Polovodičová zařízení a obvody, aplikace

Vyzkoušejte Náš Nástroj Pro Odstranění Problémů





Polovodičové zařízení je vyrobeno z materiálu, který není ani dobrým vodičem, ani dobrým izolátorem, nazývá se polovodič. Taková zařízení zavedla široké aplikace kvůli jejich spolehlivosti, kompaktnosti a nízké ceně. Jedná se o diskrétní součásti, které se používají v napájecích zařízeních, kompaktních optických senzorech a světelných zářičích, včetně polovodičových laserů. Mají širokou škálu schopností manipulace s proudem a napětím, s proudovým hodnocením více než 5 000 ampérů a jmenovitým napětím více než 100 000 voltů. Co je důležitější, polovodičová zařízení umožňují integraci do složitých, ale snadno se budujících mikroelektronických obvodů. Mají pravděpodobnou budoucnost, klíčové prvky většiny elektronických systémů, včetně komunikace se zařízeními pro zpracování dat, spotřebiteli a průmyslovými řídicími zařízeními.

Co jsou to polovodičová zařízení?

Polovodičová zařízení nejsou nic jiného než elektronické komponenty které využívají elektronické vlastnosti polovodičových materiálů, jako je křemík, germanium a arsenid galia, stejně jako organické polovodiče. Polovodičová zařízení nahradila elektronky v mnoha aplikacích. Používají elektronické vedení v pevném stavu na rozdíl od termionické emise ve vysokém vakuu. Polovodičová zařízení se vyrábějí jak pro diskrétní zařízení, tak pro integrované obvody , které se skládají z několika až miliard zařízení vyrobených a propojených na jediném polovodičovém substrátu nebo destičce.




Polovodičová zařízení

Polovodičová zařízení

Polovodičové materiály jsou užitečné svým chováním, se kterým lze snadno manipulovat přidáním nečistot, známého jako doping. Polovodičovou vodivost lze řídit elektrickým nebo magnetickým polem, vystavením světlu nebo teplu nebo mechanickou deformací dotované monokrystalické mřížky, takže z polovodičů mohou být vynikající senzory. Vedení proudu v polovodiči probíhá bez elektronů a děr, souhrnně označovaných jako nosiče náboje. Doping křemíku se provádí přidáním malého množství atomů nečistot a také u fosforu nebo boru významně zvyšuje počet elektronů nebo děr v polovodiči.



Pokud dopovaný polovodič obsahuje přebytečné díry, nazývá se to polovodič typu „p“ (pozitivní pro díry), a když obsahuje určitý přebytek volných elektronů, nazývá se to „polovodič typu“ (negativní pro elektrony), je známka poplatku u většiny mobilních operátorů. Spoje, které vznikly tam, kde jsou polovodiče typu n a typu p spojeny dohromady, se nazývají p – n křižovatka.

Dioda

Polovodič dioda je zařízení obvykle se skládá z jediného p-n spojení. Spojení polovodiče typu p a typu n tvoří oblast vyčerpání, kde je vedení proudu rezervováno nedostatkem mobilních nosičů náboje. Když je zařízení předpjaté, tato oblast vyčerpání je snížena, což umožňuje významné vedení, když je dioda obrácena předpětí, lze dosáhnout pouze menšího proudu a oblast vyčerpání lze prodloužit. Vystavením polovodiče světlu může vzniknout pár elektronových děr, což zvyšuje počet volných nosičů a tím i vodivost. Diody optimalizované pro využití tohoto jevu jsou známé jako fotodiody. Složené polovodičové diody se také používají ke generování světla, světelných diod a laserových diod.

Dioda

Dioda

Tranzistor

Bipolární tranzistory jsou tvořeny dvěma p-n křižovatkami v konfiguraci p-n-p nebo n-p-n. Střední nebo základní oblast mezi křižovatkami je obvykle velmi úzká. Ostatní oblasti a jejich související terminály jsou známé jako emitor a sběratel. Malý proud vstřikovaný spojem mezi základnou a emitorem mění vlastnosti spojení kolektoru základny, takže může vést proud, i když je předpjatý. Tím se vytvoří větší proud mezi kolektorem a emitorem a je řízen proudem základny-emitoru.


Tranzistor

Tranzistor

Další typ tranzistoru pojmenovaný jako tranzistor s efektem pole , pracuje na principu, že vodivost polovodiče může být zvýšena nebo snížena přítomností elektrického pole. Elektrické pole může zvýšit počet elektronů a děr v polovodiči, a tím změnit jeho vodivost. Elektrické pole může být aplikováno reverzně předpjatým p-n spojem a tvoří tranzistor s efektem spojovacího pole (JFET) nebo elektrodou izolovanou od sypkého materiálu vrstvou oxidu a tvoří polovodičový tranzistor s efektem pole oxidu kovu (MOSFET).

Nyní je nejpoužívanější den na MOSFETu, polovodičovém zařízení a polovodičových zařízeních. Bránová elektroda je nabitá tak, aby vytvářela elektrické pole, které dokáže řídit vodivost „kanálu“ mezi dvěma svorkami, se nazývá zdroj a odtok. V závislosti na typu nosiče v kanálu může být zařízení n-kanál (pro elektrony) nebo p-kanál (pro díry) MOSFET.

Materiály polovodičových součástek

Křemík (Si) je nejpoužívanějším materiálem v polovodičových součástkách. Má nižší náklady na suroviny a relativně jednoduchý proces. Díky užitečnému teplotnímu rozsahu je v současnosti nejlepším kompromisem mezi různými konkurenčními materiály. Křemík používaný při výrobě polovodičových součástek je v současné době vyráběn do mís, které mají dostatečně velký průměr, aby umožňovaly výrobu 300 mm (12 in) destiček.

Germanium (Ge) bylo široce používáno v raných polovodičových materiálech, ale jeho tepelná citlivost je méně užitečná než křemík. V dnešní době je germanie často legováno křemíkem (Si) pro použití ve velmi vysokorychlostních SiGe zařízeních. IBM je hlavním výrobcem těchto zařízení.

Gallium arsenid (GaAs) je také široce používán u vysokorychlostních zařízení, ale doposud bylo obtížné vytvořit misky s velkým průměrem z tohoto materiálu, což omezovalo velikosti průměrů destiček výrazně menší než křemíkové destičky, což umožnilo hromadnou výrobu gallium arsenidu (GaAs) zařízení výrazně dražší než křemík.

Seznam běžných polovodičových zařízení

Seznam běžných polovodičových zařízení zahrnuje hlavně dva terminály, tři terminály a čtyři terminální zařízení.

Společné polovodičové zařízení

Společné polovodičové zařízení

Duální zařízení jsou

  • Dioda (usměrňovací dioda)
  • Gunnova dioda
  • Diody IMPACT
  • Laserová dioda
  • Zenerova dioda
  • Schottkyho dioda
  • PIN dioda
  • Tunelová dioda
  • Světelná dioda (LED)
  • Foto tranzistor
  • Fotobuňka
  • Solární panel
  • Dioda pro potlačení přechodného napětí
  • VCSEL

Tříkoncová zařízení jsou

Čtyřkoncová zařízení jsou

  • Foto vazební člen (optočlen)
  • Hallův snímač (snímač magnetického pole)

Aplikace polovodičových zařízení

Jako tranzistor lze použít všechny typy tranzistorů stavební bloky logických bran , což je užitečné při návrhu číslicových obvodů. V digitálních obvodech, jako jsou mikroprocesory, tranzistory, které například fungují jako spínač (zapnuto-vypnuto) na MOSFETu, určuje, zda je spínač zapnutý nebo vypnutý, napětí přivedené na bránu.

Tranzistory používané pro analogové obvody nepůsobí jako spínače (zapnuto-vypnuto) relativně, reagují na nepřetržitý rozsah vstupu s nepřetržitým rozsahem výstupu. Mezi běžné analogové obvody patří oscilátory a zesilovače. Obvody, které propojují nebo překládají mezi analogovými obvody a digitálními obvody, jsou známé jako obvody se smíšeným signálem.

Výhody polovodičových zařízení

  • Jelikož polovodičová zařízení nemají žádná vlákna, není k jejich zahřátí zapotřebí žádná energie, která by způsobovala emise elektronů.
  • Protože není nutné topení, jsou polovodičová zařízení uvedena do provozu, jakmile je obvod zapnut.
  • Během provozu polovodičová zařízení nevydávají žádný bzučivý zvuk.
  • Polovodičová zařízení vyžadují ve srovnání s elektronkami provoz na nízké napětí.
  • Díky svým malým rozměrům jsou obvody zahrnující polovodičová zařízení velmi kompaktní.
  • Polovodičová zařízení jsou odolná proti nárazům.
  • Polovodičová zařízení jsou ve srovnání s elektronkami levnější.
  • Polovodičová zařízení mají téměř neomezenou životnost.
  • Protože v polovodičových součástkách nemusí být vytvářeno vakuum, nemají problémy se zhoršováním vakua.

Nevýhody polovodičových zařízení

  • Úroveň hluku je u polovodičových součástek vyšší ve srovnání s vakuovými trubicemi.
  • Obyčejná polovodičová zařízení nedokážou zvládnout tolik energie, kolik dokáží běžné elektronky.
  • Ve vysokofrekvenčním rozsahu mají špatnou odezvu.

Jedná se tedy o různé typy polovodičových součástek, které zahrnují dvě svorky, tři svorky a čtyři koncová zařízení. Doufáme, že jste tomuto konceptu lépe porozuměli. Jakékoli pochybnosti týkající se tohoto konceptu nebo elektrických a elektronických projektů, prosím, poskytněte zpětnou vazbu komentářem v sekci komentářů níže. Zde je otázka, jaké jsou aplikace polovodičových součástek?

Fotografické kredity: