovej charakteristiky. Pri pôsobení napätia UR v závernom smere vzniká vo vyprázdnenej oblasti veľká intenzita elektrostatického poľa, ktorá spôsobuje vytrhávanie elektrónov z väzieb kryštálovej mriežky. Pri dosiahnutí určitého napätia UR v závernom smere nastane nedeštruktívny prieraz a prudko stúpne prúd IR. Tento druh prierazu sa nazýva Zenerov prieraz. Napätie, pri ktorom nastáva tento prieraz, sa nazýva Zenerovo napätie Uz. Priemyselne vyrábané Zenerove diódy sa konštruujú s ohľadom na určitú konkrétnu hodnotu Zenerovho napätia UZ. Po prekročení UZ sa záverný prúd veľmi rýchlo zväčšuje, ale napätie privedené na diódu cez ochranný rezistor sa mení veľmi málo. Tento jav sa využíva na stabilizáciu napätia. Využitie: jednoduchý stabilizátor napätia - stabilizácia jednosmerného napätia zenerovou diódou.

Schottkyho dióda

Je polovodičová dióda využívajúca usmerňovacie vlastnosti priechodu kov-polovodič (Schottkyho bariéry). Schottkyho diódy sú veľmi rýchle (reverse recovery time v jednotkách ns). Vedenia prúdu sa v Schottkyho dióde zúčastňujú len majoritné nosiče a pri difúzii sa na okrajoch hradlovej vrstvy nekumulujú minoritné nosiče, preto je čas medzi vznikom a zánikom hradlovej vrstvy značne menší. Schottkyho diódy majú veľmi dobré dynamické a statické vlastnosti. Používajú ako detektory, ako spínacie diódy, tiež na usmerňovanie a pod. Ďalej sa využívajú v integrovaných obvodoch na zvýšenie spínacej rýchlosti tranzistorov a v optoelektronike.

Tunelová dióda (Esakiho dióda)

Je polovodičová dióda, ktorá sa vyrába zo silne dotovaného germánia alebo arzenidu gália. Pri spätnom zapojení sa chová ako lineárny rezistor s malým odporom. Oblasť VA charakteristiky so záporným dynamickým odporom vzniká vplyvom tunelového javu. Tunelové diódy sa používajú v oscilátoroch a zosilňovačoch až do veľmi vysokých frekvencií (f = 10GHz).

Varikap (kapacitná dióda)

Je špeciálna polovodičová dióda slúžiaca ako napätím riadený kondenzátor. Šírka priechodu PN (hradlovej vrstvy) je v závernom smere závislá na napätí. S rastúcim napätím sa hradlová vrstva rozširuje, zatiaľ čo kapacita priechodu klesá. Varikapy sa používajú v ladených obvodoch a iných obvodoch vyžadujúcich premennú kapacitu. Správanie tejto diódy opisuje Volt-Faradová charakteristika Cd = f (uR) - je to závislosť kapacity od napätia.

Svetelná dióda (LED)

Svetelná dióda (LED) nie je prijímačom svetla, ale jeho zdrojom. Je to elektronická polovodičová súčiastka, ktorá obsahuje P-N prechod. Svietiaci jav vzniká následkom žiarivej rekombinácie elektrónovo-dierového páru a je formou elektroluminiscencie. LED sa tradične používajú najmä ako indikátory a ako zobrazovacie prvky v segmentových zobrazovačoch a bodových maticových zobrazovačoch. V poslednom čase s nástupom vysokosvietivých LED sa začalo ich využívanie na osvetľovacie účely a v dopravnej svetelnej signalizácii.

Princíp fungovania LED diódy

LED dióda vyžaruje svetlo práve vďaka P-N prechodu, ktorým prechádza elektrický prúd. Oficiálny slovenský názov znie elektroluminiscenčná dióda. Diódy sú väčšinou vybavené tzv. optickým prvkom pre lepší rozptyl svetla. Jedná sa o guľové vrchlíky z epoxidovej živice.

Zloženie LED diódy

Kladný náboj je privádzaný vodičom cez anódu LED diódy do vlákna. Druhá časť diódy je zapojená k vodivému rámu vedúcemu z katódy k zápornému pólu. O farbe vyžarovaného svetla rozhoduje chemické zloženie LED polovodiča. Epoxidová živica, v ktorej sa celé LED svetlo nachádza, má tri hlavné funkcie:

• Dovoľuje priechod maximálnemu množstvu svetla
• Upravuje uhol, pod ktorým sa svetlo šíri
• Chráni LED pred vplyvmi okolia

Vďaka zapuzdreniu je LED dióda takmer nezničiteľná a neobsahuje žiadne voľne pohyblivé časti.

Vývoj LED diód

Pomerne dlho trval vývoj LED diód emitujúcich modré a vysoko svietivé biele svetlo. To z princípu fungovania LED nemožno priamo vyžarovať. Staršie bielo žiariace LED tak obsahovali trojicu čipov miešajúcu farby tak, aby bolo dosiahnuté vnemu bieleho svetla. Pretože nie je možné priamo emitovať biele svetlo, využívajú LED diódy tzv. luminofor. Niektoré priehľadné LED emitujú modré svetlo, časť tohto svetla je priamo na čipe transformovaná luminoforom na žlté svetlo a vďaka miešaniu týchto dvoch farieb vzniká svetlo bielej.

Farebné spektrum LED diód a RGB LED

LED vie vyžarovať jednofarebné svetlo v rámci spektra. Maximálna vlnová dĺžka je určená vlastnosťami materiálu, z ktorého sa skladá LED čip. LED prvky sú vyrábané zo zlúčenín gália a spravidla obsahujú jeden alebo viac ďalších materiálov (napr. fosfor), ktoré spôsobujú požadovanú farebnosť svetla. Biele svetlo vzniká prekrytím všetkých častí viditeľného spektra. Ľudské oko však nepotrebuje všetky časti spektra na to, aby videlo svetlo ako biele. Stačí k tomu zmes troch základných farieb: červenej, zelenej a modrej. Z tejto kombinácie farieb sa dá namiešať akákoľvek iná farba. RGB LED dióda je zložená zo všetkých 3 farieb a je preto možné pomocou tejto jedinej spoločnej diódy dosiahnuť širokého spektra rôznych farieb. Rovnaký spôsob sa používa u monitorov a televízií.

Svetelný výkon LED diód

Svetelný výkon závisí na mnohých veličinách, napríklad druhu čipu, zapuzdrení a účinnosti doštičiek. Niektorí výrobcovia používajú na označenie intenzity svetla termíny ako "super-bright" a "ultra-bright". Takéto označenia sú však subjektívne, pretože neexistuje priemyselný štandard pre označenie svietivosti LED. Svietivosť je úmerná prechádzajúcemu prúdu (If) LED čipom; platí, že čím väčšie množstvo prúdu, tým väčšie množstvo produkovaného svetla. U LED diód platí pravidlo: čím vyšší prúd do nich pustíme, tým jasnejšie svietia. Najčastejšie je dióda nastavená pomocou predradného odporu.

Prúd a teplo v LED diódach

LED dióda je navrhnutá na priechod 20mA prúdu, ale každé použitie má svoje obmedzenia. Čím vyšší prúd, tým aj vyššie množstvo produkovaného tepla. Podobne, vyšší počet LED komponentov na čipe prispieva k teplotnému namáhaniu súčiastok. Nárast napätia znamená aj väčšie množstvo odpadového tepla.

Vyžarovací uhol a zapuzdrenie LED diód

Vyžarovací uhol závisí od druhu LED čipu a šošovky z epoxidovej živice, ktorá láme svetlo a tiež na umiestnení LED diód v svietidle. Svetelný tok z LED je smerový a preto pre vyšší svetelný výkon sa svetlo sústredí do úzkeho lúča. Zapuzdrenie je navrhnuté tak, aby slúžilo ako zosilňovacia šošovka pre svetlo vychádzajúce z LED čipu. Na viditeľnosti vyžarovaného svetla sa podieľa tiež farba zapuzdrenia. Difúzna úprava umožňuje rozptyl svetla v celom zapuzdrení.

Životnosť LED diód

V priemere sa životnosť pohybuje okolo 50 000 hodín. Ak si kúpite žiarovku o životnosti 40 000 hodín a budete svietiť 4 hodiny denne, žiarovka by Vám mala vydržať až 27 rokov. Aby LED osvetlenie vydržalo čo najdlhšie, je potrebné zabezpečiť optimálne chladenie.

Polarita LED diód

Na rozdiel od iných svetelných zdrojov, u ktorých nezáleží na polarite vstupného napätia a tým pádom pracujú na striedavom napätí, LED zapojené nesprávnym smerom nefungujú. Ak je napätie na P-N prechodu zapojených správne, nazývame zapojenie diódy v priepustnom smere. Ak je zapojená opačne, neprechádza cez ňu žiadny prúd a hovoríme, že je zapojená v závernom smere. V posledných rokoch sa na trhu začínajú objavovať tzv. AC COB diódy, fungujúce na striedavé napätie. V tomto prípade je rozsvietená len polovica periódy. Rozsviecujú sa a zhasínajú s frekvenciou striedavého zdroja.

Bezpečnostné opatrenia pri manipulácii s LED diódami

• Statická elektrina a prúdový náraz poškodzujú LED. Odporúča sa používať protistatický náramok alebo rukavicu pri manipulácii s LED svetlami.
• Vodiče by mali byť zahnuté aspoň 3mm od epoxidového zapuzdrenia svetla.
• Vodiče by mali byť upravené tak, aby zodpovedali pripraveným otvorom v doske s plošnými spojmi.
• LED je vhodné podložiť a upevniť do požadovanej pozície.
• Epoxidové zapuzdrenie by sa nemalo dotýkať dosky, aby nedošlo k mechanickému namáhaniu LED.

Fotodióda

Fotodióda je polovodičová súčiastka, ktorá je usporiadaná tak, aby na PN priechod mohlo dopadať svetlo. Je to plošná polovodičová dióda konštrukčne upravená tak, aby do oblasti PN priechodu prenikalo svetlo. Vplyv osvetlenia PN priechodu môžeme sledovať v polarizácii diódy v závernom smere, kedy dochádza k lineárnemu rastu anódového prúdu pri rovnomernom zväčšovaní osvetlenia. Pôsobením dopadajúceho žiarenia vznikajú v polovodiči dvojice elektrón - diera. Na svorkách vzniká pôsobením žiarenia fotoelektromotorické napätie a dopadajúce žiarenie ovplyvňuje odpor PN priechodu v spätnom smere.

Režimy práce fotodiódy

• Odporový režim: Využíva vlastnosti PN priechodu polarizovaného v spätnom smere. Záverný prúd IR sa mení v závislosti od intenzity osvetlenia. Fotodióda sa správa ako odpor ovládaný osvetlením.
• Hradlový režim: Priama premena svetelnej energie na elektrickú energiu. Fotodióda sa správa ako zdroj jednosmerného napätia, ktorého hodnota závisí od intenzity osvetlenia.

Z princípu fotodiódy vyplýva, že môže pracovať bez vonkajšieho zdroja elektrického napätia - hradlové fotodiódy (fotoelektrické články) alebo s vonkajším predpätím v spätnom smere - odporové fotodiódy. Hradlové fotodiódy sa využívajú na konštrukciu kremíkových slnečných batérií (premena žiarivej - svetelnej energie na elektrickú). Odporové fotodiódy sa používajú na zaznamenávanie modulovaného svetla, ako detektory v meracej a regulačnej technike atď.

Tranzistory

Tranzistory sú polovodičové súčiastky, ktoré využívajú vlastnosti PN prechodu na zosilňovanie alebo spínanie elektronického signálu. Sú to aktívne polovodičové súčiastky prevažne s tromi elektródami, ktorá slúži na spracovanie signálov, napr. generovanie, resp. zosilnenie elektrických signálov, premenu neelektrických signálov na elektrické a pod. Z hľadiska princípu činnosti možno tranzistory rozdeliť do dvoch základných skupín: bipolárne a unipolárne (poľom riadené).

Bipolárne tranzistory

Bipolárne tranzistory využívajú dva nosiče náboja (elektróny a diery). Skladajú sa z dvoch PN prechodov oddelených tenkou vrstvou polovodiča. Bipolárny tranzistor je polovodičová súčiastka, ktorá v podstate predstavuje antisériovú kombináciu dvoch prechodov PN, ktoré sú v jednom monokryštáli usporiadané tak, že jedna z oblastí je spoločná pre obidva prechody. Táto spoločná oblasť sa nazýva báza (B). Ďalšie dve oblasti majú opačný typ vodivosti ako báza a nazývajú sa emitor (E) a kolektor (C). Emitor má podstatne väčšiu koncentráciu prímesí ako kolektor. Bipolárny tranzistor je trojvrstvová štruktúra s dvoma PN priechodmi. Tranzistor pracuje len vtedy, ak sú PN prechody správne polarizované.

Unipolárne tranzistory (FET)

Unipolárne tranzistory, známe aj ako tranzistory riadené poľom (FET), sa od bipolárnych líšia tým, že nemajú dva PN prechody a využívajú len jeden druh nosičov náboja (buď elektróny alebo diery). Prúd tranzistorom sa ovláda vonkajším napätím. V unipolárnom tranzistore vytvára prúd len jeden typ nosičov náboja - elektróny alebo diery.

Fototranzistor

Fototranzistory sú polovodičové súčiastky, ktoré využívajú fotoelektrický tranzistorový jav. Ide o bipolárne tranzistory, ktoré môžu, ale nemusia mať vyvedenú bázu. Konštrukčne sú usporiadané tak, aby cez puzdro mohlo dopadnúť svetlo, čím sa menia ich vlastnosti. Využitie fototranzistorov: fotoblesky, elektronické závory.

Viacvrstvové spínacie súčiastky

Viacvrstvové spínacie súčiastky sú polovodičové súčiastky, ktoré obsahujú tri alebo viac PN priechodov. Tieto súčiastky majú 2 stabilné stavy, pričom sa dajú prepínať z blokovacieho nevodivého stavu do priepustného vodivého stavu. Od diód sa odlišujú schopnosťou ovládať nevýkonovým signálom riadiacej elektródy okamih vedenia prúdu vo výkonovom obvode súčiastky.

DIAK

DIAK je trojvrstvová spínacia súčiastka. Pretože vlastnosti diaku nezávisia od polarity pripojeného napätia, jeho vývody sa od seba neodlišujú, t.j. je to súmerná súčiastka. Ak platí, že U < UBO, tak jeden z priechodov je zavretý (má veľký odpor, podobne ako dióda v závernom smere), prechádza ním len malý prúd tvorený minoritnými nosičmi náboja, tomuto stavu hovoríme blokovací stav. Ak U > UBO, tak po dosiahnutí spínacieho napätia UBO nastane nedeštruktívny prieraz záverne polarizovaného priechodu (ionizácia kryštálovej mriežky v okolí priechodu, ktorý bol zavretý), odpor diaku sa náhle zmenší, napätie klesne a prúd stúpne a prejde do vodivého stavu (priepustného). Tento stav je charakterizovaný strmým vzrastom prúdu a poklesom napätia na svorkách diaku; "spínač je zopnutý". Diak je polovodičová spínacia súčiastka funkciou podobná Zenerovej dióde, pokiaľ nie je prekročená určitá veľkosť spínacieho napätia UBO je v nevodivom stave. Používa sa ako predpäťová ochrana, pomocný spínač pre budenie triakov a tyristorov.

Tyristor

TYRISTOR je dvojbranová štvorvrstvová polovodičová súčiastka. Na základnej doštičke polovodičového materiálu sú vytvorené štyri oblasti so striedajúcim sa typom vodivosti. Jedna z vnútorných oblastí tyristora je vyvedená (s vodivosťou P), a nazývame ju riadiaca elektróda. Prúdom zavedeným do riadiacej elektródy možno riadiť spínací pochod v tyristore. Tyristor s riadiacou oblasťou typu P sa označuje PNPN. Je to spínacia polovodičová súčiastka väčšinou s vrstvami pnpn, s troma elektródami A, K, G, určená pre spínania jednosmerného napätia. Má dve pracovné stavy - vodivý a nevodivý. Spína pri dosiahnutí určitého anódového napätia, okamžik zopnutia (potrebná veľkosť anódového napätia) je možné ovplyvňovať veľkosťou prúdu Ig pretekajúceho riadiacou elektródou.

Fototyristor

Fototyristory sú polovodičové súčiastky, ktoré sú z hľadiska vyhotovenia a činnosti rovnaké ako bežné tyristory.

Triak

TRIAK je päťvrstvová bistabilná polovodičová súčiastka typu NPNPN určená pre spínanie striedavého napätia. Je to obojsmerný tyristor. Tento prvok obsahuje v jednom polovodiči dva tyristory spojené antiparalelne. Ak A1 je kladnejšia voči A2 - horná časť triaku je uzavretá, tzn. je zapojená v závernom smere. Dolná časť triaku sa správa ako tyristor; t.j. pri dosiahnutí spínacieho napätia prechádza z blokovacieho stavu do priepustného stavu. Spínacie napätie závisí od veľkosti riadiaceho prúdu. Ak A1 je zápornejšie ako A2 - horná časť triaku sa správa ako tyristor a dolná časť je uzavretá, tzn. je zápornejšia v nepriepustnom smere. Používa sa na reguláciu prúdu prechádzajúceho záťažou pri kladnej aj zápornej polovlne striedavého napätia, prúd až 100A, blokujúce napätie až 600V. Prúdom v jednej riadiacej elektróde je možné určiť okamih zopnutia pri oboch polvlnách striedavého napätia.

Triaky sú veľmi citlivé na spínanie prepätím (napätím vyšším ako je ich max. záverné napätie) - v tomto prípade je potrebné použiť transil. Aby triak spínal, musí byť prekročený na zapínaciu dobu prídržný prúd. Tento prídržný prúd nie je pre obe smery vodivosti presne rovnaký a môže sa stať, že jedna polovica triaku spína nepravidelne. To vedie k vzniku jednosmernej zložky, ktorá presycuje magnetický obvod, čo zväčšuje aj striedavú zložku prúdu. K triaku sa pripojí paralelne sériovo RC člen pre ochranu Tc pred napäťovými prekmitmi od motorov a pod. (100n/1kV, 180/2W) a k odrušeniu sa pred celé zapojenie vloží pí-člen s 2-ma kondenzátormi 100n/1kV a tlmivkou A2/02. Spínací obvod triaku (pre motory) by mal spínať pomocou kondenzátora, ktorý určuje s akou rýchlosťou sa dosiahne uhol otvorenia triaku nastavenej veľkosti. Kondenzátory tak umožňujú funkciu tzv. pomalého (omeškaného) nábehu alebo mäkkého štartu (Soft-Start). Preto ak k takému regulátoru otáčok s triakom bude pripojený univerzálny motor, nemôže sa pri minimálnom uhle otvorenia triaku roztočiť, pretože je brzdený trením. Motor sa roztočí až pri takom uhle otvorenia triaku, pri ktorom je mechanické trenie v motore prekonané. Táto neužitočná doba (Deadtime) môže byť v prípade potreby odstránená tým, že sa do série medzi vývody z regulačného obvodu a riadiaceho kondenzátora zapojí rezistor o vhodnom odpore.

Quadrac (kvadrak)

Je výkonový integrovaný obvod, ktorý obsahuje diak a triak. Ak uvážime, že ekvivalent diaku sú dve antiparalelné diódy a triaku dva antiparalelné tyristory, obsahuje kvadrak 4 integrované súčiastky - preto jeho pomenovanie quadrac. Na 3 vonkajšie vývody sú zapojené obidve výkonové elektródy A1 a A2 a jeden vývod diaku. Kvadrak je súčiastka vhodná pre obvody riadenia spínania jednofázového striedavého prúdu.

TRANSIL

TRANSIL je polovodičová súčiastka, ktorá má veľkú schopnosť pohlcovať napäťové špičky, preto sa využíva v najrôznejších regulátoroch a spínacích obvodoch. Jej štruktúra aj voltampérová charakteristika pripomínajú Zenerove diódy. Ak je privedené napätie nižšie ako prahové, tak sa v obvode prakticky neuplatňuje. Po prekročení prahového napätia sa otvorí a napätie obmedzí na veľkosť danú prahovým napätím. Pre zatvorenie transilu stačí, aby napätie kleslo pod hodnotu vypínacieho napätia. Toto napätie je o niečo menšie ako napätie prahové. Transil je konštruovaný na veľké impulzné prúdy a navyše je u neho garantované, že po značnom preťažení nedôjde k jeho prerušeniu, ale naopak sa skratuje. Tým ochráni pripojené zariadenie pred zničením prepätím. Transily sa vyrábajú ako jednosmerné alebo obojsmerné. Jednosmerný chráni proti prepätiu jednej polarity. Pri opačnej polarite sa chová ako dióda, takže sa dá použiť aj ako ochrana proti nesprávnej polarizácii napätia na vstupe. Obojsmerný transil chráni proti prepätiu oboch polarít. Nahradiť transil obyčajnou Zenerovou diódou je síce možné, ale nie je to vhodné, pretože transil je špeciálne stavaný na toto použitie.

Súčiastky bez PN prechodu

Hoci PN prechod je základným stavebným prvkom mnohých polovodičových súčiastok, existujú aj také, ktoré ho nevyužívajú. Medzi ne patria napríklad termistory, magnetorezistory a Hallove články.

Termistor

Termistor je polovodičová súčiastka bez PN prechodu, vyrobená z polykryštalického materiálu, ktorého odpor závisí od teploty. Existujú dva typy: NTC (odpor klesá so zvyšujúcou sa teplotou) a PTC (odpor rastie so zvyšujúcou sa teplotou). Využitie termistorov: počítanie predmetov na dopravníkoch, meranie otáčok motora.

Magnetorezistor

Magnetorezistor je dvojpólová súčiastka, ktorej odpor závisí od indukcie magnetického poľa. Ak sa nezmení magnetická indukcia, nezmení sa ani odpor.

Hallov článok

Princíp Hallovho článku je založený na Hallovom jave - polovodičovým plátkom prechádza prúd. Kolmo na rovinu plátku pôsobí magnetické pole s indukciou B, ktorá spôsobí, že v smere kolmom na smer prúdu sa objaví rozdiel potenciálov.

Fotoelektrické súčiastky

Fotoelektrické súčiastky využívajú fotoelektrický jav, teda premenu svetelnej energie na elektrickú energiu. Okrem fotodiód, o ktorých už bola reč, sem patria aj iné prvky.

Rozdelenie fotoelektrických prvkov

• Aktívne: Fotočlánky (solárne batérie) - slúžia ako zdroj elektrickej energie.
• Pasívne: Fotorezistory, fotodiódy, fototranzistory, fototyristory - menia svoje elektrické vlastnosti v závislosti od osvetlenia.

Fotorezistor

Fotorezistor (LDR) je polovodičová súčiastka, ktorej odpor sa mení v závislosti od intenzity osvetlenia. Na výrobu fotorezistorov citlivých na viditeľné svetlo sa používa sírnik kadmia (CdS).

Výhody fotorezistora

• Nízka cena
• Veľká citlivosť na dopadajúce žiarenie
• Veľký pomer odporov pri osvetlení a za tmy

Nevýhody fotorezistora

• Veľká teplotná závislosť
• Zotrvačnosť (pomalé zmeny elektrických vlastností pri rýchlych zmenách osvetlenia)

Využitie fotorezistora

• Jednoduchý fotospínač

Zobrazovacie jednotky

Zobrazovacie jednotky, najčastejšie 7-segmentové, sa používajú na zobrazovanie čísiel, písmen a iných znakov. Jeden segment sa skladá z 1 až 3 LED diód. Využitie zobrazovacích jednotiek: elektrické prístroje, elektrické hodiny, elektrické kalkulačky.

Optoelektronické spájacie členy - Optróny

Optróny vznikajú spojením LED diódy a fotorezistora alebo LED diódy a fototranzistora do uzavretého priestoru. Sú vhodné ako spájací člen dvoch elektronických obvodov, ktoré pracujú s rôznymi napäťovými úrovňami. Využitie optoelektroniky: zapojenie na meranie osvetlenia, riadenie svetla.

tags: #polovodicove #suciastky #bez #priechodu #pn