Полупроводникови устройства и схеми, приложения

Полупроводникови устройства и схеми, приложения

Полупроводниковото устройство е изградено от материал, който не е нито добър проводник, нито добър изолатор, той се нарича полупроводник. Такива устройства са установили широко приложение поради своята надеждност, компактност и ниска цена. Това са дискретни компоненти, които се използват в захранващи устройства, оптични сензори за компактност и излъчватели на светлина, включително твърдотелни лазери. Те имат широк спектър от възможности за обработка на ток и напрежение, с номинални токове над 5000 ампера и напрежения над 100 000 волта. По-важно, полупроводникови устройства се поддават на интеграция в сложни, но лесно изграждащи се микроелектронни схеми. Те имат вероятно бъдеще, ключовите елементи на повечето електронни системи, включително комуникации с оборудване за обработка на данни, потребителско и промишлено управление.



Какво представляват полупроводниковите устройства?

Полупроводниковите устройства не са нищо друго освен електронни компоненти които експлоатират електронните свойства на полупроводникови материали, като силиций, германий и галиев арсенид, както и органични полупроводници. Полупроводниковите устройства са заменили вакуумните тръби в много приложения. Те използват електронна проводимост в твърдо състояние, за разлика от термоионната емисия във висок вакуум. Полупроводниковите устройства се произвеждат както за дискретни устройства, така и за тях интегрални схеми , които се състоят от няколко до милиарди устройства, произведени и свързани помежду си на един полупроводников субстрат или пластинка.


Полупроводникови устройства

Полупроводникови устройства





Полупроводниковите материали са полезни поради тяхното поведение, което може лесно да се манипулира чрез добавяне на примеси, известно като легиране. Полупроводниковата проводимост може да се контролира от електрическото или магнитното поле, чрез излагане на светлина или топлина или чрез механична деформация на легирана монокристална мрежа, така че полупроводниците могат да направят отлични сензори. Токовата проводимост в полупроводник се случва без електрони и дупки, общо известни като носители на заряд. Легирането на силиций се извършва чрез добавяне на малко количество примесни атоми, а също и за фосфор или бор, значително увеличава броя на електроните или дупките в полупроводника.

Когато легираният полупроводник съдържа излишни дупки, той се нарича 'p-type' (положителен за дупки) полупроводник, а когато съдържа известен излишък от свободни електрони, той е известен като 'n-type' (отрицателен за електрони) полупроводник, е знак за зареждане на повечето мобилни оператори на такси. Съединенията, които са се образували там, където полупроводниците от n-тип и p-тип са свързани помежду си, се наричат ​​p-n.



Диод

Полупроводник диод е устройство обикновено се състои от един p-n кръстовище. Съединението на p-тип и n-тип полупроводник образува област на изчерпване, където токовата проводимост се запазва поради липсата на мобилни носители на заряд. Когато устройството е пристрастено напред, тази област на изчерпване се намалява, което позволява значително проводимост, когато диодът е обърнат обратно, може да се постигне единствено по-малко ток и да се разшири областта на изчерпване Излагането на полупроводник на светлина може да доведе до двойки електронни дупки, което увеличава броя на свободните носители и по този начин проводимостта. Диодите, оптимизирани да се възползват от това явление, са известни като фотодиоди. Съставните полупроводникови диоди също се използват за генериране на светлина, светодиоди и лазерни диоди.

Диод

Диод

Транзистор

Биполярни транзистори за свързване са образувани от две p-n кръстовища, в p-n-p или n-p-n конфигурация. Средата или основата, регионът между кръстовищата обикновено е много тесен. Другите региони и свързаните с тях терминали са известни като излъчвател и колектор. Малък ток, инжектиран през кръстовището между основата и излъчвателя, променя свойствата на кръстовището на базовия колектор, така че може да бъде провеждащ ток, въпреки че е обратен пристрастен. Това създава по-голям ток между колектора и излъчвателя и управляван от тока на базовия излъчвател.


Транзистор

Транзистор

Друг тип транзистор, наречен полеви транзистор , той работи на принципа, че полупроводниковата проводимост може да се увеличи или намали от наличието на електрическо поле. Електрическото поле може да увеличи броя на електроните и дупките в полупроводника, като по този начин променя неговата проводимост. Електрическото поле може да бъде приложено чрез обратно-пристрастен p-n преход и образува транзистор с полево въздействие (JFET) или от електрод, изолиран от насипния материал чрез оксиден слой и образува метално-оксиден полупроводников полеви транзистор (MOSFET).

Сега един ден се използва най-често в MOSFET, полупроводниково устройство и полупроводникови устройства. Електродът на затвора се зарежда, за да произведе електрическо поле, което може да контролира проводимостта на 'канал' между два терминала, нарича се източник и източване. В зависимост от типа носител в канала, устройството може да бъде n-канал (за електрони) или p-канал (за дупки) MOSFET.

Материали за полупроводникови устройства

Силицият (Si) е най-широко използваният материал в полупроводниковите устройства. Той има по-ниски разходи за суровини и относително лесен процес. Полезният му температурен диапазон го прави в момента най-добрият компромис сред различните конкурентни материали. Понастоящем силиций, използван в производството на полупроводникови устройства, се произвежда в купички с достатъчно голям диаметър, за да позволи производството на 300 мм (12 инча) вафли.

Германий (Ge) е широко използван в ранните полупроводникови материали, но неговата термична чувствителност е по-малко полезна от силиция. В днешно време германийът често се легира със (Si) силиций за използване в много високоскоростни SiGe устройства. IBM е основен производител на такива устройства.

Галиевият арсенид (GaAs) също се използва широко с високоскоростни устройства, но досега е било трудно да се оформят чаши с голям диаметър от този материал, ограничавайки размерите на диаметъра на вафлата значително по-малки от силициевите пластини, което прави масовото производство на галиев арсенид (GaAs) устройства, значително по-скъпи от силиция.

Списък на често срещаните полупроводникови устройства

Списъкът на често срещаните полупроводникови устройства включва главно два терминала, три терминала и четири терминални устройства.

Общи полупроводникови устройства

Общи полупроводникови устройства

Устройствата с два терминала са

  • Диод (токоизправител диод)
  • Гун диод
  • IMPACT диоди
  • Лазерен диод
  • Ценеров диод
  • Диод на Шотки
  • ПИН диод
  • Тунелен диод
  • Светодиод (LED)
  • Фото транзистор
  • Фотоклетка
  • Слънчева клетка
  • Диод за потискане на преходното напрежение
  • VCSEL

Устройствата с три терминала са

Четири терминални устройства са

  • Фото съединител (оптодвойка)
  • Сензор за ефект на Хол (сензор за магнитно поле)

Приложения за полупроводникови устройства

Всички видове транзистори могат да се използват като градивни елементи на логически порти , което е полезно за проектиране на цифрови схеми. В цифрови схеми като микропроцесори, транзистори, които действат като превключвател (включване / изключване) в MOSFET, например, напрежението, приложено към портата, определя дали превключвателят е включен или изключен.

Транзисторите се използват за аналогови схеми, които не действат като превключватели (включване / изключване), те реагират на непрекъснат обхват на входа с непрекъснат обхват на изхода. Общите аналогови схеми включват осцилатори и усилватели. Схемите, които свързват или превеждат между аналогови схеми и цифрови схеми, са известни като схеми със смесен сигнал.

Предимства на полупроводниковите устройства

  • Тъй като полупроводниковите устройства нямат нишки, следователно не е необходима мощност за нагряването им, за да предизвикат излъчване на електрони.
  • Тъй като не е необходимо отопление, полупроводниковите устройства се пускат в действие веднага след включването на веригата.
  • По време на работа полупроводниковите устройства не произвеждат бръмчене.
  • Полупроводниковите устройства изискват работа с ниско напрежение в сравнение с вакуумните тръби.
  • Поради малките си размери, веригите, включващи полупроводникови устройства, са много компактни.
  • Полупроводниковите устройства са устойчиви на удар.
  • Полупроводниковите устройства са по-евтини в сравнение с вакуумните тръби.
  • Полупроводниковите устройства имат почти неограничен живот.
  • Тъй като в полупроводниковите устройства не трябва да се създава вакуум, те нямат проблеми с влошаването на вакуума.

Недостатъци на полупроводниковите устройства

  • Нивото на шума е по-високо в полупроводниковите устройства в сравнение с това във вакуумните тръби.
  • Обикновените полупроводникови устройства не могат да се справят с по-голяма мощност, колкото обикновените вакуумни тръби.
  • Във високочестотен диапазон те имат слаб отговор.

По този начин става въпрос за различни видове полупроводникови устройства, включващи два терминала, три терминала и четири терминални устройства. Надяваме се, че сте разбрали по-добре тази концепция. Освен това, всякакви съмнения относно тази концепция или електрически и електронни проекти, моля, дайте вашите отзиви, като коментирате в раздела за коментари по-долу. Ето един въпрос към вас, какви са приложенията на полупроводниковите устройства?

Кредити за снимки: