1 правила за работа на полупроводникови прибори. Класификация на полупроводникови устройства и тяхното приложение в преобразуватели на енергия и предаване на информация
ВЪВЕДЕНИЕ
Трудно е да си представим съвременния свят без него полупроводникови устройства. Те отварят големи възможности в различни области на науката, технологиите, ежедневието, медицината, военната и космическата индустрия.
Основната цел на дипломния проект е разработването на стендове за изучаване и изследване на полупроводникови устройства, използващи съвременни компоненти на оборудването "Основи на аналоговата електроника", предназначени за бързото развитие на лабораторна работилница в разделите на курсовете "Електронно инженерство", „Индустриална електроника“, „Електроника и микроелектроника“.
Проектът адресира следните проблеми:
класификация на полупроводникови устройства и тяхното приложение в преобразуватели на енергия и предаване на информация;
система от символи за диоди и транзистори. Основни характеристики и параметри. Методи за охлаждане. Изчисляване на товароносимост;
изследване на силови полупроводникови устройства на лабораторния стенд;
специални видове диоди. Системата от символи. Основни характеристики и параметри;
транзистори. Нотационна система. Основни характеристики и параметри;
мерки за защита на труда и безопасност по време на работа;
технико-икономическо изчисление;
безопасност при извънредни ситуации.
КЛАСИФИКАЦИЯ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВИ ПРИБОРИ И ТЯХНОТО ПРИЛОЖЕНИЕ В ЕНЕРГИЙНИ ПРЕОБРАЗУВАТЕЛИ И ПРЕДАВАНЕ НА ИНФОРМАЦИЯ
Предназначение и класификация на полупроводниковите устройства
Полупроводниковите устройства са електронни устройства, чиято работа се основава на електронни процеси в полупроводниците. В електрониката полупроводниковите устройства се използват за обработка на електрически сигнали, както и за преобразуване на една форма на енергия в друга. Полупроводниковите устройства се делят на дискретни и интегрирани.
Дискретните полупроводникови устройства се изработват като отделни устройства, различават се по предназначение, тип характеристики, вид материал, принцип на действие, обхват, дизайн и технология. Основните им класове включват:
електропреобразувателни устройства (диодни, транзисторни, тиристорни и други);
оптоелектронни устройства, преобразуващи светлинни сигнали в електрически сигнали и обратно (фоторезистор, фотодиод, фототранзистор, полупроводников лазер, излъчващ диод и др.);
термоелектрически, преобразуващи топлинната енергия в електрическа и обратно (термоелемент, термоелектрически генератор, термистор и др.);
магнитоелектрически устройства (измервателен преобразувател на базата на ефекта на Хол);
пиезоелектрически и тензометрични инструменти, които реагират на промени в налягането или механично изместване.
Интегралните полупроводникови устройства са активни елементи на интегралните схеми. Интегралните схеми се състоят от интегриран диод, транзистор, тиристор, резистори, кондензатори и връзки между тях. Елементите на интегралните схеми се създават в един технически цикъл върху един полупроводников чип. Ако пасивните елементи са направени отделно върху диелектричен субстрат, а активните елементи са инсталирани във веригата под формата на дискретни полупроводникови устройства без пакети, тогава интегралната схема се нарича хибридна.
Интегрираните системи се класифицират по област на използване (аналогови и цифрови). Цифровите включват логически интегрални схеми, интегрални схеми за преобразуване и памет. Аналоговите интегрални схеми обхващат усилващи устройства, вторични захранвания, микровълнови вериги.
В зависимост от използвания полупроводников материал се разграничава германий. Силиций, галиев арсенид и други устройства.
По конструктивни и технологични характеристики полупроводниковите устройства се разделят на точкови и планарни. Планарните от своя страна се делят на дифузионни, мезапланарни, планарни и др. Основната технология на полупроводниковите устройства е планарната технология.
В зависимост от мощността на преобразуваните сигнали се разграничават полупроводникови устройства с ниска мощност (токове до 10А) и силови полупроводникови устройства (PSD).
Използване на полупроводникови устройства в преобразуватели на енергия и предаване на информация.
Преобразувателят на електрическа енергия е електрическо устройство, предназначено да преобразува параметрите на електрическата енергия (фиг. 1.1)
Фиг. 1.1. Класификация по естеството на трансформацията
Токоизправители
Токоизправителите се делят на токоизправители за ток и за напрежение.
В токоизправителите изходният ток протича в една посока и моментните стойности на изходното напрежение могат да променят полярността. Като вентили се използват диоди и тиристори.
В токоизправителите на напрежение изходното напрежение не променя полярността, но изходният ток може да обърне посоката. Те използват диоди и транзистори или заключващи се тиристори като вентили.
В момента основното приложение са токоизправителите. Те се обсъждат в тази и следващите глави. За краткост оттук нататък ще ги наричаме просто токоизправители, като пропускаме думата ток.
Токоизправителите за напрежение са по-сложни и ще бъдат разгледани по-късно. Токоизправителите се класифицират според редица характеристики (фиг. 1.2).
Ориз. 1.2 Класификация на токоизправителите
1. Според броя на фазите токоизправителите се разделят:
а) на монофазни, които се захранват от еднофазна мрежа;
б) на многофазни, които се захранват от многофазна мрежа.
2. По броя на коригираните полувълни токоизправителите се разделят:
а) за една половин вълна;
б) на две полувълни.
3. Според конструкцията на веригите токоизправителите се разделят на:
а) нула (едноциклен, в който токът вторична намоткатрансформатори потоци в една посока);
б) мост (push-pull, при който токът протича през вторичната намотка на трансформаторите в две посоки). В мостова верига може да липсва трансформатор.
4. По мощност токоизправителите се разделят на следните:
а) ниска мощност (до стотици вата);
б) средна мощност (до десетки киловати);
в) голяма мощност (стотици и хиляди киловати).
5. Според възможностите за управление токоизправителите се разделят:
а) на неконтролирано, направено на диоди;
б) на контролирани, направени на тиристори.
На фиг. 1.3 е показана обобщена блокова схема на токоизправител, съдържащ мрежов филтър SF, трансформатор T, вентилен блок VB, изглаждащ филтър SGF, стабилизатор ST, система за управление SU и товар N. Енергията от мрежата се подава през мрежов филтър, който служи за намаляване на вредното въздействие на токоизправителя върху захранващата мрежа. Трансформаторът се използва за съгласуване на изправеното напрежение и мрежовото напрежение, както и за потенциално разделяне на товара и мрежата. Вентилният блок служи за коригиране на променлив ток. Изглаждащият филтър извършва филтриране (изглаждане) на изправеното напрежение. Стабилизаторът гарантира, че необходимата стойност на постоянното напрежение на товара се поддържа с необходимата точност при условия на промени в мрежовото напрежение и тока на натоварване. Системата за управление в управлявания токоизправител осигурява регулиране на изправеното напрежение.
Ориз. 1.3. Обобщена блокова схема на токоизправителя
Не е задължително всички от тези блокове да присъстват във веригата. В зависимост от изискванията, всички блокове, с изключение на WB, може да липсват. В повечето случаи обаче е необходим и трансформатор. Следователно в бъдеще процесите се разглеждат за множеството T - WB. Наличието на изглаждащ филтър оказва значително влияние върху режима на работа на токоизправителя и неговите елементи. В този случай от съществено значение е естеството на входната верига на изглаждащия филтър, което определя, заедно с външното натоварване, вида на натоварването на токоизправителя.
Възможен следните видоветовари на токоизправителя (включително филтър):
а) активен;
б) активно-индуктивен (например токоизправителят работи върху намотката на възбуждане на двигателя);
в) активно-индуктивен с противоЕМП (токоизправителят работи върху котвата на двигателя);
г) активно-капацитивен (капацитивен филтър).
С оглед на сложността на изчисленията на токоизправителите, анализът на процесите в тях в първо приближение се извършва при опростени допускания за индуктивността на товара. Приема се, че или индуктивността във веригата на изправен ток L d=0, или L d =∞.
инвертори
Класификация на инверторите
Инвертирането е преобразуване на постоянен ток в променлив ток. Има два вида инвертори: подчинени и самостоятелни.
Подчинените инвертори (SI) работят в мрежа, която има други източници на електроенергия. Превключващите вентили в тях се извършват за сметка на енергията на тази мрежа. Честотата на изхода на VI е равна на честотата на мрежата, а напрежението е равно на напрежението на мрежата.
Самостоятелните инвертори (AI) са инвертори, които работят в мрежа, в която няма други източници на електроенергия. Превключващите вентили в тях се осъществяват чрез използване на напълно контролирани вентили или изкуствени превключващи устройства. В този случай честотата на изхода на AI се определя от контролната честота, а напрежението се определя от параметрите на натоварване и системата за управление.
Най-често задвижваните инвертори се използват, когато е необходимо механичната енергия, съхранявана в масите на маховика на електродвигателя и работната машина, да се прехвърли обратно към мрежата. Спирането на електрическото задвижване, осъществено по този начин, е най-енергийно ефективно. Количеството възстановена енергия може да бъде доста голямо.
Автономните инвертори се използват за получаване на регулируема честота в AC задвижванията, както и за получаване на повече високи честотив електротермични и електротехнологични инсталации. Те са основната част от честотните преобразуватели.
Преминаване от токоизправител към инверторен режим
Подчинените инвертори се изработват по същите схеми като управляваните токоизправители. Преходът от токоизправител към инверторен режим е възможен в система (Фигура 1.4 a), съдържаща токоизправител и електрическа кола(EM). Реактор (индуктивност Лг) между токоизправителя и ЕМ поема разликата между моментните стойности на ЕМП на токоизправителя и ЕМП на двигателя. Фигура 1.4b показва диаграми на токове и напрежения, илюстриращи процесите в токоизправител, зареден на ЕМ, работещ в двигателен режим. ЕМП на токоизправителя се създава основно от положителните участъци на полувълните на напрежението и средната му стойност е положителна. PED на двигателя също е положителен.
Ако ъгълът на управление се увеличи до 90 °, тогава EMF на токоизправителя ще намалее до нула и двигателят ще спре. В този случай ЕМП на токоизправителя се създава еднакво от положителните и отрицателните секции на полувълните на напрежението (Фигура 1.4 c).
Промяната на посоката на потока на мощността в система, съдържаща клапани, е възможна само чрез втория метод, описан по-горе. За да преминете от токоизправител към инверторен режим, трябва:
1) завъртете ЕМ в другата посока, като му подадете механична енергия и го прехвърлите в режим на генератор;
2) увеличете ъгъла на управление (повече от 90 °), за да използвате предимно отрицателните секции на полувълните на мрежовото напрежение и да направите средната стойност на инверторната EMF отрицателна (Фигура 1.4 d).
При описание на процесите в подчинения инвертор, в допълнение към ъгъла на управление a (ъгъл на забавяне), се използва ъгъл на управление b (ъгъл на изпреварване), измерен от точка, разположена на 180 ° от естествената точка на превключване. следователно β = 180°-α.
Контролен ъгъл β не може да достигне 0°, т.к отнема време за възстановяване на блокиращите свойства на тиристора в посока напред (Фигура 1.4 d).
Ориз. 1.4. Преход от коригиран към инверторен режим в трифазна нулева верига (а); b, c, d – диаграми на токове и напрежения при различни ъгли α.
Настройка и външни характеристики на подчинения инвертор
Преобразувател, който може да работи както в токоизправителен, така и в инверторен режим, се нарича подчинен преобразувател. Фигура 1.5 показва външните и управляващите характеристики на подчинения инвертор в режим на непрекъснат ток, заедно с характеристиките на токоизправителя.
Фиг.1.5. Регулиращи характеристики на преобразувателя в непрекъснат и прекъсващ режим при работа на SMDS (a) и неговите външни характеристики в непрекъснат режим (b)
Напрежението на DC клемите на инвертора се нарича инвертирано напрежение. Тъй като се измерва между същите точки като изправената, ще ги обозначим по същия начин - U d .Законът за промяна на това напрежение при промяна на ъгъла на управление е същият като в режим на коригиране. Следователно контролната характеристика на подчинения преобразувател в непрекъснат режим (фиг. 1.5 а) се определя от същото уравнение
U daо = U d о cosα . (1.1)
Превключването на вентилите се дължи на мрежовото напрежение, а в секцията за превключване напрежението преминава в средата между фазовите ЕМП (фиг. 7.4 a - b). Благодарение на допълнителната платформа за превключване, с увеличаване на тока напрежението модулно се увеличава.
Външните характеристики са показани на фигура 1.5 b.
Фигура 1.6. Диаграми на токове и напрежения в подчинения инвертор при X d =∞, X a ≠ 0за трифазни нулеви (a) и мостови (b) вериги
В първия квадрант (за токоизправител) те свързват изходни количества и се извеждат. Характеристиките в 4-ти квадрант (на подчинения инвертор) свързват входните величини (чрез енергийния канал) и следователно са входни. Външните характеристики на токоизправителя са по същество изходни и следователно изходното напрежение намалява с увеличаване на тока поради вътрешно съпротивление. Външните характеристики на инвертора са в смисъла на входа и следователно, ако е необходимо да "вкарате" повече ток в инвертора, трябва да подадете повече напрежение на входа.
Външните характеристики, като се вземе предвид наличието на зона с прекъсващ режим, са показани на фигура 1.7.
Фигура 1.7. Външни характеристики на подчинения преобразувател, направени по трифазни нулеви (а) и трифазни мостови (б) схеми.
Честотни преобразуватели
Честотните преобразуватели (FC) са предназначени да преобразуват променливо напрежение с една честота в променливо напрежение с друга честота. Честотните преобразуватели за честотно управлявани електрически задвижвания преобразуват електричеството, идващо от мрежа с променлив ток, в електричество с честота и напрежение, вариращи според дадени закони.
Честотните преобразуватели по конструкция могат да бъдат разделени на два типа:
а) честотни преобразуватели с две връзки (DFC);
б) директни честотни преобразуватели (NFC).
В DFC първата връзка е токоизправител (контролиран или неконтролиран) с филтър на изхода, а втората е автономен инвертор. Така товарът се свързва към мрежата чрез две връзки, а енергията се преобразува два пъти. Втората връзка в DFC може да бъде направена както на базата на автономен инвертор на напрежение (AVI), така и на базата на автономен инвертор на ток (AIT).
DFC ви позволява да получите както по-ниски, така и по-високи входни честоти на изхода. Недостатъкът им е двойното преобразуване на енергията, което води до увеличаване на загубите.
NFC се изпълняват на базата на реверсивни преобразуватели. Еднофазен LFC е двукомпонентен реверсивен преобразувател, на изхода на който е свързан товар. Всеки набор от вентили пропуска една полувълна от ток. Трифазният LFC се състои от три реверсивни преобразувателя, всеки от които захранва една фаза на товара.
NFC ви позволяват да получите изходни честоти, които са само по-ниски от входните. В NFC се извършва едно преобразуване на енергия.
Принцип на работа NPC
В LFC мрежовото напрежение се подава директно към двигателя чрез управлявани вентили. Всяка фаза на LFC се изпълнява на базата на реверсивен двукомплектен преобразувател с разделно или съвместно управление на комплекти.
Фигура 1.8а показва диаграма на трифазен еднофазен CFC, направен на базата на трифазни нулеви вериги, който преобразува трифазно напрежениемрежи с честота 50 Hz в еднофазни с регулируема честота. При превключване на комплекти B и H на изхода се формира биполярно напрежение. Възможни са два закона на управление - правоъгълен и синусоидален. При управление с правоъгълна вълна, по време на полувълна от ток, управляващите импулси се прилагат към един комплект с контролен ъгъл (ъгъл на забавяне) a = const, докато този комплект работи в режим на токоизправител, и след това с контролен ъгъл (ъгъл на изпреварване ) b = a, когато е необходим преход за намаляване на тока в инверторен режим (Фигура 1.8 b). След пауза без ток управляващите импулси се прилагат по подобен начин към втория комплект.
При синусоидално управление ъгълът на управление a непрекъснато се променя, така че плавният компонент на изходното напрежение се променя според синусоидалния закон (Фигура 1.8 c).
Фигура 1.8. Схема на трифазен-еднофазен CFC (a), диаграми на напрежение и ток на натоварване с правоъгълно управление (b) и диаграми на напрежение на натоварване със синусоидално управление (c)
Диаграма на трифазен трифазен CFC, направен на базата на трифазни мостови вериги, е показана на фигура 1.9. Тази схема изисква фазово разделяне на товара.
Фигура 1.9. Схема на трифазен трифазен LF
Въведение
Лабораторните занятия по курса "Електронно-преобразувателна техника" дават представа за физичните свойства, параметрите и характеристиките на дискретните полупроводникови устройства.
Лабораторният стенд разполага със захранвания, комутируем панел с гнезда и клеми за сглобяване на електрически вериги, необходими за измерване на характеристиките на използвания уред. На работното място има комплект проводници с накрайници, измервателни и тестови устройства. Фигура 3.1 показва оформлението на учебната лаборатория.
Фигура 3.1 План на учебната лаборатория
Входното напрежение на захранването е 127 V. Изходно напрежениеконстанта:
0 ... 15 V 0,5 A - регулируем G1;
0 ... 15 V 0,5 A - регулируем G2;
0 ... 5 V 3 A - регулируем G3.
Регулираните захранвания са защитени от късо съединение. Когато защитата се задейства, е необходимо да изключите стойката и да я държите в това състояние за 5 ... 10 секунди.
Захранването е изпълнено под формата на отделен модулен елемент в корпуса и е монтирано в лабораторен стенд.
Захранването осигурява
200 V; 0,1 A - нерегулиран;
50 V; 5 A - нерегулиран;
5 V; 0,3 A - за захранване на входните вериги на транзистори, регулируеми 0 ... 4,5 V;
15 V; 0,5 A - за захранване на изходните вериги на транзистори, регулируеми 0 ... 14 V.
Видове и обозначение на диоди
В зависимост от свойствата и поведението на I–V характеристиките се разграничават следните видове диоди.
1) Токоизправителни диоди от различни класове, различаващи се по напрежение, време на превключване, работна честотна лента. WAH както обикновено пн-преход. Обозначението е стандартно (таблица 2.1). Като токоизправители се използват легирани епитаксиални и дифузионни диоди, направени на базата на асиметрични p-n преходи. Токоизправителните диоди се характеризират с ниско съпротивление и големи токове в директен режим. бариерен капацитет поради голяма площпреходът достига стойности от десетки пикофаради. Германиеви токоизправителни диоди се използват до температури 70-80 ° C, силициеви до 120-150 ° C, галиев арсенид до 150 ° C.
Основни параметри на токоизправителните диоди:
U arr, макс- максимално допустимото обратно напрежение, което диодът може да издържи, без да нарушава работата му;
Брой I, ср- среден изправен ток;
I pr,pе пиковата стойност на токовия импулс за дадена максимална продължителност, работен цикъл и форма на импулса;
У пр, сре средното право напрежение на диода при дадена средна стойност на правия ток;
P вже средната за периода мощност, разсейвана от диода, когато токът протича в права и обратна посока;
r диф– диференциално съпротивление на диода в прав режим.
Заслужава да се отбележи класът импулсни диоди, които имат много кратка продължителност на преходните процеси поради малкия капацитет на преходите (фракции от пикофаради); намаляване на капацитета се постига чрез намаляване на площта пн-преход, следователно тяхната допустима мощност на разсейване е по-малка от тази на нискочестотните токоизправителни диоди. Използват се в импулсни вериги.
Изброените по-горе параметри за импулсни диоди включват общия капацитет S D, максималните импулсни предни и обратни напрежения и токове, времето за установяване на предното напрежение от момента на прилагане на предния токов импулс до достигане на определената стойност на предното напрежение, и времето за възстановяване на обратното съпротивление на диода от момента на преминаване на тока през нула до момента, в който обратният ток достигне предварително определена малка стойност (Фигура 4.1).
Фигура 4.1 Възвратен ток
След обръщане на полярността на напрежението във времето t1обратният ток варира малко, той е ограничен само от външното съпротивление на веригата. В този случай зарядът на незначителните носители, натрупан в основата на диода, се абсорбира. Освен това токът намалява до статичната си стойност, когато зарядът в основата е напълно абсорбиран.
2) Ценерови диоди - диоди, предназначени да работят в режим на електрическо разрушаване. Символразличен от стандарта (таблица 2.1). В този режим, със значителна промяна в тока на ценеровия диод, напрежението върху него се променя малко. При ценерови диоди с ниско напрежение (до 5,7 V) се използва тунелен разбивка, а при високоволтови - лавинен разбивка. Те имат по-висока съпротивителна основа.
Основни параметри:
U ул– стабилизиращо напрежение при даден токв режим на повреда;
I ст, минИ I ст, макс- минимално допустимите и максимално допустимите стабилизационни токове;
r st- диференциално съпротивление на ценеровия диод в зоната на повреда;
Температурен коефициент на напрежение (TKN) на стабилизация при даден стабилизационен ток. Тунелната повреда се характеризира с отрицателен TKN, а лавинната повреда е положителна.
За стабилизиране на ниско напрежение (0,3 ... 1,9 V) се използват диоди, наречени стабистори, които работят в директен режим, имат специална форма на прав клон. Обозначението е същото като при токоизправителните диоди.
3) Диод на Шотки - вид токоизправителни диоди, работещи на базата на изправителен контакт метал-полупроводник, който образува контактна потенциална разлика поради прехвърлянето на част от електроните от полупроводника от n-тип към метала и намаляване в концентрацията на електрони в полупроводниковата част на контакта. Тази област има висока устойчивост. Когато външен източник е свързан с плюс към метала и минус към полупроводника, потенциалната бариера ще намалее и през кръстовището ще тече постоянен ток.
В диода на Шотки няма натрупване и резорбция на основните носители, така че те са много бързи и могат да работят на честоти до десетки GHz. Правото напрежение е ~0,5 V, допустимият ток в права посока може да достигне стотици ампери, а обратното напрежение може да достигне стотици волта. CVC на диода на Шотки прилича на характеристиката на конвенционалните p-n преходи, разликата е, че предният клон в рамките на 8-10 десетилетия напрежение представлява почти идеална експоненциална крива, а обратните токове са доста малки - 10 -10 ... 10 -9 А.
Конструктивно диодите на Шотки са направени под формата на силиконова плоча с ниско съпротивление, върху която е нанесен епитаксиален филм с висока устойчивост със същия тип електропроводимост. Слой от метал се отлага върху повърхността на филма чрез вакуумно отлагане.
Диодите на Шотки се използват в комутационни вериги, както и в силнотокови токоизправители и в логаритмични устройства, поради съответната форма на неговата I–V характеристика.
4) Варикап - полупроводников диод, проектиран да работи като капацитет, чиято стойност зависи от приложеното към него напрежение. Основната му характеристика е капацитет-напрежение С(U) (таблица 2.1).
Варикапът обикновено работи при обратно напрежение, с промяна, при която бариерният капацитет на диода се променя в широк диапазон и:
, (4.1)
където C(0) е капацитетът при нулево напрежение на диода; - контактен потенциал; n=2 за остри и n=3 за гладки p-n преходи.
Основните параметри на варикапа:
C е капацитетът, измерен между клемите при дадено обратно напрежение;
Коефициент на припокриване на капацитета;
r Pе общото активно съпротивление на диода;
Качествен фактор, определен при дадена стойност на капацитета.
5) Тунелен диод - полупроводников диод с падащо сечение по правия клон на ВАХ, поради тунелния ефект. Обозначението и CVC са дадени в таблица 2.1. Падащият участък се характеризира с отрицателно диференциално съпротивление.
В зависимост от функционалното предназначение тунелните диоди условно се разделят на усилващи, генераторни и превключващи.
4.2. Основни параметри:
аз пИ U Pса пиковите ток и напрежение на началото на падащия участък;
аз БИ U V– ток и напрежение на долината (на края на падащия участък);
Съотношение на тока на долината към пиковия ток;
U Rе обхватът на напрежението на падащия участък (разтвор).
Л Де общата серийна индуктивност на диода при дадени условия(Фиг. 4.2, представяща еквивалентната схема на диода в падащия участък на I–V характеристиката за малки промени в тока и напрежението в диода).
Фигура 4.2 Еквивалентна диаграма на диод
f 0– резонансна честота, при която общото реактивно съпротивление на p-n-прехода и индуктивността на корпуса се равнява на нулево;
f R- гранична резистивна честота, при която активният компонент на импеданса на последователна верига, състояща се от p-n преход и съпротивления на загуби, изчезва;
K Wе шумовата константа на тунелния диод, която определя шумовата стойност на диода;
r P- съпротивление на загубите, включително съпротивлението на кристала, контактните връзки и проводниците.
Разновидност на тунелния диод е обърнатият диод. Това е полупроводников диод, физическите явления в който са подобни на физическите явления в тунелен диод. Понякога се разглежда като вариант на тунелния диод. Тук зоната с отрицателно съпротивление е по-слабо изразена, отколкото в зоната на тунела, а понякога дори липсва. Обозначението и CVC са дадени в таблицата. Обратният клон на обърнатия диод се използва като преден клон на конвенционалния диод.
Таблица 4.1
| Тип диод | Символ | Характеристика |
| токоизправител |  |  |
| Диод Шотки |  | |
| ценеров диод |  |  |
| Стабистор | | |
| Варикап |  |  |
| тунелен диод |  |  |
| обърнат диод |  |  |
класификация на транзисторите
Транзисторът е електрически преобразуващо устройство, съдържащо две или повече п-н-преходи, имащи три или повече изхода и предназначени за усилване на мощността. В силовата електроника транзисторите почти винаги се използват само в ключов режим, тоест те могат да бъдат или напълно отворени, или напълно затворени. Транзисторите обикновено не позволяват обратното напрежение да бъде приложено към тях и следователно се шунтират от диоди обратно към гърба. Тази комбинация от транзистор и диод ще се нарича транзисторен ключ.
В момента има много различни видоветранзистори. Фигура 6.1 показва класификацията на основните типове транзистори.
Транзисторите според принципа на работа се разделят на биполярни (контролирани по ток), униполярни (контролирани от електрическо поле или поле) и / GST транзистори. Съкращение IGBTе съкращение на името Insulated gate bipolar transistor.В превод това означава биполярен транзистор с изолиран порт (IGBT).
В биполярните транзистори токът се определя от движението на носители на заряд от двата знака: електрони и дупки, поради което се наричат биполярни.
В полевите транзистори токът се определя от ширината на проводящия канал, през който се движат носители на заряд от един и същ знак, поради което другото им име е еднополярно.
IGBT-транзисторите са хибридни, съчетават положителните свойства на биполярните и полеви транзистори.
Биполярните транзистори съдържат три редуващи се слоя с различни видове проводимост. Средният слой на структурата се нарича основа. Външният слой, който е източник на носители на заряд, се нарича емитер. Другият краен слой, който получава заряди, се нарича колектор. В зависимост от реда на тяхното редуване биполярните транзистори се разделят на транзистори от типа n-p-n и p-n-p.
Полевите транзистори (FET) се разделят според принципа на работа на FET с порта във формата пн-преход и на FET с изолиран затвор (PTIZ). Последните, според тяхната структура, се наричат още MOS транзистори.
Ориз. 6.1. Класификация на основните типове транзистори (k - колектор; e-емитер; b - база; c - дрейн; и - източник; g - порта; p - субстрат) (метал - оксид-полупроводник) или MIS транзистори (метал-диелектрик - полупроводник).
Електродът, от който излизат основните носители, се нарича източник. Електродът, където идват основните носители, се нарича дренаж. От източника до дренажа носителите се движат по канала. Електродът, който регулира ширината на канала, се нарича порта.
MOSFET могат да бъдат направени с вграден и индуциран канал. MOSFET с интегриран канал са отворени (нормално отворени), когато няма управляващ сигнал. MOSFET с индуциран канал са затворени (нормално затворени) при липса на управляващ сигнал.
От транзисторите с полеви ефекти MOSFET с индуциран канал са получили най-голямо приложение в преобразувателната технология.
В зависимост от вида на полупроводника, от който е направен каналът, FET се разделят на FET с n-тип канал и FET с канал стр-Тип. Биполярни транзистори с изолиран затвор (IGBT) или както се наричат съкратено на английски / GBT , са хибрид на биполярен транзистор и PTIZ, съчетавайки най-добрите им свойства. IGBT е сложна многослойна структура и процесите в нея са много сложни. Следователно фигура 6.2 показва много опростена еквивалентна схема. Когато положително напрежение по отношение на точка Е се приложи към портата Z, PTIZ се отваря и токът започва да тече от точка К през прехода емитер-база на биполярния транзистор и отворения PTIZ към точка Е. В този случай, биполярен транзистор се отваря, през който протича ток от точка К до точка Е. Буквите E, K, Z означават емитер, колектор и порта на IGBT. IGBT могат да работят само в ключов режим.
IGBT в момента са най-широко използвани в устройствата силова електроникас мощности, вариращи от стотици ватове до хиляди kW.
Фигура 6.2. Опростена IGBT еквивалентна схема
Анализ на опасностите
Съгласно GOST 12.0.003-99 на системата от стандарти за безопасност на труда, опасните и вредните производствени фактори се разделят по естеството на действието на физически, химични, биологични и психофизиологични.
Таблица 8.1 показва характеристиките на опасните и вредни производствени фактори, влияещи върху оперативния персонал.
Таблица 8.1 Характеристики на опасни и вредни производствени фактори (OHPF)
Продължение на таблица 8.1
| ОВПФ | Източник | норма | Документ | Какво осигурява защита |
| Повишена температура на въздуха | 18:20 часа | ГОСТ12.1.005-91 | Кондициониране | |
| Скорост на въздуха | До 0.2m/s | ГОСТ12.1.005-91 | Кондициониране |
В съответствие с изискванията на GOST 12.1.019-01, 12.1.038-01, мерки за защита на работниците от действието електрически токподразделени на:
организационни;
колективен;
индивидуален.
Организационните дейности включват:
назначаване на лица, отговорни за организацията и производството на работа;
регистрация на работа по поръчка;
разрешително за работа;
надзор по време на работа.
Колективните дейности включват:
прекъсване на захранването;
осигуряване на невъзможността за погрешно включване;
монтиране на знаци за безопасност и ограждане на частите, които остават под напрежение.
Индивидуалните мерки включват използването на лични предпазни средства от работниците.
Техническите защити включват:
защитно заземяване;
нулиране;
защитно изключване.
Изискването за безопасност на лабораторното оборудване е отразено в GOST 12.2.003-91.
Безопасността на оборудването на щанда се осигурява от:
изборът на рационални конструкции и безопасността на техните елементи;
използване на инструменти за автоматизация, дистанционно, блокировки, аларми и средства за защита;
запечатване на оборудването;
мерки за намаляване на нервно-психическия стрес и отговаряне на изискванията на ергономията.
Правила за монтаж
По време на монтажа електронни схемитранзисторите са прикрепени към корпуса. За да не се наруши уплътнението, огъването на външните проводници се извършва на не по-малко от 10 mm от изолатора на втулката (освен ако не е посочено друго). Забранено е огъването на твърдите проводници на мощни транзистори.
Запояването на външните клеми на електродите се извършва на не по-малко от 10 mm от тялото с поялник с мощност до 60 W с нискотопим припой с точка на топене около 150 ° C. В процеса на запояване е необходимо да се осигури добро разсейване на топлината между корпуса на устройството и мястото на запояване и да се извърши възможно най-бързо (не повече от 3 s).
Транзисторите не трябва да се поставят в близост до топлогенериращи елементи (мрежови трансформатори, силови резистори), както и в силни електромагнитни полета. Транзисторите трябва да се пазят от влага и радиация.
Силовите транзистори трябва да са плътно свързани към радиатора. За подобряване на термичния контакт на повърхностите на транзистора и радиатора се препоръчва да се смазват с незасъхващо масло или спойка с топим припой. В схеми, изискващи изолиране на транзистори от шасито, за да се намали топлинното съпротивление на изолационното уплътнение, е препоръчително да не се изолира транзисторът от радиатора, а радиаторът да се изолира от шасито.
Правила за работа
Когато транзисторът е включен във веригата, е необходимо да се изясни тяхната структура ( p-n-p или n-p-n) и да се спазва полярността на свързване на външни източници. Източникът на напрежение е свързан към външните клеми на емитер и база в проводящ, акумулаторен преход - в обратна посока. При свързване на транзистора към източника на захранване първо се свързва базовият изход, последен е колекторният изход, а при изключване - в обратен ред. Забранено е да се прилага напрежение към транзистора с изключена основа.
За да се увеличи надеждността и издръжливостта на устройствата, работното напрежение, ток, мощност и температура трябва да бъдат избрани по-ниски от максимално допустимите (около 0,7 от тяхната стойност).
Не се допуска използването на транзистори в комбинирани гранични режими поне за два параметъра (например за ток и напрежение).
Причини за неуспехи
Неизправностите в работата на полупроводниковите устройства са причинени от механични дефекти, неправилна работа, нарушения температурни условияработа и т.н. Причината за късо съединение в транзисторите е неравномерната дебелина на основата, пукнатина в p-n преходите и т.н. Освен това, с редица дефекти, например повреда на един преход, транзисторът не губи напълно своята производителност , но се трансформира в по-просто устройство - диод.
Ако скоростта на нарастване на тока на тиристора е твърде висока, кристалът на устройството може да бъде унищожен. Поради дефекти в p-n преходите, тиристорите, подобно на биполярните транзистори, могат да бъдат трансформирани в по-прости полупроводникови устройства. Например трионният тиристор може да работи като диоден тиристор или диод поради дефекти в p-n преходите. Трябва да се вземат мерки, за да се гарантира, че такива дефекти не причиняват опасни смущения в работата на системите.
В полупроводниковите устройства внезапните повреди се причиняват от повреда на p-n преходи, прекъсвания и прегряване на вътрешни клеми, къси съединенияв структурата, кристално напукване. Повечето (~90%) от внезапните повреди на полупроводникови устройства са повреди на p-n преходи. Вероятността от счупване или изгаряне на вътрешните клеми се увеличава, когато полупроводниковото устройство е изложено на вибрации, удари, както и циклични промени в неговите температурни условия. Интензивността на внезапните повреди практически не зависи от времето. Стареенето на полупроводниковите устройства се дължи на увеличаване на скоростта на постепенните повреди. Срокът на експлоатация на полупроводниковите устройства е повече от 104 часа.
Постепенните повреди се причиняват от физични и химични процеси в обема и на повърхността на кристала, сплавите и спойките. Те се проявяват под формата на постепенно увеличаване на обратните токове на p-n преходите, намаляване на коефициентите на пренос на ток на транзисторите и повишаване на нивото на вътрешния шум.
УСТРОЙСТВА ЗА ДИСПЛЕЙ |
|
ИНФОРМАЦИЯ |
|
4.1. Йонни цифрови и знакови индикатори |
|
Цифровите и знаковите индикатори са без напрежение мулти- |
|
електродни устройства с тлеещ разряд с неон (оранжево-червено- |
|
nym) пълнеж. Те съдържат няколко катода К, направени |
|
под формата на показани знаци или числа от 0 до 9 (фиг. 4.1, a, b), |
|
и един или два мрежести анода A. За индикатори с два анода 10 |
|
катоди (всяка група от пет изолирани катода има свой собствен |
|
анод). Индиеви катоди |
|
затворнически лампи |
|
положени един по един |
|
Фитнес зала в далечината |
|
около 1 мм и имат |
|
независим ти- |
|
вода. Редът на |
|
позиции на числата, форма |
|
и размери на катодите и |
|
мрежов дизайн |
|
се избират аноди |
|
такъв, че полу- |
|
chitminimalpe- |
|
корични номера. |
|
За индикация |
|
знак от контрола |
|
Ориз. 4.1. Индикатори за изпускане: |
токови вериги на катода |
а - цифров; b - знак) |
|
прилага се отрицателно напрежение (170-200 V). Кога |
тлеещият разряд на катода произвежда сияние под формата на светлина |
търговска марка, наблюдавана през купола или страничната стена на балона- |
на лампи. За да се намали времето за запалване, първоначалната йонизация |
ция се създава от външно осветление. |
Газоразрядните индикатори имат напрежение на запалване 170 и 200 |
V, работен ток 1,5 до 8 mA, време на запалване 1 s. Отвъд цифровото |
индикатори (типове IN-17, IN-18 и др., фиг. 4.2, но), индустриални |
Tew произвежда знакови индикатори (типове IN7A-B, IN15A-B, |
IN19A-B и т.н., което ви позволява да подчертаете имената на основните |
електрически и физични величини (фиг. 4.2, b), отколкото значително увеличени |
широк спектър на приложение на газоразрядни индикатори. освобождаване от отговорност- |
nye индикатори се използват за визуално обозначаване на уикенда |
данни на измервателни уреди, изчислителни устройства и други |
goy оборудване с дискретно действие. |
Ориз. 4.2. Индикатори за изпускане: |
а - с цифрова скала; b - със знакова скала |
Предимства газоразрядни индикатори- постоянна готовност- |
готовност за работа, ниска консумация на енергия, ниска цена - |
определен широко приложениеги в изчисленията и измерванията |
техника на тялото за появата на LED и течни кристали |
някои показатели. |
4.2. Полупроводникови индикатори |
Те могат да бъдат електролуминисцентни и LED |
уреди. |
Електролуминесцентен индикатор (ELI) е |
(фиг. 4.3) стъклен или органичен субстрат 1, напълно |
покрит с проводим слой - прозрачен електрод 2, върху който |
прилага се електролуминофор 3 - цинков сулфид с примес |
мед или алуминий, изо- |
|
диелектрик 4 и |
|
непрозрачни електроди |
|
5 направени във формата |
|
светещи знаци. |
|
Цялата система е поставена |
|
ком- |
|
паунд 6 сграда 7 . |
|
В основата на действието ELI |
|
способността на някои |
|
полупроводник |
|
вещества (луминофори) да- |
|
Ориз. 4.3. Дизайн електролуминесцентно- |
да блести в промяната |
индикатор за краката |
номинално електрическо поле. |
С повишаване на напрежението |
|
осъществимостта на електрическото поле на атома |
|
се дават, като същевременно се намалява част от погълнатата от тях лъчиста енергия |
|
е под формата на светлинни кванти. Цветът на блясъка се определя от вида на |
|
Между прозрачен и един или повече непрозрачни |
|
електродите се захранват от специален източник на променливо напрежение |
|
напомпване на необходимата амплитуда и честота. В изходната верига |
|
без изпомпване включете превключвателя, който ви свързва с никого |
|
или друг непрозрачен електрод. За да получите достатъчно |
|
яркост на сияние 30-40 cd/m2 изисква променливо напрежение |
|
U nak с амплитуда 220-250 V при честота от 40 Hz до 10 kHz. |
|
Въз основа на ELI, значими по отношение на |
|
щадящи мнемонични вериги като пресичащи се лентови системи |
|
електроди, както и индикаторни панели за точков разтвор. |
|
Недостатъци на ELI: необходимостта от мощен източник на помпа |
|
повишена честота; сравнително голяма консумация на енергия |
|
интензитет (30 mW на 1 cm2 светеща повърхност). |
|
LED индикаториизползвайте светодиоди, които |
|
излъчват светлина във видимата част на спектъра. Размерите на кристала са |
|
Тодиодът е малък, представлява светеща точка. Ето защо |
|
десетки и стотици светодиоди са комбинирани в индикатори в един |
|
системи, използващи лещи и рефлектори за приближаване |
|
излъчващ кристал. |
|
МОНТАЖ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВИ ПРИБОРИ
И ИНТЕГРИРАНА МИКРОСХЕМА
Характеристики на процеса на сглобяване
Сглобяването на полупроводникови устройства и интегрални схеми е най-трудоемкият и отговорен технологичен етап от цялостния цикъл на тяхното производство. Стабилността силно зависи от качеството на монтажните операции. електрически параметрии надеждност на готовите продукти.
Етапът на сглобяване започва след завършване на груповата обработка на полупроводникови пластини по планарна технология и тяхното разделяне на отделни елементи (кристали). Тези кристали могат да имат най-простата (диодна или транзисторна) структура или да включват сложна интегрална схема (с голям брой активни и пасивни елементи) и да стигнат до сглобяването на дискретни, хибридни или монолитни композиции.
Трудността на процеса на сглобяване се крие във факта, че всеки клас дискретни устройства и интегрални схеми има свои собствени характеристики на дизайна, които изискват точно дефинирани монтажни операции и режими на тяхното изпълнение.
Процесът на сглобяване включва три основни технологични операции: закрепване на кристал към основата на корпуса; свързване на тоководещи изводи към активни и пасивни елементи на полупроводниковия кристал към вътрешните елементи на корпуса; запечатване на кристала от външната среда.
Прикрепване на кристала към основата на кутията
Прикрепването на чип на полупроводниково устройство или IC към основата на пакета се извършва с помощта на процеси на запояване, сливане с помощта на евтектични сплави и залепване.
Основното изискване за операцията по закрепване на кристал е създаването на връзка между кристала и основата на корпуса, която има висока механична якост, добра електро- и топлопроводимост.
Запояване- процесът на съединяване на две различни части, без да се разтопяват с помощта на трети компонент, наречен спойка. Характеристика на процеса на запояване е, че спойката по време на образуването на спойка е в течно състояние, а частите, които трябва да се съединят, са в твърдо състояние.
На фиг. 1а показва вариант на закрепване на IC чип с калайдисани медни контактни издатини към субстрат. Този дизайн на проводниците не се страхува от разпространение на спойка върху субстрата. Наличието на висока издатина с форма на гъба осигурява необходимата междина между полупроводниковия кристал и субстрата по време на топенето на спойка. Това позволява закрепването на кристала към субстрата с висока степен на точност.
На фиг. 1в показва вариант на сглобяване на кристали с меки издатини, направени от калаено-оловна спойка.
П
Свързването на такъв кристал към основата на корпуса се осъществява чрез конвенционално нагряване без допълнителен натиск върху кристала. Спойката на контактните издатини по време на нагряване и топене не се разпространява по повърхността на калайдисаните участъци на основата на тялото поради силите на повърхностното напрежение. Това освен това осигурява известна празнина между кристала и субстрата.
Разгледаният метод за закрепване на IC кристали към основата на кутията или към която и да е платка позволява до голяма степен да се механизира и автоматизира процеса на сглобяване.
Наваряване с евтектични сплави. Този метод за закрепване на полупроводникови чипове към основата на опаковката се основава на образуването на разтопена зона, в която повърхностният слой на полупроводниковия материал и металният слой на основата на опаковката са разтворени.
Две евтектични сплави се използват широко в промишлеността: злато-силиций (точка на топене 370 ° C) и злато-германий (точка на топене 356 ° C). Процесът на евтектично закрепване на кристала към основата на корпуса има две разновидности. Първият тип се основава на използването на уплътнение от евтектична сплав, което се намира между свързаните елементи: кристала и корпуса. При този тип свързване повърхността на основата на корпуса трябва да е позлатена под формата на тънък филм, а повърхността на полупроводниковия кристал може да не е позлатена (за силиций и германий) или да е покрита с тънък слой злато (в случай на закрепване на други полупроводникови материали). Когато такъв състав се нагрее до температурата на топене на евтектичната сплав, между свързаните елементи (кристалната основа на тялото) се образува течна зона. В тази течна зона, от една страна, разтварянето на слоя от полупроводниковия материал на кристала (или слоя от злато, отложен върху повърхността на кристала).
След като цялата система се охлади (основата на тялото е кристал от евтектична стопилка-полупроводник), течната зона на евтектичната сплав се втвърдява и на границата между полупроводник и евтектична сплав се образува твърд разтвор. В резултат на този процес се създава механично здрава връзка на полупроводниковия материал с основата на опаковката.
Вторият тип евтектично закрепване на кристала към основата на корпуса обикновено се прилага за силициеви или германиеви кристали. За разлика от първия тип, уплътнение от евтектична сплав не се използва за закрепване на кристала. В този случай течната зона на евтектичната стопилка се образува в резултат на нагряване на състава на позлатената основа на тялото-силициев (или германиев) кристал. Нека разгледаме по-подробно този процес. Ако силициев кристал без златно покритие се постави върху повърхността на основата на кутията, която има тънък слой златно покритие, и цялата система се нагрее до температура с 40-50 ° C по-висока от температурата на злато-силициева евтектика, тогава между свързаните елементи се образува течна фаза на евтектичния състав. Тъй като процесът на легиране на слоя злато със силиций е неравновесен, количеството силиций и злато, разтворени в течната зона, ще се определя от дебелината на златното покритие, температурата и времето на процеса на легиране. При достатъчно дълги експозиции и постоянна температура процесът на легиране на злато със силиций се доближава до равновесие и се характеризира с постоянен обем на течната фаза злато-силиций. Наличност Голям бройтечната фаза може да доведе до нейното изтичане от под силициевия кристал към неговата периферия. По време на втвърдяването изтеклата евтектика води до образуването на достатъчно големи механични напрежения и черупки в кристалната структура на силиция, които рязко намаляват здравината на структурата на сплавта и влошават нейните електрически параметри.
При минималните стойности на времето и температурата, сливането на злато със силиций не се извършва равномерно по цялата площ на контакт между кристала и основата на корпуса, а само в отделните му точки.
В резултат на това силата на съединението на сплавта намалява, електрическото и термичното съпротивление на контакта се увеличава и надеждността на получената армировка намалява.
Състоянието на повърхностите на първоначално съединените елементи оказва значително влияние върху процеса на евтектично сливане. Наличието на замърсители върху тези повърхности води до влошаване на омокрянето на контактните повърхности с течната фаза и неравномерно разтваряне.
залепванее процес на свързване на елементи един към друг, базиран на адхезивните свойства на определени материали, които правят възможно получаването на механично здрави връзки между полупроводникови кристали и основи на корпуса (метал, стъкло или керамика). Силата на залепване се определя от адхезионната сила между лепилото и залепените повърхности на елементите.
Свързването на различни елементи на интегрални схеми прави възможно свързването на голямо разнообразие от материали в различни комбинации, опростяване на дизайна на модула, намаляване на масата му, намаляване на потреблението на скъпи материали, избягване на използването на спойки и евтектични сплави и значително опростяване технологичните процеси на сглобяване на най-сложните полупроводникови устройства и интегрални схеми.
В резултат на залепването е възможно да се получат фитинги и сложни състави с електроизолационни, оптични и проводими свойства. Закрепването на матриците към основата на опаковката с помощта на процеса на залепване е незаменимо за сглобяването и инсталирането на хибридни, монолитни и оптоелектронни елементи на веригата.
При залепване на кристали към основата на корпусите се използват различни видове лепила: изолационни, проводими, светлопроводими и топлопроводими. Според активността на взаимодействие между лепилото и залепваните повърхности се разграничават полярни (на базата на епоксидни смоли) и неполярни (на базата на полиетилен).
Качеството на процеса на залепване до голяма степен зависи не само от свойствата на лепилото, но и от състоянието на повърхностите на елементите, които ще бъдат залепени. За да се получи здрава връзка, е необходимо внимателно да се обработят и почистят повърхностите, които ще бъдат залепени. Температурата играе важна роля в процеса на свързване. Така че, при залепване на конструктивни елементи, които не са изложени на високи температури в следващите технологични операции, могат да се използват студено втвърдяващи се епоксидни лепила. За залепване на силициеви кристали към метални или керамични основи на корпуси обикновено се използва лепило VK-2, което е разтвор на органосилициева смола в органичен разтворител с фино диспергиран азбест като активен пълнител или VK-32-200, в който стъкло или като пълнител се използва кварц.
Технологичният процес на залепване на полупроводникови кристали се извършва в специални монтажни касети, които осигуряват желаната ориентация на кристала върху основата на корпуса и необходимото притискане към основата. Сглобените касети, в зависимост от използвания лепилен материал, се подлагат на определена термична обработка или се съхраняват при стайна температура.
Специални групи са електропроводими и оптични лепила, използвани за залепване на елементи и възли на хибридни и оптоелектронни ИС. Проводимите лепила са състави на базата на епоксидни и органосилициеви смоли с добавяне на сребърни или никелови прахове. Сред тях най-широко използваните лепила са AC-40V, EK-A, EK-B, K-3, EVT и KN-1, които са пастообразни течности със специфично електрическо съпротивление от 0,01-0,001 ohm-cm и диапазон на работни температури от -60 до +150°С. Оптичните лепила подлежат на допълнителни изисквания за стойността на коефициента на пречупване и пропускането на светлина. Най-широко използваните оптични лепила OK.-72 F, OP-429, OP-430, OP-ZM.
Основните параметри на режима на термокомпресионно заваряване са специфично налягане, температура на нагряване и време на заваряване.Специфичното налягане се избира в зависимост от допустимото напрежение на компресия на полупроводниковия кристал и допустимата деформация на материала на заварения проводник. Времето за заваряване се избира експериментално.
Относителна деформация при термокомпресионно заваряване
,
където d е диаметърът на проводника, микрони; b-ширина на връзката, микрони.
Натискът върху инструмента се определя въз основа на разпределението на напреженията на етапа на завършване на деформацията:
,
Ж 
de А-коефициент, характеризиращ промяната на напрежението по време на деформация на телта; f е намаленият коефициент на триене, който характеризира триенето между инструмента, телта и субстрата; - относителна деформация; - Граница на провлачване на материала на телта при температура на деформация; d е диаметърът на телта; D е диаметърът на пресовъчния инструмент, обикновено равен на (2h3)d.
Ориз. 2. Номограма за избор на режими на термокомпресионно заваряване:
а - златна тел с алуминиев филм; b- алуминиева тел с алуминиев филм
На фиг. Фигура 2 показва номограмите на режимите на термокомпресионно заваряване на златна (а) и алуминиева (б) тел с алуминиеви контактни площадки. Тези номограми позволяват оптимален изборвръзка между налягане, температура и време.
Термокомпресионно заваряванеима доста разновидности, които могат да бъдат класифицирани по метода на нагряване, по метода на закрепване, по формата на инструмента. Според метода на нагряване термокомпресионното заваряване се отличава с отделно нагряване на иглата, кристала или щанца, както и с едновременно нагряване на два от тези елементи. Според метода на свързване, термокомпресионното заваряване може да бъде челно и припокриване. Според формата на инструмента се разграничават „птичи клюн“, „клин“, „капиляр“ и „игла“ (фиг. 14.3).
При заваряване с инструмента "птичи клюн" същото устройство подава телта, закрепва я към контактните площадки на интегралната схема и автоматично се скъсва без да я освобождава от "клюна". Инструментът под формата на "клин" притиска края на телта към субстрата, като не се притиска цялата тел, а само централната му част. При заваряване с "капилярен инструмент" телта минава през него. Капилярният връх едновременно служи като инструмент, който предава натиск върху жицата. При заваряване с „игла“ краят на проводника се въвежда в зоната на заваряване чрез специален механизъм и се поставя върху контактната площадка, след което се натиска с игла с определена сила.
Р 
е. 3. Видове инструменти за термокомпресионно заваряване:
a- "птичи клюн"; b- "клин"; в- "капилярна"; г-н "игла"
За извършване на процеса на термокомпресионно заваряване се използват различни инсталации, основните компоненти на които са: работна маса с или без нагревателна колона, механизъм за създаване на натиск върху прикрепената клема, работен инструмент, устройство за подаване и разкъсване на тел. механизъм за клемите, механизъм за подаване на кристали или части с прикрепен към тях кристал; механизъм за комбиниране на свързаните елементи, оптична система за визуално наблюдение на заваръчния процес, силови и управляващи блокове. Всички изброени възли могат да имат различен дизайн, но принципът на тяхното проектиране и естеството на извършената работа са еднакви.
Понастоящем се използват два метода за електросъпротивително заваряване за свързване на проводници към контактните площадки на кристали на интегрална схема: с едностранно разположение на два електрода и с едностранно разположение на един двоен електрод. Вторият метод се различава от първия по това, че работните електроди са направени под формата на два тоководещи елемента, разделени един от друг с изолиращ дистанционер. В момента на притискане на такъв електрод към проводника и преминаване на електродния ток през образуваната система се отделя голямо количество топлина в точката на контакт. Външният натиск в комбинация с нагряване на частите до температурата на пластичност или топене води до тяхното здраво свързване.
Механизмът за подаване на кристал включва набор от касети, а механизмът за подравняване включва система от манипулатори, които ви позволяват да поставите кристала в желаната позиция. Оптична система за визуално наблюдение се състои от микроскоп или проектор. Блокът за захранване и управление ви позволява да зададете режима на работа на заваряване и да го престроите и регулирате при промяна на вида на кристала и изходния материал.
Студено заваряване.Методът на студено запечатване се използва широко в електронната индустрия. В случаите, когато при запечатването на оригиналните части на корпусите е недопустимо тяхното нагряване и се изисква висока чистота на процеса, се използва студено заваряване под налягане. В допълнение, студеното заваряване осигурява здраво херметично свързване на най-често използваните разнородни метали (мед, никел, ковар и стомана).
Към недостатъците този методТова трябва да се дължи на наличието на значителна деформация на частите на тялото на кръстовището, което води до значителна промяна във формата и общите размери на готовите продукти.
Промяната на външния диаметър на тялото на устройството зависи от дебелината на оригиналните заварени части. Промяна на външния диаметър на готовото устройство след процеса на студено заваряване
където е дебелината на рамото на горната част преди заваряване; - дебелина на рамото на долната част преди заваряване.
От голямо значение за процеса на студено заваряване е наличието на оксиден филм върху повърхността на съединяваните части. Ако този филм е пластичен и по-мек от основния метал, тогава под налягане той се разпространява във всички посоки и изтънява, като по този начин отделя чисти метални повърхности, в резултат на което не се получава заваряване. Ако оксидният филм е по-крехък и по-твърд от метала, който покрива, тогава той се напуква под натиск и напукването се появява еднакво и на двете части, които трябва да се съединят. Замърсителите, присъстващи на повърхността на фолиото, са опаковани от двете страни в един вид опаковки, здраво захванати в краищата. По-нататъшното увеличаване на налягането води до разпространение на чист метал в периферните зони. Най-голямото разпръскване се получава в средната равнина на образувания шев, поради което всички опаковки с примеси се изтласкват, а чистите метални повърхности, влизащи в междуатомни взаимодействия, здраво се прилепват една към друга.
По този начин крехкостта и твърдостта са основните качества на оксидния филм, осигуряващи плътна връзка. Тъй като за повечето метали дебелината на покритието с оксидни филми не надвишава 10-7 cm, частите от такива метали са никелирани или хромирани преди заваряване. Филмите от никел и хром имат достатъчна твърдост и крехкост и следователно значително подобряват заварената връзка.
Преди извършване на процеса на студено заваряване, всички части се обезмасляват, измиват и изсушават. За да се образува висококачествена връзка на две метални части, е необходимо да се осигури достатъчна деформация, пластичност и чистота на частите, които ще бъдат заварени.
Степента на деформация K по време на студено заваряване трябва да бъде в диапазона 75-85%:
,
където 2H е общата дебелина на частите, които ще бъдат заварени; t е дебелината на заваръчния шев.
Якост на заваръчния шев
където P е силата на скъсване; D е диаметърът на отпечатъка от издатината на поансона; H е дебелината на една от частите за заваряване с най-малък размер; - якост на опън с най-малка стойност.
За частите на тялото по време на студено заваряване се препоръчват следните комбинации от материали: мед MB-мед MB, мед MB-мед M1, мед MB-стомана 10, сплав N29K18 (kovar)-мед MB, kovar-мед M1.
Критичните налягания, необходими за пластична деформация и студено заваряване, например за комбинация от мед-мед, са 1,5 * 109 N / m2, за комбинация от мед - kovar те са 2 * 109 N / m2.
Пластмасово уплътнение. Скъпото запечатване на стъкло, стъкло-метал, металокерамика и метални кутии в момента успешно се заменя с пластмасово запечатване. ) В някои случаи това повишава надеждността на устройствата и интегралните схеми, тъй като се елиминира контактът на полупроводниковия кристал с газовата среда вътре в корпуса.
Пластмасовото уплътнение ви позволява надеждно да изолирате кристала от външни влияния и осигурява висока механична и електрическа якост на конструкцията. За запечатване на интегрални схеми широко се използват пластмаси на базата на епоксидни, органосилициеви и полиестерни смоли.
Основните методи на запечатване са изливане, обвиване и пресоване под налягане. При запечатване чрез изливане се използват кухи форми, в които се поставят полупроводникови кристали със запоени външни изводи. Формите са пълни с пластмаса.
Когато запечатват устройства чрез обвиване, те вземат два (или повече) проводника, изработени от лента или теленен материал, свързват ги един към друг със стъклена или пластмасова перла и полупроводников кристал се запоява към един от проводниците, а електрическите контактни проводници са свързан към другия (другия) проводник. Така полученият комплект се запечатва с пластмасова опаковка.
Най-обещаващият начин за решаване на проблема с монтажа и запечатването на устройства е запечатването на кристали с активни елементи върху метална лента, последвано от запечатване с пластмаса. Предимството на този метод на запечатване е възможността за механизиране и автоматизиране на процесите на сглобяване на различни видове ИС. Основният структурен елемент на пластмасовата кутия е метална лента. За да изберете профила на метална лента, е необходимо да се изхожда от размера на кристалите, топлинните характеристики на устройствата, възможността за монтиране на готови устройства върху печатна електронна платкаелектронна схема, максимална якост на отлепване от корпуса, простота на дизайна.
Технологичната схема на пластмасовото запечатване на устройството включва основните етапи на планарната технология. Полупроводниковите кристали с активни елементи се закрепват към метална лента, покрита със злато, чрез евтектична сплав на злато със силиций или чрез конвенционално запояване. Металната лента е изработена от ковар, мед, молибден, стомана, никел.
Приложения
Р 
е. 3. Схема на вентилаторния монтаж
Р 
е. 4. Монтажна схема с основна част
Р 
е. 5. Монтажна схема (a) и IC секция (b) в кръгла кутия:
1 балон; 2-свързващи проводници; 3-кристал; 4-пинови подложки; 5-спойка; 6-краче капачка; 7-стъкло; 8-заключения; 9-разцепени щифтове със стъкло; 10-свързване чрез електроконтактно заваряване на цилиндър и крак; 11-покритие слой (гума)
Ориз. 6. Схема на свързване (сглобяване) на кристал със сферични изводи и подложка чрез запояване:
1 
-кристал; 2-пинов тампон; 3-стъкло; 4-топка мед; 5-медна възглавница; 6-спойка (висока температура); 7-спойка (ниска температура); 8-олово от AgPb сплав; 9-субстрат.
Ориз. 7. Схема на свързване (сглобяване) на кристал с изводи на лъча и подложка чрез запояване:
1-златен лъч; 2-силицидна плоча; 3-кристал; 4-силициев нитрид; 5-платина; 6-титан; 7-субстрат; 8-златна подложка.
Ориз. 8. Схема на поточната линия на интегралната схема
Трансферните ленти се използват на поточната линия. Сглобяването и транспортирането се извършват върху коварна лента, която се подлага на фотолитография в секции L и B, за да се получат заключения 2 (фиг. 10, а). В участъци C, D и D на базата на лента с оловни рамки са изработени кутии за инструменти с позлатени изводи. Части от лента с корпуси се изпращат за монтаж. Лента 2, развиваща се от макара 1, се подлага на измиване и обезмасляване във вана 3 и нанасяне на фоторезист във вана 4, експозиция в инсталация 5 с помощта на ултравиолетова лампа 7. Ролята на маската в инсталацията се изпълнява от лента 6, която се движи непрекъснато синхронно с лента 2. След това лентите се измиват във вани 8 и 9. Рамка 2 води (фиг. 10, а) и перфорациите се ецват във вана 10. Слоят фоторезист се отстранява във вана 11 и лентата се изсушава при изход. Получените перфорации се използват за опъване и преместване на лентата с помощта на звездичка 12. В инсталацията 13 от двете страни на оловната лента е залепена трансферна лента със слой споено стъкло. Получената система се изпича, адхезивният слой изгаря и стъклото се запоява към метала на основната лента (фиг. 10, b). Охлаждането до стайна температура се извършва в камера 14. С помощта на устройство 15 върху стъклените слоеве се залепват маскиращи ленти с прозорци, през които се ецват кухини във ваната 16 до откриване на вътрешни изводи (фиг. 10, f).
П
получените по този начин корпусни блокове от метални и стъклени ленти се подават във ваната 17 за позлатяване на проводниците. На устройството 18 лентата се нарязва на сегменти с кутии, които се подават през конвейера 19 към монтажа. Кристал с готови структури се свързва с помощта на топкови издатини към системата от клеми вътре в получения пакет, като се използва методът на обърнат монтаж, с лицето надолу (фиг. 10, d). Корпусът е запечатан в защитна среда с парчета коварна лента 7, които са запоени към основата с помощта на стъкло, нагрято от инструмента (фиг. 10, д). Получената микросхема е показана на фиг. 10, e
Ориз. 9. Трансферна лента:
1-носещ слой; 2-трансферен слой; 3-адхезивен слой; 4-освободителна хартия
Р 
е. 10. Схема на автоматизирано сглобяване на интегрални схеми на лента:
1-носеща лента; 2- заключения (след ецване); 3- перфорация за движение на лентата; 4-стъклена спойка лента; IC пакет с 5 кухини; 6-кристал със завършени структури; 7 - тяло; 8-капак; 9-нагревателен инструмент
Министерство на науката и образованието
Резюме по темата:
Полупроводникови приложения
Завършено:
ученик от 10 клас
Средно общо образование
Училища №94
Гладков Евгений
Проверено:
Олга Петровна
Харков, 2004.
Полупроводниковите устройства са електронни устройства с различен дизайн, технология на производство и функционално предназначение, базирани на използването на свойствата на полупроводниците. Полупроводниковите устройства също включват полупроводникови микросхеми, които са монолитни завършени функционални единици (усилвател, тригер, набор от елементи), всички компоненти на които са произведени в един технологичен процес.
Полупроводниците са вещества, чиято електронна проводимост е междинна между проводимостта на проводниците и диелектриците. Полупроводниците включват обширна група от естествени и синтетични вещества с различно химично естество, твърди и течни, с различни механизми на проводимост. Най-обещаващите полупроводници в модерна технологияса така наречените електронни полупроводници, чиято проводимост се дължи на движението на електроните. Въпреки това, за разлика от металните проводници, концентрацията на свободни електрони в полупроводниците е много малка и се увеличава с повишаване на температурата, което обяснява тяхната намалена проводимост и специфична зависимост от съпротивлението и температурата: ако електрическото съпротивление на металните проводници се увеличава при нагряване, то намалява при полупроводници. Увеличаването на концентрацията на свободни електрони с повишаване на температурата се обяснява с факта, че с увеличаване на интензивността на топлинните вибрации на полупроводниковите атоми, всички голямо количествоелектроните се отделят от външните обвивки на тези атоми и получават възможността да се движат през обема на полупроводника. При преноса на електричество през полупроводници, в допълнение към свободните електрони, могат да участват места, освободени от електрони, преминали в свободно състояние, така наречените дупки.
Следователно както свободните електрони, така и дупките се наричат носители. електрически заряд, а дупката е приписана положителен зарядравен на заряда на електрона. В идеалния полупроводник образуването на свободни електрони и дупки става едновременно, по двойки, и следователно концентрациите на електрони и дупки са еднакви. Въвеждането на определени примеси в полупроводника може да доведе до увеличаване на концентрацията на носители със същия знак и значително увеличаване на проводимостта. Това се случва при условие, че външната обвивка на примесните атоми има един електрон повече (донорни примеси) или един по-малко електрон (акцепторни примеси) от атомите на оригиналния полупроводник. В първия случай примесните атоми (донори) лесно отдават допълнителен електрон, а във втория случай (акцептори) те отнемат липсващия електрон от полупроводникови атоми, създавайки дупка. За най-често срещаните полупроводници (силиций и германий), които са четиривалентни химични елементи, петвалентните вещества (фосфор, арсен, антимон) служат като донори, а тривалентните вещества (бор, алуминий, индий) служат като акцептори. В зависимост от преобладаващия тип носители примесните полупроводници се разделят на електронни (n-тип) и дупкови (p-тип).
Зависимостта на електрическата проводимост на полупроводника от различни външни влияния служи като основа за различни технически устройства. По този начин намаляването на съпротивлението се използва в термисторите, намаляването на съпротивлението по време на осветление се използва във фоторезисторите. Появата на ЕМП при преминаване на ток през полупроводник, поставен в магнитно поле (ефект на Хол) се използва за измерване на магнитни полета, мощност и др. Особено ценни свойства притежават нехомогенните полупроводници (с различна проводимост от една част на обема към друга), както и контактите между различни полупроводници и полупроводници с метали. Ефектите, възникващи в такива системи, се проявяват най-ясно при преходите електрон-дупка (pn преход). Използването на pn преходи е в основата на работата на много полупроводникови устройства: транзистор, полупроводников диод, полупроводникова фотоклетка, термоелектрически генератор и слънчева батерия.
60-те и 70-те години представляват ерата на полупроводниковата технология и електрониката. Електрониката се въвежда във всички отрасли на науката, техниката и народното стопанство. Като комплекс от науки, електрониката е тясно свързана с радиофизиката, радара, радионавигацията, радиоастрономията, радиометеорологията, радиоспектроскопията, електронното изчислително и управляващо оборудване, радиодистанционното управление, телеметрията и квантовата радиоелектроника.
През този период продължава по-нататъшното усъвършенстване на електровакуумните устройства. Обръща се голямо внимание на повишаването на тяхната здравина, надеждност и издръжливост. Бяха разработени пръстови и субминиатюрни лампи, които позволиха да се намалят размерите на инсталации с голям брой радиотръби.
Продължи интензивната работа в областта на физиката на твърдото тяло и теорията на полупроводниците, бяха разработени методи за получаване на монокристали на полупроводници, методи за тяхното пречистване и въвеждане на примеси. Голям принос за развитието на физиката на полупроводниците направи съветската школа на академик А.Ф. Йофе.
Полупроводниковите устройства бързо и широко се разпространяват през 50-те и 70-те години във всички области на националната икономика. През 1926 г. е предложен полупроводников токоизправител за променлив ток, изработен от меден оксид. По-късно се появяват токоизправители от селен и меден сулфид. Бързото развитие на радиотехниката (особено на радара) по време на Втората световна война дава нов тласък на изследванията в областта на полупроводниците. Бяха разработени микровълнови AC токоизправители на базата на силиций и германий, а по-късно се появиха планарни германиеви диоди. През 1948 г. американски учени Бардийн и Братейн създават германиев точков триод (транзистор), подходящ за усилване и генериране на електрически трептения. По-късно е разработен силициев точков триод. В началото на 70-те години точковите транзистори практически не се използват и основният тип транзистор е планарен транзистор, произведен за първи път през 1951 г. До края на 1952 г. планарен високочестотен тетрод, транзистор с полеви ефекти и други видове бяха предложени полупроводникови устройства. През 1953 г. е разработен дрейф транзисторът. През тези години се създават нови технологични процеси за обработка на полупроводникови материали, методи за производство pn преходии самите полупроводникови устройства. В началото на 70-те години, в допълнение към планарните и дрейфовите германиеви и силициеви транзистори, бяха широко използвани и други устройства, използващи свойствата на полупроводниковите материали: тунелни диоди, контролирани и неконтролирани четирислойни превключващи устройства, фотодиоди и фототранзистори, варикапи, термистори и др.
Развитието и усъвършенстването на полупроводниковите устройства се характеризира с увеличаване на работните честоти и увеличаване на допустимата мощност. Първите транзистори имаха ограничени възможности (ограничаващи работни честоти от порядъка на стотици килохерци и мощност на разсейване от порядъка на 100 - 200 MW) и можеха да изпълняват само някои функции на електронните тръби. За същия честотен диапазон са създадени транзистори с мощност от десетки вата. По-късно са създадени транзистори, които могат да работят на честоти до 5 MHz и да разсейват мощност от порядъка на 5 W, а вече през 1972 г. са създадени проби от транзистори за работни честоти 20–70 MHz с мощност на разсейване, достигаща 100 W или повече. Транзисторите с ниска мощност (до 0,5 - 0,7 W) могат да работят на честоти над 500 MHz. По-късно се появяват транзистори, които работят на честоти от порядъка на 1000 MHz. В същото време беше извършена работа за разширяване на обхвата на работните температури. Транзисторите, направени на базата на германий, са имали първоначални работни температури не по-високи от +55 ¸ 70 °С, а тези на базата на силиций - не по-високи от +100 ¸ 120 °С. Създадените по-късно проби от транзистори с галиев арсенид се оказаха ефективни при температури до +250 ° C и техните работни честоти в крайна сметка се увеличиха до 1000 MHz. Има карбидни транзистори, работещи при температури до 350 °C. Транзисторите и полупроводниковите диоди надминаха вакуумните тръби в много отношения през 70-те години и в крайна сметка напълно ги изместиха от електрониката. В интегрираната електроника MIS структурите се използват широко за създаване на транзистори и различни интегрални схеми, базирани на тях.
Преди проектантите на комплекс електронни системи, наброяваща десетки хиляди активни и пасивни компоненти, има задачи за намаляване на размера, теглото, консумацията на енергия и цената на електронните устройства, подобряване на тяхната производителност и, най-важното, постигане на висока надеждност. Тези задачи се решават успешно от микроелектрониката - посоката на електрониката, обхващаща широк спектър от проблеми и методи, свързани с проектирането и производството на електронно оборудване в микроминиатюрен дизайн поради пълното или частично премахване на дискретни компоненти.
Основната тенденция на микроминиатюризацията е "интегрирането" на електронните схеми, т.е. желанието за едновременно производство на голям брой елементи и компоненти на електронни схеми, неразривно свързани. Следователно от различни областиВ микроелектрониката най-ефективна се оказа интегрираната микроелектроника, която е една от основните области на съвременната електронна техника. Сега широко се използват много големи интегрални схеми, върху тях е изградено цялото съвременно електронно оборудване, по-специално компютри и др.
Срокът на експлоатация на полупроводниковите триоди и тяхната ефективност са многократно по-големи от тези на вакуумните тръби. Поради което транзисторите се използват широко в микроелектрониката - телевизионна, видео, аудио, радио техника и, разбира се, в компютри. Те заместват вакуумните тръби в много електрически вериги на научно, промишлено и битово оборудване.
Биполярният транзистор е универсално полупроводниково усилващо устройство, което изпълнява същите функции като електронна лампа с контролна решетка. По аналогия с лампата биполярен транзистор се нарича полупроводников триод. Действието му се основава на използването на специалните свойства на нехомогенните полупроводници. Особеността на транзистора е, че между преходите електрон-дупка има взаимодействие - токът на един от преходите може да контролира тока на другия.
В допълнение към усилването на електрическите трептения, биполярните транзистори се използват широко като безконтактни превключващи устройства, в различни генераторни вериги, за преобразуване и откриване на трептения, а веригите с биполярни транзистори се различават от съответните тръбни устройства по миниатюризация, висока енергийна ефективност, висока механична якост, мигновена скорост на действие, голяма издръжливост. Максималните работни честоти на най-високите честоти биполярни транзисторинадвишава 10000 MHz, най-високата мощност е около 200-250 вата. Недостатъците на биполярните транзистори включват значителна температурна зависимост на техните характеристики.
Основните материали, от които се правят транзисторите, са силиций и германий, обещаващи материали са галиев арсенид, цинков сулфид и проводници с широка междина.
Полевият транзистор е полупроводниково устройство, в което токът се променя в резултат на действието на електрическо поле, перпендикулярно на тока, създадено от сигнал. Полевият транзистор се различава от биполярния по това, че използваният в него механизъм за усилване се дължи на носители на заряд само с един знак (електрони или дупки). Полевият транзистор се нарича още канален и еднополярен транзистор.
Транзисторите с полеви ефекти имат CVC ( волт-амперни характеристики), подобни на ламповите и имат всички основни предимства на транзисторите. Това им позволява да се използват във вериги, в повечето случаи се използват електронни тръби, например в DC усилватели с вход с високо съпротивление, в последователи на източника с вход с особено високо съпротивление, в електрометрични усилватели, различни релета за време, RS - генератори на синусоидални трептения на ниско и инфра ниски честоти, в зъбни генератори, нискочестотни усилватели, работещи от източници с високо вътрешно съпротивление, в активни RC - нискочестотни филтри. Полевите транзистори с изолиран затвор се използват във високочестотни усилватели, миксери и ключови устройства.
Транзисторите с полеви ефекти имат токово-напреженови характеристики, подобни на тръбните, и имат всички основни предимства на транзисторите.
Полупроводниковият диод е двуелектродно полупроводниково устройство, чиято работа се основава на използването на свойствата на прехода електрон-дупка. Основното свойство на полупроводников диод е еднопосочна проводимост, което прави възможно използването на полупроводникови диоди като AC токоизправители. Прототипът на съвременните полупроводникови диоди е кристален детектор, състоящ се от кристал (карборунд, цинкит) и метална пружина, чийто връх е притиснат към повърхността на кристала. Коригиращият ефект на такива детектори зависи от избраната точка на контакт между пружината и кристала и е силно нестабилен, което изисква периодично търсене на "чувствителната" точка. Съвременните точкови полупроводникови диоди използват пластини от силициеви или германиеви кристали, а контактът на метална игла с полупроводник се подлага на специално електрическо формоване. Тези мерки, заедно с използването на херметична обвивка, осигуряват по-голяма стабилност и издръжливост на точковите полупроводникови диоди. В допълнение към откриването на радиосигнали от всички честоти до стотици хиляди MHz, точковите полупроводникови диоди се използват за честотно преобразуване, в измервателно радио оборудване и др. и така нататък. Най-обширната група полупроводникови диоди се формира от планарни диоди, в които преходът електрон-дупка се създава по същите методи, както в планарните транзистори: чрез сливане на примеси, чрез дифузия на примесни вещества в обема на оригиналната плоча. Полупроводниковите диоди се използват и за много други цели, включително за избиране на импулси с определена полярност, за стабилизиране на напрежението, като контролиран кондензатор и т.н. в импулсни стартови вериги) и тунелен диод, фотодиод и обърнат диод.
Тунелният диод е двуелектродно диодно полупроводниково устройство, което се използва за усилване и генериране на високочестотни електрически трептения и като високоскоростен превключвател в импулсни и електронни логически устройства. Принципът на работа на тунелните диоди се основава на феномена на квантово-механичния тунелен ефект. Тунелните диоди се използват в широколентови усилватели, за усилване и генериране на високочестотни електрически трептения и като бърз превключвател в импулсни и електронни логически устройства.
Фотодиодът е полупроводниково фотоволтаично устройство с вътрешен фотоелектричен ефект, който отразява процеса на преобразуване на светлинната енергия в електрическа. Вътрешният фотоелектричен ефект се състои в това, че под въздействието на енергията на светлинното лъчение в областта на pn прехода атомите на основното вещество и сместа се йонизират, в резултат на което се генерират двойки носители на заряд - електрон и дупка. Във външната верига, прикрепена към p-n прехода, възниква ток поради движението на тези носители. Промишлеността произвежда германиеви и силициеви фотодиоди. Вид фотодиод, използван за преобразуване на мощностталъчиста енергия - слънчева батерия, която е важен източник на енергия в космическите технологии, но се използва и за захранване на оборудване в земни условия.
Полупроводниковият стабилизатор на напрежението (ценеров диод) е силициев планарен полупроводников диод, напрежението върху което се поддържа с определена точност, когато през него протича ток в даден диапазон. Тоест, ако ценеровият диод е проектиран за тактично напрежение от 4.5v и напрежението преди ценеровия диод е било, да речем, 5v, тогава след него стойността му ще бъде не повече от 4.5v. Ако напрежението, за което е проектиран ценеровият диод, е няколко пъти по-малко от напрежението в секцията преди него, тогава той ще се нагрее много и не е изключена повредата му (ще изгори). Ценеровите диоди са направени за стабилизиране на напрежение от 3 до стотици волта, поради което се използват широко в радиотехниката за стабилизиране на напрежението. За да се предотврати повреда на ценеровия диод, резисторът за ограничаване на тока е свързан последователно с него.
Варикап е специално проектиран полупроводников диод, използван като променлив кондензатор. Стойността на капацитета на варикапа се определя от капацитета на pn прехода и се променя с промяна на напрежението, приложено към прехода (към диода). СЪС електрическа веригас варикап се появяват текущи компоненти на нови честоти. Това явление се използва в радиотехниката за честотно умножение и деление, за параметрично усилване. Варикапът може да се използва и за настройка на осцилаторна верига, за автоматично регулиране на честотата и честотна модулация.
Варисторът е полупроводниково устройство, чието съпротивление се променя по нелинеен закон с промяна на приложеното напрежение. Варисторите включват повечето полупроводникови, електронни и йонни устройства. Най-често варисторите се използват за защита на елементите на електрическата верига от пренапрежения и релейни контакти от разрушаване, както и в амплитудни стабилизатори като елементи, които намаляват нелинейните изкривявания в схемите за преобразуване на честота.
Оптронът е полупроводниково устройство, съдържащо източник и приемник на светлинно лъчение, които са оптически и структурно свързани помежду си. Елементите на оптрона са източник на светлина и фотодетектор, но има оптрони, състоящи се от голям брой електрическа светлина и фотоелектрически преобразуватели. Оптронът е комбинация в един пакет от преобразувател на електрическа светлина (крушки с нажежаема жичка, светодиоди) с фотоелектрически (фоторезистор, фотодиод). Такъв оптрон позволява, например, с пълна електрическа изолация на две вериги, да се контролира тока в една верига чрез промяна на тока в другата ( дистанционно активиране, контрол на звука, AGC и др.). Заедно с елементарен оптрон се създават сложни структури, включващи голям брой електрическа светлина и фотоелектрически преобразуватели. Такива оптрони са подобни на интегралните схеми. Те ви позволяват да извършвате логическа обработка на голям брой сигнали, да възпроизвеждате сложни функцииусилване, генериране и преобразуване на електрически сигнали.
Тиристорът е електрически преобразуващо полупроводниково устройство, съдържащо три или повече pn прехода. Според броя на външните електроди тиристорите се делят на: двуелектродни - динистори и триелектродни - тринистори. И двете са четирислойна полупроводникова структура с различен видпроводимости. Крайните слоеве са анодът и катодът, а третият електрод на тринисторите служи като управляващ електрод. Следователно динисторите са превключващи диоди, а тринисторите се управляват. Ако такова устройство е свързано към верига с променлив ток, то се отваря, предавайки ток към товара само когато моментната стойност на напрежението достигне определено ниво или когато към специален управляващ електрод се приложи отключващо напрежение. В импулсната технология се използват тиристори с ниска мощност. Мощни тиристори се произвеждат за използване в устройства за управление на електрическо задвижване и в мощни токоизправители.
Фототиристорът се различава от обикновения по това, че неговият корпус има прозорец за облъчване на структурата със светлинен поток. Следователно фототиристорът може да бъде отключен както чрез действието на светлинен поток, така и чрез прилагане на електрически управляващ импулс към управляващия електрод. Нивото на радиация, необходимо за стартиране на фототиристора, зависи от температурата и анодното напрежение. За точно задействане на фототиристора се използва лазерно и светодиодно лъчение. Фототиристорите се използват в онези области, където е необходима електрическа изолация между управляващия сигнал на силовата верига.
Термисторът е полупроводниково устройство, чието електрическо съпротивление се променя с температурата. Основата на термисторите са поликристални полупроводникови материали с електронна проводимост - оксиди на така наречените преходни метали (от титан до цинк), както и сулфиди, карбиди и нитриди на някои метали.
Термисторите се използват като сензори за пожароизвестителни устройства, термична защита, за стабилизиране на тока и температурна компенсация в транзисторно оборудване.
Полупроводниковият светодиод е излъчващо полупроводниково устройство с един или повече електрически прехода, проектирано да преобразува директно електрическата енергия в некохерентна светлинна енергия. Дизайнът на светодиода предвижда възможност за извеждане на светлинно излъчване от преходната зона през прозрачно стъкло в корпуса.
Светодиодите се използват като светлинни индикатори, източници на излъчване в оптоелектронни двойки, при работа с филмово и фото оборудване, в устройства за автоматизация, изчислителна и измервателна техника.
Символи за полупроводникови устройства:
Литература
1). Виноградов Ю.В. "Основи на електронната и полупроводниковата техника". Изд. 2-ро, добавете. М., "Енергия", 1972 г
2). Списание "Радио", брой 12, 1978 г
3). Терешчук Р.М. Полупроводникови приемно-усилвателни устройства: Наръчник на радиолюбител / 4-то издание, ster. - Киев: Наук. Думка 1989г.
4). Бочаров Л.Н. Полеви транзистори. - М.: Радио и комуникация, 1984.
5). Полупроводникови устройства: Транзистори: Наръчник / Н. Н. Горюнова. М.; Енергоатомиздат, 1985г.
6). Справочник "Полупроводникови прибори: диоди, тиристори, оптоелектронни прибори"; Москва: Енергоатомиздат, 1987 г
Тялото на полупроводниковите устройства е предназначено за повърхностен монтаж в радиоелектронната промишленост и може да се използва при производството на полупроводникови устройства. Основното техническо предизвикателство е рязкото увеличаване на честотните свойства на пакетите на полупроводникови устройства за повърхностен монтаж. Тази задача се постига чрез промяна на дизайна на държача на кристала на корпуса чрез въвеждане на изолиращо топлопроводимо керамично уплътнение за монтиране на полупроводникови кристали и три изолирани извода от планарен тип. Корпусът за повърхностен монтаж съдържа метална основа 1, топлоотвеждащ плосък керамичен изолатор, метализиран от двете страни 2, керамична изолационна рамка 3, метална капачка-балон 4, токоотвеждащи вложки в керамична рамка 5, изходи 6 .
Полезният модел е корпус за полупроводникови устройства, за повърхностен монтаж, предназначен да предпазва полупроводниковите кристали от климатични, механични, електромагнитни и други видове влияния и може да се използва в радиоелектронната, електрическата промишленост за производство на полупроводници с висока мощност устройства.
При конструирането на пакети за повърхностно монтирани полупроводникови устройства се използват керамично-метални радиотехнически материали, които имат висока механична и електрическа якост, устойчивост на термични и енергийни цикли, климатични и електромагнитни влияния.
Конструкцията на корпуса за повърхностен монтаж на полупроводникови устройства съдържа кристален държач, изработен от метална основа, електроизолираща керамична рамка със запоени в нея метални вложки-изводи и капак-балон.
Прототипът на предложения полезен модел е корпусът за повърхностен монтаж KT94-1-1.01, KT95-1, KT106-1, съдържащ керамично-метален кристален държач, състоящ се от метална основа, изолираща керамична рамка с два запоени токо- носещи метални вложки и метализиран релеф по контура; два изолирани тоководещи проводника, запоени към металните вложки на металната рамка и металния цилиндър - капак.
Тази задача се постига чрез факта, че металната основа е изолирана от полупроводниковия кристал чрез запояване върху него на изолиращо топлоотвеждащо керамично уплътнение, изработено от BeO; AlN; Si3N4; BN и др. метализирани от двете страни и в керамична рамка на кристалодържача се извършва чрез запояване на три планарни метални извода.
Промяната на топологичния модел на топлоотделящ керамичен изолатор дава възможност за прилагане на различни опции за сглобяване на кристали на полупроводникови устройства.
Фигура 1 показва общ изглед на корпуса за повърхностен монтаж: корпусът съдържа метална основа 1, топлоотделящ плосък керамичен изолатор, метализиран от двете страни 2, керамична изолационна рамка 3, метална капачка-балон 4, проводими метални вложки в керамичната рамка 5, изход 6 .
Металните части на кутията 1, 4, 5, 6 са изработени чрез щамповане, керамичният изолатор-рамка 3 е изработен чрез пресоване, леене и високотемпературна метализация за уплътнителния шев и токоотвеждащите отвори чрез пресоване, висока температура леене и формоване,
Изолационната топлоотвеждаща керамика 2 се произвежда чрез пресоване, леене и високотемпературна обработка с метализация на определен модел или топология.
Уплътняването на капака-цилиндър 4 с металокерамичен кристален държач се извършва чрез заваряване с шевове и други технологични методи.
Пакет от полупроводникови устройства за повърхностен монтаж, съдържащ кристален държач, състоящ се от плоска метална основа, керамична рамка, планарни проводници и капак, характеризиращ се с това, че керамично-металният кристален държач съдържа топлопроводимо изолиращо керамично уплътнение и три изолирани планарни проводници.