Συσκευές Ημιαγωγών

Εξάρτημα ηλεκτρονικού κυκλώματος κατασκευασμένο από ουσία που δεν είναι ούτε καλός αγωγός ούτε εξαιρετικός μονωτήρας (άρα ημιαγωγός). Λόγω της συμπαγούς, της αξιοπιστίας και του χαμηλού κόστους τους, τέτοιες συσκευές έχουν ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών. Έχουν χρησιμοποιηθεί σε συσκευές ισχύος, οπτικούς αισθητήρες και εκπομπούς φωτός, συμπεριλαμβανομένων των λέιζερ στερεάς κατάστασης, ως διακριτά εξαρτήματα. Με τιμές ρεύματος που κυμαίνονται από λίγα νανοαμπέρ έως περισσότερα από 5000 αμπέρ και τιμές τάσης που υπερβαίνουν τα 100.000 βολτ, μπορούν να χειριστούν μια μεγάλη ποικιλία ρεύματος και τάσης.

Πιο σημαντικά, οι συσκευές ημιαγωγών είναι κατάλληλες για ενσωμάτωση σε πολύπλοκα αλλά εύκολα κατασκευασμένα μικροηλεκτρονικά κυκλώματα. Είναι, και θα συνεχίσουν να είναι, τα πιο σημαντικά στοιχεία των περισσότερων ηλεκτρονικών συστημάτων, συμπεριλαμβανομένων των επικοινωνιών, των καταναλωτών, της επεξεργασίας δεδομένων και του εξοπλισμού βιομηχανικού ελέγχου.

Συσκευές ημιαγωγών

Τα υλικά που χρησιμοποιούνται σε συσκευές ημιαγωγών δεν είναι ούτε καλοί αγωγοί ούτε καλοί μονωτές. Χαρακτηρίζονται ως συσκευές ημιαγωγών. Δεδομένου ότι είναι αξιόπιστες, μικρές και οικονομικά αποδοτικές, αυτές οι συσκευές έχουν ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών. Επιπλέον, είναι σε θέση να χειρίζονται μια μεγάλη ποικιλία ρεύματος και τάσης. Οι ονομασίες ρεύματος υπερβαίνουν τα 5000  αμπέρ, ενώ οι ονομασίες τάσης υπερβαίνουν τα 100000 βολτ. Θα μάθουμε όλα όσα πρέπει να γνωρίζουμε για αυτές τις συσκευές σε αυτό το άρθρο.

Οι συσκευές ημιαγωγών είναι ηλεκτρονικά εξαρτήματα που εκμεταλλεύονται τα ηλεκτρονικά χαρακτηριστικά του υλικού ημιαγωγών. Οι ημιαγωγοί, καθώς και το πυρίτιο, το γερμάνιο και το αρσενίδιο του γαλλίου, είναι μεταξύ αυτών των υλικών.

Σε πολλές εφαρμογές, αυτές οι συσκευές έχουν πάρει τη θέση των σωλήνων κενού. Αντί για θερμιονική εκπομπή σε υψηλό κενό, χρησιμοποιούν ηλεκτρονική αγωγιμότητα στη στερεά κατάσταση.

Τέτοιες συσκευές είναι κατασκευασμένες τόσο για διακριτές συσκευές όσο και για ολοκληρωμένα κυκλώματα, τα οποία αποτελούνται από μερικές έως δισεκατομμύρια συσκευές που κατασκευάζονται και συνδέονται σε ένα ενιαίο γκοφρέτα ή υπόστρωμα ημιαγωγών.

Επιπλέον, ένα υλικό ημιαγωγών είναι μια συσκευή που επιτρέπει στο ηλεκτρικό ρεύμα να περνά μέσω αυτό. Σαν παράδειγμα, εξετάστε την CPU της συσκευής. Αποτελείται από μεγάλο αριθμό τρανζίστορ.

Ομοίως, αυτά τα τρανζίστορ αποτελούνται από μια ημιαγωγική ουσία που επιτρέπει στο ρεύμα να περνάει και ελέγχεται από έναν διακόπτη. Η ροή του ηλεκτρικού ρεύματος σε ένα τρανζίστορ ρυθμίζεται με ενέργειες που βασίζονται στην κατάσταση του διακόπτη, εάν είναι ενεργοποιημένος ή απενεργοποιημένος.

Τύποι συσκευών ημιαγωγών

Κατηγοριοποιούμε αυτές τις συσκευές σε δύο κατηγορίες:συσκευές δύο τερματικών και τριών ακροδεκτών, καθώς και τερματικές συσκευές. Δίοδος, δίοδος Zener, φωτοτρανζίστορ, δίοδος Schottky, δίοδος εκπομπής φωτός (LED), δίοδος λέιζερ, φωτοκύτταρο, ηλιακή κυψέλη και άλλες συσκευές δύο τερματικών είναι παραδείγματα.

Τα διπολικά τρανζίστορ, τα IGBT, τα TRIAC, τα τρανζίστορ φαινομένου πεδίου, οι ανορθωτές με ελεγχόμενο πυρίτιο, τα θυρίστορ και άλλες συσκευές ημιαγωγών τριών ακροδεκτών αποτελούν παραδείγματα.

Δίοδος

Μια δίοδος είναι μια συσκευή ημιαγωγών που αποτελείται από μία μόνο σύνδεση p-n. Οι συνδέσεις P-n σχηματίζονται όταν ενώνονται μεταξύ τους υλικά ημιαγωγών τύπου p και τύπου n. Δεδομένου ότι η περιοχή τύπου n έχει μεγαλύτερο αριθμό συγκεντρώσεων ηλεκτρονίων, συμβαίνει αυτή η δημιουργία.

Η περιοχή τύπου p, από την άλλη πλευρά, έχει μεγαλύτερη συγκέντρωση οπών. Ως αποτέλεσμα, τα ηλεκτρόνια διαχέονται από την περιοχή τύπου n στην περιοχή τύπου p.

Τρανζίστορ

Τα τρανζίστορ διπολικής διασταύρωσης και τα τρανζίστορ φαινομένου πεδίου είναι τα διαφορετικά είδη τρανζίστορ. Η δημιουργία δύο συνδέσεων p-n σε δύο διαφορετικές διαμορφώσεις, όπως n-p-n ή p-n-p, έχει ως αποτέλεσμα ένα τρανζίστορ διπολικής σύνδεσης.

Οι τρεις περιοχές που συνθέτουν αυτόν τον τύπο τρανζίστορ είναι ο πομπός, ο συλλέκτης και η βάση (ή η μεσαία περιοχή).

Το τρανζίστορ φαινομένου πεδίου λειτουργεί με βάση την αγωγιμότητα και η παρουσία ηλεκτρικού πεδίου μπορεί να αλλάξει την αγωγιμότητα.

Υλικά συσκευών ημιαγωγών

Το πυρίτιο (Si) είναι το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο υλικό ημιαγωγών. Έχει φθηνότερο κόστος πρώτων υλών και αρκετά εύκολη διαδικασία κατασκευής. Το χρήσιμο εύρος θερμοκρασίας του το καθιστά τον καλύτερο συμβιβασμό μεταξύ των ανταγωνιστικών υλικών αυτή τη στιγμή. Το πυρίτιο παράγεται επί του παρόντος σε μπολ με διάμετρο αρκετά μεγάλη ώστε να επιτρέπει την κατασκευή γκοφρετών 300  mm (12 ίντσες) στην κατασκευή συσκευών ημιαγωγών.

Το γερμάνιο (Ge) ήταν ένα πρώιμο υλικό ημιαγωγών που χρησιμοποιήθηκε ευρέως, αλλά η ευαισθησία του στη θερμοκρασία το έκανε λιγότερο πρακτικό από το πυρίτιο. Στον σημερινό κόσμο, το γερμάνιο είναι συχνά κράμα με πυρίτιο (Si) για χρήση σε συσκευές SiGe εξαιρετικά υψηλής ταχύτητας, από τις οποίες η IBM είναι κορυφαίος κατασκευαστής.

Το αρσενίδιο του γαλλίου (GaAs) χρησιμοποιείται επίσης συνήθως σε συσκευές υψηλής ταχύτητας, αλλά έχει αποδειχθεί δύσκολο να κατασκευαστούν κύπελλα μεγάλης διαμέτρου από αυτό το υλικό, περιορίζοντας τα μεγέθη της διαμέτρου της γκοφρέτας σε σημαντικά μικρότερα από τις γκοφρέτες πυριτίου, καθιστώντας τη μαζική κατασκευή συσκευών GaAs γενικά πιο ακριβή παρά πυρίτιο.

Παραδείγματα συσκευών ημιαγωγών

Θα εξετάσουμε παραδείγματα συσκευών ημιαγωγών, οι οποίες περιλαμβάνουν op-amp, αντιστάσεις, πυκνωτές, διόδους και τρανζίστορ, καθώς αυτές οι συσκευές δεν είναι ούτε καλοί μονωτές ούτε καλοί αγωγοί.

Αυτές οι συσκευές είναι αυτόνομες όσον αφορά την ενσωμάτωση σε εξελιγμένα μικροηλεκτρονικά κυκλώματα και κατασκευάζονται εύκολα. Επιπλέον, αυτές οι συσκευές έχουν ένα λαμπρό μέλλον μπροστά τους.

Σε θέματα διαμόρφωσης βασικών εξαρτημάτων για την πλειονότητα των ηλεκτρικών και ηλεκτρονικών οργάνων και συστημάτων σε διάφορους κλάδους, όπως οι επικοινωνίες, η επεξεργασία δεδομένων, τα ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης και ο βιομηχανικός εξοπλισμός ελέγχου.

Εφαρμογές συσκευών ημιαγωγών

Αυτές οι συσκευές χρησιμοποιούνται στην κατασκευή λογικών πυλών και ψηφιακών κυκλωμάτων. Επιπλέον, τα χρησιμοποιούμε σε μικροεπεξεργαστές. Επιπλέον, τα χρησιμοποιούμε σε αναλογικά κυκλώματα όπως ταλαντωτές και ενισχυτές. Τελικά, χρησιμοποιούνται σε καταστάσεις υψηλής τάσης.

Συμπέρασμα

Τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα που εκμεταλλεύονται τις ηλεκτρονικές ιδιότητες των υλικών ημιαγωγών όπως το πυρίτιο, το γερμάνιο και το αρσενίδιο του γαλλίου, καθώς και οι οργανικοί ημιαγωγοί, αναφέρονται ως συσκευές ημιαγωγών. Οι συσκευές ημιαγωγών είναι κατασκευασμένες από υλικό που δεν είναι ούτε καλός αγωγός ούτε εξαιρετικός μονωτήρας. Λόγω της αξιοπιστίας, της συμπαγούς και χαμηλού κόστους τους, αυτές οι συσκευές έχουν ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών. Οι δίοδοι είναι συσκευές ημιαγωγών με μία μόνο σύνδεση p-n. Εάν συνδυαστούν ημιαγωγικά υλικά τύπου p και τύπου n, δημιουργούνται σύνδεσμοι p-n. Οι διαφορετικοί τύποι τρανζίστορ περιλαμβάνουν διπολικά τρανζίστορ διασταύρωσης και τρανζίστορ φαινομένου πεδίου. Ένα τρανζίστορ διπολικής σύνδεσης αποτελείται από δύο συνδέσεις p-n σε δύο διακριτές διαμορφώσεις, συμπεριλαμβανομένων των n-p-n ή p-n-p.