Semiconductor Devices and Circuits, Applications

Semiconductor Devices and Circuits, Applications

Semiconductor-enheden består af et materiale, der hverken er en god leder eller en god isolator, det kaldes en halvleder. Sådanne enheder har etableret brede applikationer på grund af deres pålidelighed, kompakthed og lave omkostninger. Disse er diskrete komponenter, der bruges i strømforsyninger, kompakte optiske sensorer og lysemittere, inklusive solid state-lasere. De har en bred vifte af strøm- og spændingshåndteringsfunktioner, med strømværdier mere end 5.000 ampere og spændingsværdier mere end 100.000 volt. Vigtigere, halvlederindretninger egner sig til integration i komplekse, men let opbyggede mikroelektroniske kredsløb. De har en sandsynlig fremtid, nøgleelementerne i størstedelen af ​​elektroniske systemer, herunder kommunikation med databehandlings-, forbruger- og industrielt kontroludstyr.



Hvad er halvlederenheder?

Halvledere er ikke andet end elektroniske komponenter der udnytter de elektroniske egenskaber ved halvledermaterialer, som f.eks. silicium, germanium og galliumarsenid, såvel som organiske halvledere. Halvledere har erstattet vakuumrør i mange applikationer. De bruger elektronisk ledning i fast tilstand i modsætning til den termioniske emission i højvakuum. Semiconductor-enheder er fremstillet til både diskrete enheder og integrerede kredsløb , som består af fra nogle få til milliarder af enheder, der er fremstillet og forbundet med hinanden på et enkelt halvledersubstrat eller wafer.


Semiconductor Devices

Semiconductor Devices





Halvledermaterialer er nyttige ved deres adfærd, som let kan manipuleres ved tilsætning af urenheder, kendt som doping. Halvlederledningsevne kan styres af det elektriske eller magnetiske felt, ved udsættelse for lys eller varme eller ved den mekaniske deformation af et dopet monokrystallinsk gitter, således at halvledere kan skabe fremragende sensorer. Strømledningen i en halvleder sker fri for elektroner og huller, kollektivt kendt som ladningsbærere. Doping af silicium udføres ved at tilføje en lille mængde urenhedsatomer og også for fosfor eller bor øger antallet af elektroner eller huller i halvlederen betydeligt.

Når en dopet halvleder indeholder overskydende huller kaldes den 'p-type' (positiv for huller) halvleder, og når den indeholder noget overskud af frie elektroner, er det kendt som 'n-type' (negativ for elektroner) halvleder, er den tegn på afgift for de fleste mobilafgiftsselskaber. Krydsene, der dannedes, hvor n-type og p-type halvledere er forbundet, kaldes p – n-krydset.



Diode

En halvleder diode er en enhed typisk sammensat af et enkelt p-n-kryds. Krydset mellem en p-type og en n-type halvleder danner en udtømningsregion, hvor strømledningen er forbeholdt manglen på mobile ladebærere. Når enheden er forspændt fremad, reduceres denne udtømningsregion, hvilket muliggør betydelig ledning, når dioden er omvendt forspændt, kan den eneste mindre strøm opnås, og udtømningsområdet kan udvides. At udsætte en halvleder for lys kan producere elektronhulpar, hvilket øger antallet af frie bærere og derved ledningsevnen. Dioder optimeret til at drage fordel af dette fænomen er kendt som fotodioder. Sammensatte halvlederdioder bruges også til at generere lys, lysemitterende dioder og laserdioder.

Diode

Diode

Transistor

Bipolære forbindelsestransistorer er dannet af to p-n-kryds, i enten p-n-p- eller n-p-n-konfiguration. Midten eller basen, regionen mellem krydsene er typisk meget smal. De andre regioner og deres relaterede terminaler er kendt som emitteren og samleren. En lille strøm injiceret gennem krydset mellem basen og emitteren ændrer egenskaberne for basiskollektorkryds, så den kan lede strøm, selvom den er omvendt forspændt. Dette skaber en større strøm mellem samleren og emitteren og styres af base-emitterstrømmen.


Transistor

Transistor

En anden type transistor navngivet som felt-effekt transistor fungerer det på princippet om, at halvlederledningsevne kan øges eller formindskes ved tilstedeværelsen af ​​et elektrisk felt. Et elektrisk felt kan øge antallet af elektroner og huller i en halvleder og dermed ændre dets ledningsevne. Det elektriske felt kan påføres af en omvendt forspændt p-n-forbindelse, og den danner en junction field-effect transistor (JFET) eller af en elektrode, der er isoleret fra bulkmaterialet med et oxidlag, og det danner en metaloxid halvleder felt-effekt transistor (MOSFET).

Nu er en dag mest brugt i MOSFET, en solid-state-enhed og halvleder-enheder. Portelektroden oplades for at producere et elektrisk felt, der kan styre ledningsevnen af ​​en 'kanal' mellem to terminaler, kaldes kilde og afløb. Afhængigt af typen af ​​bærer i kanalen kan enheden være n-kanal (til elektroner) eller p-kanal (til huller) MOSFET.

Halvledermateriale

Silicium (Si) er det mest anvendte materiale i halvlederindretninger. Det har lavere råvarepriser og relativt enkel proces. Dens nyttige temperaturområde gør det i øjeblikket til det bedste kompromis blandt de forskellige konkurrerende materialer. Silicium, der anvendes til fremstilling af halvlederindretninger, er i øjeblikket fremstillet i skåle, der er store nok i diameter til at tillade fremstilling af 300 mm skiver.

Germanium (Ge) var meget udbredt i tidligt halvledermateriale, men dets termiske følsomhed gør mindre nyttigt end silicium. I dag er germanium ofte legeret med (Si) silicium til brug i meget hurtige SiGe-enheder IBM er en hovedproducent af sådanne enheder.

Galliumarsenid (GaAs) bruges også i vid udstrækning med højhastighedsanordninger, men indtil videre har det været vanskeligt at danne skåle med stort diameter af dette materiale, hvilket begrænser skivediameterstørrelserne betydeligt mindre end siliciumskiver, hvilket gør masseproduktion af Galliumarsenid (GaAs) enheder betydeligt dyrere end silicium.

Liste over almindelige halvledere

Listen over almindelige halvlederindretninger indeholder hovedsageligt to terminaler, tre terminaler og fire terminalenheder.

Almindelige halvledere

Almindelige halvledere

De to-terminal enheder er

  • Diode (ensretterdiode)
  • Gunn-diode
  • IMPACT-dioder
  • Laserdiode
  • Zener-diode
  • Schottky-diode
  • PIN-diode
  • Tunneldiode
  • Lysdiode (LED)
  • Fototransistor
  • Fotocelle
  • Solcelle
  • Transient-spændings-undertrykkelsesdiode
  • VCSEL

Tre-terminal enheder er

Fire-terminal enheder er

  • Fotokobling (optokobler)
  • Hall-effekt-sensor (magnetfeltsensor)

Semiconductor Device Applications

Alle typer transistor kan bruges som byggesten til logiske porte , hvilket er nyttigt til design af digitale kredsløb. I digitale kredsløb som mikroprocessorer, transistorer, der fungerer som en switch (til / fra) i MOSFET, bestemmer f.eks. Spændingen, der påføres porten, om kontakten er tændt eller slukket.

Transistorer bruges til analoge kredsløb fungerer ikke som afbrydere (til / fra) relativt, de reagerer på et kontinuerligt inputområde med et kontinuerligt outputområde. Almindelige analoge kredsløb inkluderer oscillatorer og forstærkere. De kredsløb, der grænseflader eller oversættes mellem analoge kredsløb og digitale kredsløb, er kendt som blandede signal kredsløb.

Fordele ved halvledere

  • Da halvlederanordninger ikke har filamenter, er der derfor ikke behov for strøm til at varme dem op for at forårsage emission af elektroner.
  • Da der ikke kræves opvarmning, sættes halvlederanordninger i drift, så snart kredsløbet er tændt.
  • Under drift producerer halvlederanordninger ingen brummen.
  • Halvlederanordninger kræver lavspændingsdrift sammenlignet med vakuumrør.
  • På grund af deres små størrelser er kredsløbene, der involverer halvlederindretninger, meget kompakte.
  • Halvledere er stødsikre.
  • Halvledere er billigere sammenlignet med vakuumrør.
  • Halvledere har næsten ubegrænset levetid.
  • Da der ikke skal oprettes noget vakuum i halvlederindretninger, har de ingen vakuumforringelsesproblemer.

Ulemper ved halvlederindretninger

  • Støjniveauet er højere i halvlederanordninger sammenlignet med det i vakuumrørene.
  • Almindelige halvlederanordninger kan ikke håndtere så mere strøm som almindelige vakuumrør kan gøre.
  • I højfrekvensområdet har de dårlig responder.

Således handler alt om forskellige typer halvlederindretninger, der inkluderer to terminaler, tre terminaler og fire terminalenheder. Vi håber, at du har fået en bedre forståelse af dette koncept. Desuden er du i tvivl om dette koncept eller elektriske og elektroniske projekter, bedes du give din feedback ved at kommentere i kommentarfeltet nedenfor. Her er et spørgsmål til dig, hvad er anvendelserne af halvlederanordninger?

Fotokreditter: