Что такое полупроводники в автомобиле

Дефицит полупроводников останавливает мировой автопром. Что происходит?

Рост спроса на высокопроизводительные компьютеры в пандемию, когда большинство людей перешли на удаленную работу, спровоцировал дефицит чипов в других отраслях производства. Крупные мировые производители техники и целые отрасли столкнулись с проблемами в поставках — в частности, из-за нехватки полупроводников остановились автомобильные заводы. Разбираемся, как дефицит полупроводников влияет на крупные компании и что будет дальше.

Причины нехватки полупроводников — пандемия и Дональд Трамп

Среди причин глобального сокращения полупроводников называются две основные: последствия пандемии и торговых войн США и Китая, начатых при президенте Дональде Трампе.

Негативно на поставках полупроводников сказалось и торговое противостояние США и Китая. В прошлом году власти Штатов наложили ограничения на крупнейшего китайского производителя чипов Semiconductor Manufacturing International (SMIC). В результате компания осталась без возможности закупать оборудование для производства и продавать полупроводники американским компаниям. Заказчики были вынуждены сотрудничать с его конкурентами — например, Taiwan Semiconductor Manufacturing (TSMC). Как итог — произошло серьезное перераспределение цепочек поставок чипов.

Многие производители полупроводников сейчас — это так называемые «безфабричные производства» (англ. fabless). Они лишь разрабатывают технологию, а само производство чипов передают на аутсорс.

Но некоторые компании заранее подготовились к возможным сбоям и закупили полупроводники еще до введения жестких санкций против китайского бизнеса. Так поступила Huawei, сделавшая запасы важных для нее радиочипов. Среди автопроизводителей так сделала Toyota, заявившая, что не планирует сокращать производство, так как накопила запасы полупроводников на четыре месяца вперед.

Из-за дефицита чипов больше всего пострадали автопроизводители

Сильнее всего нехватка полупроводников ударила по автопроизводителям, которые используют их для программного обеспечения машин. О приостановках или замедлении в выпуске автомобилей уже заявили GM, Ford, Volkswagen, Honda, Fiat Chrysler, Volvo, Nissan, Mitsubishi, Nio.

Дефицит микросхем задел производителей процессоров для электроники Qualcomm и AMD, поставляющих детали для технологических гигантов, в том числе Sony и Microsoft. Sony заявила, что сложности с поставками полупроводников могут привести к дефициту игровых консолей PlayStation 5. Даже Apple не справляется с нехваткой полупроводников — компания не может полностью закрыть высокий спрос на новые модели iPhone.

Автомобильные производства конкурируют с технологическими компаниями за поставки чипов не напрямую, так как для автомобилей не всегда нужны столь же современные полупроводники, как и для гаджетов. Они покупают чипы, которые как управляют основными процессами в машине, так и используются в более второстепенном ПО.

Особенность цикла цепочек поставок в автопроизводстве — все детали закупаются точно к моменту сборки, запасов на будущее не делается. Но отсутствие даже одного чипа может остановить производственную линейку крупного завода.

По значимости для производителей чипов автомобилестроительные компании на втором месте после технологических, так как создатели гаджетов заключают долгосрочные контракты на поставку. В 2020 году только 3% продаж TSMC приходилось на автомобильные чипы, а на полупроводники для смартфонов — 48%.

Что происходит с автомобильными компаниями из-за дефицита полупроводников

Honda — останавливает шесть заводов в США, Канаде и Мексике.

Hyundai — сократил работу в выходные дни, чтобы скорректировать производство таких брендов, как Kona, Avante, Grandeur и Sonata.

Volvo — сократил производство грузовиков по всему миру.

Nissan — скорректирует производства на заводах в США и Мексике.

Nio — приостановила производство автомобилей на заводе Хэфэй. Компания снизила прогноз по производству на первый квартал до 19,5 тыс. единиц (предыдущий прогноз: 20–20,5 тыс. единиц).

Toyota — приостановила производство в Чехии.

Volkswagen — приостановил производство на заводе в Португалии.

Mitsubishi — сократил производство на внутреннем рынке на 4–5 тыс. единиц в марте и пересматривает производственный план на апрель.

Какие еще факторы влияют на дефицит полупроводников

TSMC — главный бенефициар дефицита полупроводников

Главные производители чипов на данный момент — тайваньская TSMC и южнокорейский Samsung. TSMC контролирует более половины мирового рынка микросхем, изготавливаемых на заказ. Сейчас компания строит новый завод. Предполагается, что полупроводники с нового производства станут на 70% более быстрыми и эффективными, чем прежние. Производство будет запущено в 2022 году.

Производством чипов занимается и Intel, однако американская компания не справляется с этой задачей на 100% и часть работ передает на аутсорс TSMC. По данным Financial Times, Intel уже обговаривает возможное партнерство с TSMC по новому производству в Тайване. Аналитик по производству микросхем в Bernstein Марк Ли считает, что в 2023 году Intel передаст TSMC на аутсорс 20% производства процессоров.

В феврале TSMC объявила о создании дочерней компании в Японии для проведения исследований в области новых полупроводниковых материалов.

По мнению аналитиков, одна из ключевых причин, по которой TSMC настолько эффективна и прибыльна, это концентрация производства в Тайване. По оценкам приближенных к компании людей, производственные затраты в США будут на 8–10% выше, чем в Тайване.

Европейские компании занимаются разработкой полупроводников, но избегают создания собственных производств, а вместо этого передают большую часть работ сторонним компаниям вроде TSMC. Поэтому производство микросхем в Европе на несколько поколений отстает от лидеров отрасли, таких как TSMC и Samsung. Остальные мелкие производители серьезно уступают лидерам в технологиях и производственных мощностях.

Проблема с нехваткой полупроводников начинает набирать все большие обороты: правительства и компании уже высказывают обеспокоенность тем, что дефицит микросхем может замедлить восстановление экономики после пандемии.

Samsung предупреждает, что сбои с поставками чипов могут распространиться и на более широкий технологический сектор.

В исследовательской компании TrendForce считают, что общеотраслевые усилия по ускорению производства автомобильных микросхем могут привести к замедлению поставок полупроводников для бытовой электроники и промышленных приложений.

Больше новостей об инвестициях вы найдете в нашем аккаунте в Instagram

Источник

Автомобильный справочник

для настоящих любителей техники

Полупроводниковые технологии в автомобилестроении

Тенденции развития автомобильного транспорта, применение современных двигателей, выполняемых на основе принципиально новых конструктивных решений и материалов, выдвигают требования работы электронных устройств в расширенных температурных диапазонах и меньших по объему пространствах. Поиск альтернативных методов получения энергии и развития беспроводных коммуникационных систем требуют повышения многофункциональности и снижения энергоемкости используемых для решения этих задач микроэлектронных устройств. Вот о том, что представляют собой современные полупроводниковые технологии в автомобилестроении, мы и поговорим в этой статье.

Электрическая проводимость твердых тел

Способность отдельных материалов проводить электрический ток определяется количеством и подвижностью имеющихся в них свободных носителей заряда. Так, различие в удельной электропроводимости для твердых тел при комнатной температуре проявляется в преде­лах диапазона, определяемого от 10-й до 24-й степени. Поэтому материалы соответствующим образом могут быть подразделены по электри­ческим свойствам на три электрических класса. В табл. «Классификация проводимости материалов» приведено их описание с примерами.

Проводники (металлы)

В твердых телах содержится приблизительно 10 22 атомов на кубический сантиметр. Вместе их удерживают электрические силы. В ме­таллах имеется большое число свободных носителей заряда (один свободный электрон приходится на атом). Свободные носители зарядов обеспечивают металлам высокую электрическую проводимость. Для хоро­ших проводников она составляет примерно 10 6 См/см.

Диэлектрики (изоляторы)

Число свободных носителей заряда, обнару­живаемое в изоляторах, практически равно нулю. Соответственно, их электрическая про­водимость незначительна. Для хороших изо­ляторов она составляет примерно 10 18 См/см.

Полупроводники

Полупроводники по электрической проводи­мости занимают промежуточное положение между металлами и изоляторами. Это — в от­личие от проводимости металлов и диэлек­триков — в значительной степени зависит от следующих факторов:

Так как полупроводники зависят от указанных факторов, они пригодны для использования в ка­честве датчиков давления, температуры и света.

Легирование полупроводников

Электрическая проводимость полупроводников

Рассмотрим изменение этого параметра на примере кремния. В твердом состоянии кремний имеет кристаллическую решетку с четырьмя равноудаленными смежными атомами. Каждый атом кремния имеет че­тыре валентных электрона с двумя парными электронами, формирующими валентную связь между каждой парой атомов крем­ния. В таком идеальном состоянии кремний не имеет свободных носителей заряда и не является проводимым. Условия резко из­меняются при добавлении соответствующей присадки и подводе энергии.

Здесь мы поясним легирование на простой и очевидной модели. Тем не менее, важно помнить, что далеко не все эффекты можно объяснить при помощи этой модели.

n-легирование

р-легирование

Введение примесных атомов с тремя валент­ными электронами (например, бор) обеспе­чивает появление дырок, так как атом бора имеет на один электрон меньше, чем в кри­сталлической решетке кремния (рис. в, «Лигированный кремний«). Дырка означает нехватку электрона. Дырки перемещаются внутри кремния; в электриче­ском поле они перемещаются в направлении, противоположном направлению движения электронов. Дырки являются носителями свободного положительного заряда. Таким образом, каждый дополнительный атом бора предоставляет свободную положительно за­ряженную дырку (положительная дырка). Кремний превращается в p-проводник и на­зывается кремнием р-типа.

Собственная электропроводность

Под действием температуры и света в необ­работанном кремнии могут образоваться свободные носители заряда, представляющие собой связанные электронно-дырочные пары (экситоны), которые обеспечивают материалу собственную проводимость. Она является объединением проводимостей р- и n-типа, по­лучаемых легированием. Повышение темпера­туры ведет к экспоненциальному росту числа электронно-дырочных пар, в конечном счете устраняющему разность электрических потен­циалов между р- и n-областями, созданными легированием. Это явление налагает ограни­чение температуры, которым могут подвер­гаться полупроводниковые компоненты. Для германия — это 90-100 °С, для кремния —150— 200 °С, а для арсенида галлия — 300-350 °С.

В полупроводниках как n-, так и р-типа всегда имеется небольшое количество носи­телей заряда противоположной полярности. Их наличие сказывается на рабочих характе­ристиках практически всех полупроводнико­вых приборов.

p-n-переход

Пограничный слой между р и n-областью в пределах одного и того же кристалла полу­проводника называется p-n-переходом. Его свойства определяют рабочие характери­стики большинства полупроводников.

р-n-переход без внешнего электрического напряжения

P-область характеризуется наличием большого количества дырок, в то время как n-область имеет их очень немного. В n-области присутствует большое количество электронов, в то время как в p-области их исключительно мало. Каждый тип подвиж­ного носителя заряда стремится двигаться в противоположную зону (диффузионные токи) (рис. в, «р-n-переход в диоде» ).

Диффузия дырок в n-область приводит к тому, что p-область становится отрицательно заряженной в области пространственного за­ряда, так как отрицательно заряженные атом­ные радикалы, например, бора, остаются неподвижными. Недостаток электронов при­водит к тому, что n-область становится по­ложительно заряженной, так как в ней обра­зуется избыток неподвижных положительно заряженных атомных радикалов, например, фосфора. Возникает разность потенциалов между p- и n-областями (потенциал поля p-n-перехода U_D), противодействующая ми­грации носителей заряда и в конечном счете приводящая к полному прекращению обмена дырок и электронов. Потенциал U_D создан за счет диффузии, и его невозможно непо­средственно измерить извне, для кремния он обычно составляет всего лишь 0,6 В.

В p-n-переходе образуется область с не­достаточным количеством подвижных носи­телей заряда. Эта зона называется областью пространственного заряда или запирающим слоем. Она имеет электрическое поле, напря­женность которого также зависит от внеш­него приложенного напряжения.

р-n-переход с внешним электрическим напряжением

Теперь можно описывать условия работы ди­ода, так как p-n-переход соответствует струк­туре диода. Анод находится в p-легированном кремнии, а катод — в n-легированном кремнии.

При подаче напряжения U в обратном направлении (отрицательный полюс — в p-области, а положительный — в n-области) область пространственного заряда расширя­ется (рис. с, «р-n-переход в диоде» ). В этих условиях электрический ток I прерывается, за исключением мини­мального остаточного тока (обратный ток), поддерживаемого незначительным количе­ством носителей заряда. Напряжение U затем падает в области пространственного заряда. Соответственно, эта область становится зоной высокой напряженности электрического поля.

Напряжение туннельного пробоя р-п- перехода — это напряжение обратной полярно­сти и такой величины, когда минимальное его увеличение становится достаточным для рез­кого возрастания обратного тока (рис. «Вольт-амперная характеристика кремниевого диода» ). Этот эффект объясняется следующим. Электроны, достигающие области пространственного за­ряда, значительно ускоряются за счет высокой напряженности поля. Таким образом, они мо­гут, в свою очередь, генерировать свободные носители заряда в результате такого воздей­ствия; этот эффект также известен как ударная ионизация. Это приводит к резкому возрас­танию тока и вызывает лавинный пробой. До­полнительно к лавинному пробою на основе туннельного эффекта возникает также зене­ровский пробой. Пробой может привести к нарушению p-n-перехода и поэтому иногда нежелателен. Тем не менее, во многих случаях пробой бывает полезен. Лавинный и зенеров­ский пробои возникают только в том случае, когда диод работает в обратном направлении.

При подаче напряжения U в прямом направ­лении (положительный полюс в p-области, а отрицательный — в n-области) область про­странственного заряда уменьшается (рис. d, «р-n-переход в диоде» ). Носители заряда проникают в p-n-переход под действием большого тока в прямом направле­нии (рис. «Вольт-амперная характеристика кремниевого диода» ), так как область пространствен­ного заряда больше не имеет значительного сопротивления. Эффективно только объемное сопротивление, то есть активное сопротивле­ние легированных слоев. Ток I возрастает экс­поненциально как функция U. Однако, следует помнить о «тепловом пробое», так как при этом полупроводник может полностью выйти из строя из-за перегрева. Это может прои­зойти, например, если диод работает в прямом направлении при недопустимо высоком токе.

Источник

Горе от ума: на автозаводах заканчиваются микросхемы. Что такое «полупроводниковый кризис»?

В полушаге от беспилотной эры у мирового автопрома возник дефицит искусственного интеллекта. Вернее, «железа» для него — заводам не хватает микросхем!

П олупроводниковый кризис, а простыми словами — дефицит компьютерных «мозгов». Сюжет, достойный Азимова, Пелевина или братьев Вачовски, которые уже сестры. ­Постапокалиптический пейзаж, общество в цифровом делириуме, выживание отдельного человека полностью зависит от супергаджетов, которые не только добывают криптовалюту, но и обеспечивают доступ к таким жизненно важным ресурсам, как онлайн-магазины, виртуальные игры и автономный транспорт. Однако прогресс разогнался до таких скоростей, что уже недостаточно раз в год менять гаджеты на более мощную модель, обновления требуются ежедневно, поэтому в технику каждое утро нужно заливать не топливо, а дополнительные «мозги». Проблема только в том, что микросхем на всех не хватает. Кто достал хоть какие-то дополнительные чипы — имеет право шагнуть в завтра, а тому, кто не смог, дедушка Дарвин шлет воздушный поцелуй на прощание.

Эх, жаль ничего подобного пока не сочинили. Хотя реальность не менее изобретательна. Оцените цепочку событий и явлений. Начало 2020 года — коронавирус и вынужденная изоляция парализуют продажи автомобилей, заводы встают, автопроизводители отменяют заказы на комплектующие, включая и такие компоненты, как полупроводниковые микросхемы в составе всевозможных блоков управления. Освободившиеся квоты на микрочипы тут же разбирают производители электроники — у них-то как раз бум, только успевай штамповать ­ноутбуки, приставки, смартфоны и все, на чем можно запустить Zoom или видеоигры. Параллельно начинает взлетать курс биткоина и, следовательно, спрос на видеокарты для криптоферм. В структуре «потребления» полупроводниковых схем, по оценке компании IC Insights, производители компьютеров в ­2019—2020 годах занимали 32%, на смартфоны уходило 28% микрочипов, на бытовую электронику 14%, тогда как автомобили забирали всего 10%. Словом, из-за временной паузы в автопроме и появления лишних микросхем никто особенно не расстроился. Скорее даже наоборот.

Источник

Почему дефицит микросхем – это миф, но автокомпаниям и дилерам он выгоден

Марк Лю, глава одного из крупнейших производителей микрочипов в мире, Taiwan Semiconductor Manufacturing Co (TSMC), который является поставщиком Apple, Intel, Qualcomm и AMD, развенчал миф о дефиците микросхем для автомобилей

В прошлом году автопром сильно пострадал из-за локдаунов. Автокомпаниям приходилось закрывать заводы, а дилерам – шоу-румы и торговать машинами буквально из-под полы. Словом все они понесли солидные издержки, а эти издержки нужно как-то покрывать. Но как? Просить помощи от государства? Оно конечно поможет, но долги придется отдавать. Резко поднять цены на автомобили? Покупатели не поймут, и продажи могут упасть еще сильнее. Выпускать больше машин и заработать за счет объема? Увы, рынок не бездонный и даже с учетом отложенного спроса может возникнуть затоваривание, а, следовательно, вновь придется нести убытки.

И на данном этапе рассуждений в голову какого-то менеджера приходит гениальная по своей простоте мысль: а что если создать искусственный дефицит? Все мы знаем, что происходит, когда возникает нехватка того или иного ходового товара, будь то гречка или туалетная бумага – покупатели начинают сметать его с полок по любой цене.

Аналогичная история повторилась и с автомобилями. Их вдруг стало не хватать, причем по всему миру. Покупатели же готовы были тратить деньги, которые накопились за счет отложенных поездок на отдых и «вертолетной» финансовой помощи от государства (в развитых странах). Машину захотели иметь даже те, кто раньше о ней и не думал: в постковидную эпоху личный транспорт стал своего рода «оберегом», защищающим человека от вирусов.

Словом спрос появился нешуточный, а вот машин сильно больше производиться не стало. А что делают продавцы, когда спрос превышает предложение? Правильно – повышают цены. Причем повышают ровно на столько, насколько покупатели готовы переплатить. Если есть люди, согласные взять новый Land Cruiser, на который дилер накинул миллион сверху, как-то странно продавать этот же внедорожник за официальный прайс.

Не знаю, кто начал эту спекулятивную игру первым – дилеры или сами автопроизводители, но она оказалась выгодна и тем и другим. Одни смогли быстро заработать и отбить убытки от локдауна, другие – стали делать больше машин в дорогих комплектациях, которые приносят наибольшую прибыль – ведь покупатель готов купить все, что ему дают. Плюс заводы получили заказы на месяцы вперед, а вместе с ними и уверенность в завтрашнем дне. Ну и зачем, спрашивается, им нарушать эту идиллию? Гораздо проще сослаться на мифический дефицит микросхем, оправдывая многомесячные очереди и улетевшие в космос цены на машины.

Хотя здесь тоже все не так просто. Ведь автоконцерны формально не причем, и винят во всех грехах производителей автокомпонентов – это им не хватает чипов. Тот же завод Bosch Самара, сорвавший поставки блоков ABS/ESP на конвейер АВТОВАЗа, прогремел на всю страну. И подумайте, стал бы немецкий бренд портить свою репутацию, только для того, чтобы автопроизводитель и его дилер смогли больше заработать на дефиците машин?

А может быть, чипы оседают на складах перекупщиков, которые тянут с поставками для того, чтобы тоже заработать? Такой вариант исключать нельзя. Более того, возможен даже «заговор» на уровне… правительств! И это не шутка: американцы уже давно хотели развернуть масштабное производство микросхем у себя дома, чтобы не зависеть от несговорчивого Китая и других азиатских поставщиков – а тут и повод подвернулся, под который можно запросить у государства дополнительные ассигнования на строительство новых заводов.

Источник

Автомобильный справочник

для настоящих любителей техники

Полупроводниковые приборы в автомобиле

Использование одного или нескольких p-n-переходов в одном кристалле полупро­водника позволяет создавать недорогие, надежные и компактные полупроводниковые приборы. Вот о том, какие полупроводниковые приборы получаются при использовании p-n-переходов, мы и поговорим в этой статье.

Один p-n-переход образует диод, два p-n-перехода используются в транзисто­рах. Планарная технология позволяет соче­тать в одном кристалле различные элементы и формировать интегральные полупрово­дниковые микросхемы. Полупроводниковые микросхемы занимают от одного до сотен квадратных миллиметров и обычно устанав­ливаются в стандартные оболочки (металли­ческие, керамические, пластиковые).

Диоды

Диод — полупроводниковое устройство, содер­жащее один p-n-переход. Свойства единич­ного диода определяются схемой распределе­ния легирующей примеси в кристалле. Диоды, способные пропускать в прямом направлении ток более 1 А, считаются силовыми.

Выпрямительный диод

Выпрямительный диод действует как одно­именная электронная лампа — пропускает ток в одном направлении, т.е. идеально под­ходит для выпрямления переменного тока. Обратный ток бывает приблизительно в 10 7 раз меньше, чем ток в прямом направлении (рис. «Вольтамперная характеристика кремниевого диода» ). Он сравнительно быстро возрастает при повышении температуры.

Выпрямительный диод для высокого обрат­ного напряжения

Напряжение в выпрямителях с высоким об­ратным напряжением падает в области про­странственного заряда. Так как эта область, как правило, размером всего несколько микрон, для нее характерна высокая напряженность электрического поля, при которой свободные электроны могут значительно ускоряться. Уско­ренные электроны могут привести к разрушению полупроводника (лавинный пробой). Чтобы из­бежать этого, между р- и n-слоями размещают слой с собственной проводимостью, так как этот слой содержит некоторое количество свободных электронов, что снижает опасность пробоя.

Переключательный диод

Переключательный диод обычно используется для бы­строго переключения между высоким и низким полными сопротивлениями. Более быстрая ха­рактеристика переключения может достигаться путем диффузии золота в материал (обеспе­чивает электронно-дырочную рекомбинацию).

Диод Зенера

В диоде Зенера при достижении некоторого начального уровня обратного напряжения происходит резкое возрастание электриче­ского тока. Это явление соответствует пробою Зенера (туннельный пробой p-n-перехода) и/ или лавинному пробою. Диоды Зенера пред­назначены для непрерывной работы в режиме пробоя. Они часто используются для обеспе­чения постоянного или опорного напряжения.

Варикап

Область пространственного заряда в p-n-переходе функционирует как конденсатор. Диэ­лектрик конденсатора представляет собой полу­проводниковый материал, в котором отсутствуют носители заряда. Повышение напряжения рас­ширяет обедненный слой и уменьшает емкость, а уменьшение напряжения ее повышает.

Диод Шотки

Имеет переход типа металл-полупроводник (барьер Шотки). Поскольку электроны более свободно перемещаются из кремния n-типа в металлический слой, а не наоборот, область, обедненная электронами, становится полу­проводниковым материалом — это и есть «ба­рьер Шотки». Заряды переносятся исключи­тельно электронами, при этом незначительное число переносчиков не позволяет заряду на­капливаться, результатом чего является очень быстрое переключение. Прямое напряжение и, следовательно, падение напряжения в диодах Шотки примерно на 0,3 В меньше, чем в крем­ниевых диодах (примерно 0,6 В).

Солнечный элемент

Фотогальванический эффект используется для преобразования световой энергии не­посредственно в электрическую. Солнечные элементы, состоящие, главным образом, из полупроводниковых материалов, в которых на свету образуются свободные носители заряда, — основные элементы фотогальвани­ческой технологии.

Воздействие света может привести к образованию свободных носителей заряда (электронно-дырочной пары) в полу­проводнике. Если полупроводник содержит p-n-переход, свободные носители заряда раз­деляются в его электрическом поле перед тем, как воздействовать на металлические кон­такты на поверхности полупроводника. Посто­янное напряжение (напряжение фото сигнала) возникает между контактами. В зависимости от используемого материала полупрово­дника электрический потенциал изменяется в интервале от 0,5 до 1,2 В. Это происходит только тогда, когда кванты света обладают, по крайней мере, энергией, необходимой для создания электронно-дырочной пары. Теоре­тический КПД кристаллических кремниевых солнечных элементов составляет около 30%.

Фотодиод

В фотодиоде используется фотогальва­нический эффект, р-n-переход работает в обратном направлении. Падающий свет соз­дает дополнительные электроны и дырки. Это приводит к пропорциональному росту обратного (фотогальванического) тока в за­висимости от интенсивности света. Таким об­разом, фотодиод, в принципе, очень похож на солнечный элемент.

Светодиод (LED)

Светоизлучающий диод, или светодиод пред­ставляет собой электролюминесцентный ис­точник света, состоящий из полупроводни­кового элемента с p-n-переходом. Во время работы носители заряда (электроны и дырки) рекомбинируют в прямом направлении. Вы­свобождаемая в ходе этого процесса энергия преобразуется в энергию электромагнитного излучения.

В зависимости от выбора полупроводника и его легирования светодиод излучает в ограниченном спектральном диапазоне. Как правило, используются арсенид галлия (ин­фракрасный спектр), арсенидфосфид галлия (от красного к желтому) и фосфид галлия (зеленый) и нитрид индия-галлия (синий). Для генерирования белого света исполь­зуется либо комбинация трех светодиодов основных цветов (красный, зеленый, синий), либо осуществляется возбуждение люми­несцентной краски при помощи светодиода, излучающего синий свет или свет в ультра­фиолетовом диапазоне.

Биполярные транзисторы

Два смежных р-n-перехода создают тран­зисторный эффект, который используется в компонентах, предназначенных для усиления и переключения электрических сигналов. Имеются три различных зоны проводимо­сти, при этом могут использоваться схемы как р-п-р, так и п-р-п. Зоны (и их выводы) называются эмиттером (Е), базой (В) и кол­лектором (С) (рис. «Транзистор n-р-n типа» ).

В зависимости от области применения транзисторы разделяются на различные классы: транзисторы малой мощности (рассе­иваемая мощность до 1 Вт); силовые транзи­сторы, коммутирующие транзисторы; высо­кочастотные транзисторы; СВЧ-транзисторы; фототранзисторы. Они называются биполяр­ными, потому что в транзисторном эффекте принимают участие носители заряда обеих полярностей (дырки и электроны).

Работа биполярного транзистора

Работа биполярного транзистора поясня­ется на примере транзистора п-р-п-типа (рис. «Принцип действия транзистора n-р-n типа» ). Транзистор p-n-p-типа получа­ется аналогично, путем переключения n- и р-легированных зон.

Благодаря включенному в обратном на­правлении диоду между базой и эмитте­ром, из эмиттера в базу течет большой ток, состоящий из электронов. Однако только небольшая часть электронов может реком­бинировать со значительно меньшим коли­чеством дырок и утекать через вывод базы, как ток базы I_в. Следует иметь в виду, на рис. «Транзистор n-р-n типа» показано техническое направление тока, т.е. направление движения носителей положительного заряда. Значительно боль­шее количество электронов, инжектирован­ных в базу, диффундирует через зону базы в переход база-коллектор и затем проходит к коллектору, как ток коллектора I_с (рис. «Принцип действия транзистора n-р-n типа» ). Поскольку диод «база-коллектор» включен в обратном направлении, и преобладает об­ласть пространственного заряда, практиче­ски все (приблизительно 99 %) электроны, вытекающие из эмиттера, «вытягиваются» сильным электрическим полем, имеющим место в области пространственного заряда из коллектора. При этом имеет место при­близительно линейная зависимость между током коллектора I_с и током базы I_в:

где значение В (коэффициент усиления по току) составляет обычно от 100 до 800. В би­полярном транзисторе имеет место также следующее соотношение для тока эмиттера I_Е (см. рис. «Транзистор n-р-n типа» и «Принцип действия транзистора n-р-n типа» ):

В связи с тем, что I_в за счет коэффициента усиления по току В значительно меньше, чем I_с:

Очень тонкий (и относительно низколеги­рованный) слой базы представляет собой барьер, проводимость которого может регу­лироваться посредством изменения напря­жения база-эмиттер U_ВЕ. Путем небольших изменений U_ВЕ и тока базы I_в, можно управ­лять значительными изменениями тока кол­лектора I_с и напряжения коллектор-эмиттер U_CE. Таким образом, малые изменения I_в вызывают значительные изменения тока коллектора I_с. Транзистор п-р-п-типа явля­ется биполярным, управляемым током полу­проводниковым усилителем. В целом имеет место усиление мощности.

Выходные характеристики транзистора п-р-п-типа показаны на рис. «Выходные характеристики транзистора n-р-n типа«. Начиная с напряжения насыщения U_СЕ, равного при­близительно 0,2 В, ток коллектора I_с зависит практически только от тока базы I_в. Эта об­ласть имеет название «активной зоны»: здесь U_CE практически не оказывает влияние на I_с, и имеет место следующее соотношение:

Область, которой напряжение коллектор- эмиттер ниже напряжения насыщения, на­зывается «зоной насыщения». В этой зоне /_с резко возрастает с увеличением U_СЕ.

Полевые транзисторы

Управление током в полевых транзисторах (FET) осуществляется электрическим полем, которое генерируется напряжением, при­кладываемым к управляющему электроду (рис. «Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа» ). В полевых транзисторах использу­ется только один тип носителей заряда (элек­тронов или дырок), поэтому их называют также «униполярными». Существуют следу­ющие виды полевых транзисторов: полевой транзистор с управляющим p-n-переходом (FET, JFET) и полевые транзисторы с изо­лированным затвором, в частности полевые MOS-транзисторы (на основе структуры металл-оксид-полупроводник).

Полевые MOS-транзисторы хорошо подхо­дят для применения в интегральных схемах с высокой степенью интеграции. Полевые транзисторы большой мощности во многих случаях представляют серьезную альтерна­тиву биполярным транзисторам.

Преимущества биполярных и полевых транзисторов используются в силовых электронных элементах, известных под на­званием «биполярные транзисторы с изо­лированным затвором» (IGBT), которые де­монстрируют низкое сопротивление (малые потери мощности) и сравнительно низкую мощность, требуемую для управления.

Работа обедненного слоя (управляющего р-n-перехода) полевого транзистора с управляющим р-n переходом

Работа полевого транзистора с управляющим p-n-переходом поясняется на примере тран­зистора с каналом n-типа (рис. «Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа«). Выводы полевого транзистора имеют названия затвор (G), исток (S) и сток (D).

Положительное прямое напряжение U_DS приложено к концам кристалла p-типа. При этом электроны движутся от истока (S) к стоку (D) по каналу, ширина которого опреде­ляется двумя поперечно-диффундирующими областями p-типа и отрицательным напряже­нием затвор-исток U_GS. Таким образом, на­пряжение U_GS между затвором (G) и истоком (S) управляет величиной тока I_D между ис­током и стоком (D).

Для работы полевого транзистора тре­буются носители заряда только одной по­лярности, а мощность, необходимая для управления током, фактически равна нулю. Таким образом, полевой транзистор с управ­ляющим p-n-переходом представляет собой униполярный, управляемый напряжением компонент. Увеличение U_GS вызывает расши­рение областей пространственного заряда и их внедрение в каналы, что приводит к суже­нию канала и, следовательно, к ограничению пути тока (показано на рис. «Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа» пунктирными линиями). Если напряжение U_GS на затворе равно нулю, сечение канала между двумя зонами p-типа не ограничено, и ток I_D стока D к истоку S имеет максимальное значение.

Кривая переходной характеристики, т.е. I_D в функции U_GS выглядит точно так же, как характеристическая кривая самопроводящего полевого транзистора с каналом n-типа (NM0S), как показано на рис. с, «Полевой MOS-транзистор с каналом n-типа«.

Работа MOS-транзистора

Работа MOS-транзистора (металл-оксид- полупроводник) поясняется на примере самоблокирующегося (обогащенного типа) канала n-типа M0SFET (рис. «Сечение полевого MOS-транзистора с каналом n-типа» ). Если к электроду затвора никакого напряжения не прикладывается, между истоковой и стоко­вой областями ток протекать не будет: р-п-переход остается закрытым. Подача поло­жительного напряжения на затвор вызывает, за счет электростатической индукции, в зоне p-типа под этим затвором, смещение дырок внутрь кристалла, а электронов, которые всегда присутствуют в кремнии р-типа, как вторичные носители заряда, притягиваются к поверхности. Под поверхностью кристалла формируется узкий слой (канал) n-типа. Теперь электрический ток может проходить между двумя n-областями (исток и сток). Он обеспечивается исключительно электронной проводимостью. Поскольку напряжение за­твора подается на изолирующий оксидный слой, то в управляющей цепи ток отсутствует, и мощности на выполнение управляющих функций не требуется.

Выходная характеристика самоблокирую­щегося полевого MOS-транзистора с каналом n-типа представлена на рис. «Выходная характеристика канала n-типа полевого MOS-транзистора«. Область, лежа­щая ниже кривой напряжения насыщения U_K, т.е. область, в которой U_DS U_K, выходной ток I_D практически не зависит от напряжения исток-сток U_DS. Эта область известна под на­званием области отсечки. Величина I_D зависит только от напряжения затвор-исток U_GS. Рас­считывается по формуле:

К — коэффициент пропорциональности (среди прочего зависящий от технологии изготовления),

U_T — пороговое напряжение, начиная с которого транзистор начинает про­водить ток, т.е. при котором образуется канал (см. рис. с, «Полевой MOS-транзистор с каналом n-типа» ).

р-канальные MOS-транзисторы, n-канальные MOS-транзисторы и CMOS-транзисторы

Так же как для n-канальных MOS-транзисторов, смешанное легирование дает р-канальный MOS-транзистор. Так как элек­троны в n-канальном MOS-транзисторе более подвижны, он работает быстрее по сравне­нию с р-канальным MOS-транзистором.

Также применяется технология, основан­ная на соединенных попарно р-канальных и n-канальных MOS-транзисторах в одном крем­ниевом кристалле. Такие устройства называ­ются комплементарными MOS-транзисторами (CMOS-транзисторами, см. рис. «CMOS-инвертор на основе p-MOS и n-MOS структур» ). Особен­ными преимуществами CMOS-транзисторов можно назвать крайне низкое рассеивание энергии, высокую степень устойчивости к по­мехам, относительную нечувствительность к изменению напряжения питания.

Гибридная технология BCD

Все более важную роль начинают играть интегрированные структуры для силовой электроники. Такие структуры реализуются путем объединения биполярных и M0S-компонентов в одном кремниевом чипе, что позволяет использовать преимущества обеих технологий. Гибридная технология BCD, ис­пользуемая для получения силовых MOS-компонентов (DMOS-структуры), играет важ­ную роль в автомобильной электронике. Эта технология представляет собой комбинацию CMOS и DMOS-технологий.

Источник