Poluvodički uređaji i sklopovi, primjene

Poluvodički uređaji i sklopovi, primjene

Poluvodički uređaj sastoji se od materijala koji nije ni dobar vodič ni dobar izolator, naziva se poluvodič. Takvi su uređaji uspostavili široku primjenu zbog svoje pouzdanosti, kompaktnosti i niske cijene. To su diskretne komponente koje se koriste u uređajima za napajanje, optičkim senzorima kompaktnosti i emiterima svjetlosti, uključujući solid-state lasere. Imaju širok raspon mogućnosti rukovanja strujom i naponom, s nazivnim naponom većim od 5000 ampera i naponom većim od 100 000 volti. Što je još važnije, poluvodički uređaji priuštiti se integraciji u složene, ali lako izgrađene mikroelektronske sklopove. Imaju vjerojatnu budućnost, ključne elemente većine elektroničkih sustava, uključujući komunikaciju s opremom za obradu podataka, potrošačima i industrijskom kontrolom.



Što su poluvodički uređaji?

Poluvodički uređaji nisu ništa drugo do elektroničke komponente koji iskorištavaju elektronička svojstva poluvodičkih materijala, poput silicija, germanija i galijevog arsenida, kao i organskih poluvodiča. Poluvodički uređaji u mnogim su primjenama zamijenili vakuumske cijevi. Oni koriste elektroničko vođenje u čvrstom stanju za razliku od termionske emisije u visokom vakuumu. Poluvodički uređaji proizvedeni su za diskretne uređaje i integrirani krugovi , koji se sastoje od nekoliko do milijardi uređaja proizvedenih i međusobno povezanih na jednoj poluvodičkoj podlozi ili pločici.


Poluvodički uređaji

Poluvodički uređaji





Poluvodički materijali korisni su svojim ponašanjem kojim se lako može upravljati dodavanjem nečistoća poznat kao doping. Provodljivost poluvodiča može se kontrolirati električnim ili magnetskim poljem, izlaganjem svjetlosti ili toplini ili mehaničkom deformacijom dopirane monokristalne mreže, tako da poluvodiči mogu stvoriti izvrsne senzore. Provodljivost struje u poluvodiču događa se bez elektrona i rupa, zajednički poznatih kao nosači naboja. Dopiranje silicija vrši se dodavanjem male količine atoma nečistoće, a također i za fosfor ili bor, značajno povećava broj elektrona ili rupa u poluvodiču.

Kada dopirani poluvodič sadrži višak rupa, naziva se poluprovodnik „p-tipa“ (pozitivan za rupe), a kada sadrži nešto viška slobodnih elektrona, poznat je kao poluprovodnik „n-tipa“ (negativan za elektrone), znak napunjenosti većine mobilnih nosača naboja. Spojevi koji su nastali na mjestu spajanja poluvodiča n-tipa i p-tipa nazivaju se p-n-spoj.



Dioda

Poluvodič dioda je uređaj tipično sastavljen od jednog p-n spoja. Spoj poluvodiča p-tipa i n-tipa tvori područje iscrpljivanja gdje je vodljivost struje rezervirano nedostatkom mobilnih nosača naboja. Kada je uređaj pristran prema naprijed, to se područje iscrpljivanja smanjuje, što omogućuje značajno provođenje, kad je dioda obrnuto pristrano, može se postići jedino manje struje i područje iscrpljivanja se može proširiti. Izlaganje poluvodiča svjetlosti može stvoriti parove elektronskih rupa, što povećava broj slobodnih nosača, a time i vodljivost. Diode optimizirane za iskorištavanje ovog fenomena poznate su kao fotodiode. Složene poluvodičke diode također se koriste za stvaranje svjetlosti, diode koje emitiraju svjetlost i laserske diode.

Dioda

Dioda

Tranzistor

Tranzistori s bipolarnim spojem su formirana od dva p-n spoja, bilo u p-n-p ili n-p-n konfiguraciji. Sredina ili baza, područje između spojeva je obično vrlo usko. Ostale regije i s njima povezani terminali poznati su kao emiter i kolektor. Mala struja koja se ubrizgava kroz spoj između baze i emitora mijenja svojstva spoja osnovnog kolektora tako da može voditi struju iako je obrnuto pristrana. To stvara veću struju između kolektora i emitora, a kontrolira je struja baznog emitora.


Tranzistor

Tranzistor

Druga vrsta tranzistora nazvana tranzistor s efektom polja , djeluje na principu da se vodljivost poluvodiča može povećati ili smanjiti prisutnošću električnog polja. Električno polje može povećati broj elektrona i rupa u poluvodiču, mijenjajući tako njegovu vodljivost. Električno polje može se primijeniti obrnuto pristranim p-n spojem i tvori tranzistor s efektom polja spoja (JFET) ili elektrodom izoliranom od rasute građe oksidnim slojem i tvori metal-oksidni poluvodički poljski tranzistor (MOSFET).

Sada se dan najviše koristi u MOSFET-u, poluprovodničkom uređaju i poluvodičkim uređajima. Elektroda vrata napunjena je kako bi proizvela električno polje koje može kontrolirati vodljivost 'kanala' između dva terminala, naziva se izvorom i odvodom. Ovisno o vrsti nosača u kanalu, uređaj može biti n-kanalni (za elektrone) ili p-kanalni (za rupe) MOSFET.

Materijali poluvodičkih uređaja

Silicij (Si) je najčešće korišten materijal u poluvodičkim uređajima. Ima niže troškove sirovina i relativno jednostavan postupak. Njegov korisni temperaturni raspon čini ga trenutno najboljim kompromisom među različitim konkurentnim materijalima. Silicij koji se koristi u proizvodnji poluvodičkih uređaja trenutno se izrađuje u posudama promjera dovoljno velikog da omoguće proizvodnju oblatni od 300 mm (12 inča).

Germanij (Ge) bio je široko korišten u ranim poluvodičkim materijalima, ali njegova toplinska osjetljivost čini manje korisnim od silicija. U današnje vrijeme germanij je često legiran (Si) silicijem za upotrebu u vrlo brzim SiGe uređajima. IBM je glavni proizvođač takvih uređaja.

Galijev arsenid (GaAs) također se široko koristi s uređajima za velike brzine, ali do sada je bilo teško oblikovati posude velikog promjera od ovog materijala, ograničavajući veličine promjera oblatne znatno manje od silicijskih napolitanki, što čini masovnu proizvodnju galijevog arsenida (GaAs) uređaji znatno skuplji od silicija.

Popis uobičajenih poluvodičkih uređaja

Popis uobičajenih poluvodičkih uređaja uglavnom uključuje dva terminala, tri terminala i četiri terminalna uređaja.

Uobičajeni poluvodički uređaji

Uobičajeni poluvodički uređaji

Uređaji s dva terminala su

  • Dioda (ispravljačka dioda)
  • Gunnova dioda
  • IMPACT diode
  • Laserska dioda
  • Zener dioda
  • Schottky dioda
  • PIN dioda
  • Tunel dioda
  • Svjetlosna dioda (LED)
  • Foto tranzistor
  • Fotoćelija
  • Solarna ćelija
  • Dioda za suzbijanje prijelaznog napona
  • VCSEL

Uređaji s tri terminala su

Uređaji s četiri terminala su

  • Foto spojnica (optocoupler)
  • Hallov senzor efekta (senzor magnetskog polja)

Primjene poluvodičkih uređaja

Sve vrste tranzistora mogu se koristiti kao gradivni blokovi logičkih vrata , što je korisno za dizajn digitalnih sklopova. U digitalnim krugovima poput mikroprocesora, tranzistora, koji djeluju kao sklopka (uključeno-isključeno) u MOSFET-u, napon primijenjen na kapiji određuje je li prekidač uključen ili isključen.

Tranzistori se koriste za analogne krugove i ne djeluju kao prekidači (uključeno-isključeno) relativno, oni reagiraju na kontinuirani opseg ulaza s kontinuiranim opsegom izlaza. Uobičajeni analogni krugovi uključuju oscilatore i pojačala. Sklopovi koji se povezuju ili prevode između analognih i digitalnih sklopova poznati su kao sklopovi s mješovitim signalima.

Prednosti poluvodičkih uređaja

  • Kako poluvodički uređaji nemaju niti, stoga za njihovo zagrijavanje nije potrebna snaga koja uzrokuje emisiju elektrona.
  • Budući da grijanje nije potrebno, poluvodički uređaji počinju raditi čim se krug uključi.
  • Tijekom rada poluvodički uređaji ne proizvode brujanje.
  • Poluvodički uređaji zahtijevaju rad na niskom naponu u usporedbi s vakuumskim cijevima.
  • Zahvaljujući malim veličinama, krugovi koji uključuju poluvodičke uređaje vrlo su kompaktni.
  • Poluvodički uređaji su otporni na udarce.
  • Poluvodički uređaji jeftiniji su u usporedbi s vakuumskim cijevima.
  • Poluvodički uređaji imaju gotovo neograničen životni vijek.
  • Kako se u poluvodičkim uređajima ne mora stvarati vakuum, oni nemaju problema s pogoršanjem vakuuma.

Mane poluvodičkih uređaja

  • Razina buke veća je u poluvodičkim uređajima u usporedbi s razinom vakuumskih cijevi.
  • Obični poluvodički uređaji ne mogu podnijeti više snage kao što to mogu obične vakuumske cijevi.
  • U opsegu visokih frekvencija imaju loš odziv.

Dakle, ovdje se radi o različitim vrstama poluvodičkih uređaja koji uključuju dva terminala, tri terminala i četiri terminalna uređaja. Nadamo se da ste bolje razumjeli ovaj koncept. Nadalje, bilo kakve sumnje u vezi s ovim konceptom ili električnim i elektroničkim projektima, molimo vas da svoje povratne informacije komentirate u odjeljku za komentare u nastavku. Evo pitanja za vas, koje su primjene poluvodičkih uređaja?

Foto bodovi: