Polprevodniška naprava je sestavljena iz materiala, ki ni niti dober prevodnik niti dober izolator, imenuje se polprevodnik. Takšne naprave imajo široko uporabo zaradi svoje zanesljivosti, kompaktnosti in poceni. To so diskretne komponente, ki se uporabljajo v napajalnih napravah, kompaktnih optičnih senzorjih in oddajnikih svetlobe, vključno s polprevodniškimi laserji. Imajo široko paleto zmožnosti upravljanja s tokom in napetostjo, s trenutnimi močmi več kot 5.000 amperov in napetostjo več kot 100.000 voltov. Še pomembneje, polprevodniške naprave se lahko vključijo v zapletena, a zlahka zgrajena mikroelektronska vezja. Imajo verjetno prihodnost, ključne elemente večine elektronskih sistemov, vključno s komunikacijo z opremo za obdelavo podatkov, potrošniško in industrijsko nadzorno opremo.

Kaj so polprevodniške naprave?

Polprevodniške naprave niso nič drugega kot elektronske komponente ki izkoriščajo elektronske lastnosti polprevodniških materialov, kot so silicij, germanij in galijev arzenid, pa tudi organske polprevodnike. Polprevodniške naprave so v mnogih aplikacijah nadomestile vakuumske cevi. Uporabljajo elektronsko prevodnost v trdnem stanju v nasprotju s termionsko emisijo v visokem vakuumu. Polprevodniške naprave so izdelane tako za diskretne naprave kot tudi integrirana vezja , ki je sestavljena iz nekaj do milijard naprav, izdelanih in medsebojno povezanih na enem samem polprevodniškem substratu ali plošči.

Polprevodniške naprave

Polprevodniški materiali so koristni zaradi svojega vedenja, ki ga je mogoče zlahka manipulirati z dodajanjem nečistoč. Polprevodniško prevodnost lahko nadzorujemo z električnim ali magnetnim poljem, z izpostavljenostjo svetlobi ali toploti ali z mehansko deformacijo dopirane monokristalne mreže, tako da lahko polprevodniki tvorijo odlične senzorje. Tok prevodnosti v polprevodniku poteka brez elektronov in lukenj, skupaj znanih kot nosilci naboja. Dopiranje silicija se izvede z dodajanjem majhne količine nečistotnih atomov in tudi za fosfor ali bor, kar znatno poveča število elektronov ali lukenj v polprevodniku.

Kadar dopirani polprevodnik vsebuje odvečne luknje, se imenuje polprevodnik 'p-type' (pozitiven za luknje), in ko vsebuje nekaj presežka prostih elektronov, je polprevodnik 'n-type' (negativen za elektrone), znak polnjenja večine mobilnih operaterjev. Spoji, ki so nastali tam, kjer so polprevodniki n-tipa in p-tipa združeni, se imenujejo p-n-spoj.

Dioda

Polprevodnik dioda je naprava običajno sestavljen iz enega samega p-n križišča. Spoj polprevodnikov tipa p in tipa n tvori območje izčrpavanja, kjer je prevodnost rezervirana zaradi pomanjkanja mobilnih nosilcev naboja. Ko je naprava usmerjena naprej, se to območje izpraznitve zmanjša, kar omogoča znatno prevodnost, kadar je dioda obrnjeno nazaj, je mogoče doseči le manj toka in območje izpraznitve razširiti. Izpostavljanje polprevodnika svetlobi lahko povzroči pare elektronskih lukenj, kar poveča število prostih nosilcev in s tem prevodnost. Diode, optimizirane za izkoriščanje tega pojava, so znane kot fotodiode. Sestavljene polprevodniške diode se uporabljajo tudi za ustvarjanje svetlobe, svetlobnih diod in laserskih diod.

Dioda

Tranzistor

Bipolarni tranzistorji tvorijo dva p-n križišča, bodisi v p-n-p bodisi v n-p-n konfiguraciji. Sredina ali osnova, območje med križišči je običajno zelo ozko. Ostale regije in z njimi povezani terminali so znani kot oddajnik in kolektor. Majhen tok, vbrizgan skozi križišče med bazo in oddajnikom, spremeni lastnosti križišča osnovnega kolektorja, tako da je lahko voden, čeprav je obrnjen. To ustvarja večji tok med kolektorjem in oddajnikom, krmili pa ga tok osnovnega oddajnika.

Tranzistor

Druga vrsta tranzistorja, imenovana tranzistor s poljskim učinkom , deluje po načelu, da se polprevodniška prevodnost lahko poveča ali zmanjša zaradi prisotnosti električnega polja. Električno polje lahko poveča število elektronov in lukenj v polprevodniku in s tem spremeni njegovo prevodnost. Električno polje se lahko uporablja z vzvratno pristranskim p-n spojem in tvori tranzistor z efektom polja (JFET) ali z elektrodo, izolirano iz razsutega materiala s plastjo oksida, in tvori kovinsko-oksidni polprevodniški tranzistor s poljskim učinkom (MOSFET).

“različne vrste stikal, ki se uporabljajo pri hišnem ožičenju ”

Zdaj se dan najpogosteje uporablja v MOSFET-u, polprevodniški napravi in polprevodniških napravah. Vhodna elektroda je napolnjena tako, da tvori električno polje, ki lahko nadzoruje prevodnost 'kanala' med dvema priključkoma, ki se imenuje vir in odtok. Naprava je lahko odvisno od vrste nosilca v kanalu n-kanalni (za elektrone) ali p-kanalni (za luknje) MOSFET.

Materiali polprevodniških naprav

Silicij (Si) je najpogosteje uporabljen material v polprevodniških napravah. Ima nižje stroške surovin in razmeroma preprost postopek. Zaradi uporabnega temperaturnega območja je trenutno najboljši kompromis med različnimi konkurenčnimi materiali. Silicij, ki se uporablja pri proizvodnji polprevodniških naprav, je trenutno izdelan v posodah s premerom, ki je dovolj velik, da omogoča izdelavo 300 mm (12 palcev) rezin.

Germanij (Ge) se je pogosto uporabljal v zgodnjih polprevodniških materialih, vendar je njegova toplotna občutljivost manj uporabna kot silicij. Dandanes je germanij pogosto legiran s (Si) silicijem za uporabo v zelo hitrih napravah SiGe. IBM je glavni proizvajalec takih naprav.

Galijev arzenid (GaAs) se pogosto uporablja tudi pri hitrih napravah, vendar je bilo doslej težko oblikovati sklede velikega premera iz tega materiala, kar je omejevalo velikosti premera rezin bistveno manjše od silicijevih rezin, zaradi česar je bila množična proizvodnja galijevega arzenida (GaAs) naprave bistveno dražje od silicija.

Seznam pogostih polprevodniških naprav

Seznam običajnih polprevodniških naprav vključuje predvsem dva terminala, tri terminale in štiri terminalne naprave.

Pogoste polprevodniške naprave

Naprave z dvema terminaloma so

Dioda (usmernik dioda)
Gunnova dioda
IMPACT diode
Laserska dioda
Zenerjeva dioda
Schottky dioda
PIN dioda
Tunelska dioda
Svetleča dioda (LED)
Foto tranzistor
Fotocelica
Sončna celica
Dioda za zaviranje prehodne napetosti
VCSEL

Tri terminalne naprave so

Bipolarni tranzistor
Tranzistor s poljskim učinkom
Darlingtonski tranzistor
Bipolarni tranzistor z izoliranimi vrati (IGBT)
Enokonusni tranzistor
Silicijsko nadzorovan usmernik
Tiristor
TRIAC

Naprave s štirimi terminali so

Foto spojnica (Optocoupler)
Hallov senzor učinka (senzor magnetnega polja)

Aplikacije polprevodniških naprav

Vse vrste tranzistorjev se lahko uporabljajo kot gradniki logičnih vrat , kar je koristno za načrtovanje digitalnih vezij. V digitalnih vezjih, kot so mikroprocesorji, tranzistorji, ki delujejo kot stikalo (vklop / izklop) v MOSFET-u, na primer napetost, ki se uporablja na vratih, določa, ali je stikalo vklopljeno ali izklopljeno.

Tranzistorji se uporabljajo za analogna vezja in ne delujejo kot stikala (vklop / izklop) relativno, reagirajo na neprekinjeno območje vhoda z neprekinjenim obsegom izhoda. Skupna analogna vezja vključujejo oscilatorje in ojačevalnike. Vezja, ki povezujejo ali prevajajo med analognimi in digitalnimi vezji, so znana kot mešana signalna vezja.

Prednosti polprevodniških naprav

Ker polprevodniške naprave nimajo niti, zato za njihovo segrevanje ni potrebe po moči, ki bi povzročila emisijo elektronov.
Ker ogrevanje ni potrebno, polprevodniške naprave začnejo delovati takoj, ko se vezje vklopi.
Med delovanjem polprevodniške naprave ne povzročajo brnenja.
Polprevodniške naprave v primerjavi z vakuumskimi cevmi zahtevajo nizkonapetostno delovanje.
Zaradi majhnosti so vezja s polprevodniškimi napravami zelo kompaktna.
Polprevodniške naprave so odporne proti udarcem.
Polprevodniške naprave so cenejše kot vakuumske cevi.
Polprevodniške naprave imajo skoraj neomejeno življenjsko dobo.
Ker v polprevodniških napravah ni treba ustvariti vakuuma, nimajo težav s poslabšanjem vakuuma.

Slabosti polprevodniških naprav

Raven hrupa je v polprevodniških napravah višja kot v vakuumskih ceveh.
Navadne polprevodniške naprave ne zmorejo več moči kot običajne vakuumske cevi.
V visokofrekvenčnem območju imajo slab odzivnik.

Tu gre torej za različne vrste polprevodniških naprav, ki vključujejo dva terminala, tri terminale in štiri terminalne naprave. Upamo, da ste bolje razumeli ta koncept. Poleg tega, če imate kakršen koli dvom v zvezi s tem konceptom ali električnimi in elektronskimi projekti, nam pošljite povratne informacije s komentarjem v spodnjem oddelku za komentarje. Tukaj je vprašanje za vas, kakšne so aplikacije polprevodniških naprav?

Zasluge za fotografije: