Pooljuhtseadmed ja -ahelad, rakendused

Pooljuhtseadmed ja -ahelad, rakendused

Pooljuhtseade koosneb materjalist, mis ei ole hea juht ega hea isolaator, seda nimetatakse pooljuhiks. Selliste seadmete töökindlus, kompaktsus ja madal hind on laialdased. Need on eraldiseisvad komponendid, mida kasutatakse elektriseadmetes, kompaktsetes optilistes andurites ja valguse kiirgajates, sealhulgas tahkislaserites. Neil on lai valik voolu- ja pingekäsitlusvõimalusi, voolutugevus üle 5000 ampri ja pinge üle 100 000 volti. Veelgi tähtsam, pooljuhtseadmed integreeruda keerukatesse, kuid hõlpsasti ülesehitatavatesse mikroelektroonilistesse vooluringidesse. Neil on tõenäoline tulevik, enamiku elektrooniliste süsteemide põhielemendid, sealhulgas side andmetöötluse, tarbijate ja tööstuslike juhtimisseadmetega.



Mis on pooljuhtseadmed?

Pooljuhtseadmed pole muud kui elektroonilised osad mis kasutavad ära pooljuhtmaterjalide, näiteks räni, germaaniumi ja galliumarseniidi, samuti orgaaniliste pooljuhtide elektroonilisi omadusi. Pooljuhtseadmed on vaakumtorusid paljudes rakendustes asendanud. Nad kasutavad tahkes olekus elektroonilist juhtivust vastupidiselt termioonilisele emissioonile kõrgvaakumis. Pooljuhtseadmeid toodetakse nii diskreetseadmete kui ka integraallülitused , mis koosnevad mõnest miljardist seadmest, mis on toodetud ja ühendatud ühele pooljuhtsubstraadile või -plaadile.


Pooljuhtseadmed

Pooljuhtseadmed



Pooljuhtmaterjalid on kasulikud oma käitumise poolest, mida lisandite lisamise abil saab hõlpsasti manipuleerida. Seda nimetatakse dopinguks. Pooljuhtide juhtivust saab reguleerida elektri- või magnetvälja, valguse või kuumuse mõjul või legeeritud monokristallvõrgu mehaanilise deformatsiooni abil, nii et pooljuhid saavad suurepäraseid andureid. Pooljuhtis toimub voolu juhtivus ilma elektronideta ja aukudeta, mida üheskoos nimetatakse laengukandjateks. Räni dopinguga lisatakse väike kogus lisaaatomeid ja ka fosfori või boori puhul suureneb oluliselt elektronide või aukude arv pooljuhis.

Kui legeeritud pooljuht sisaldab üleliigseid auke, nimetatakse seda p-tüüpi (aukude korral positiivseks) pooljuhiks ja kui see sisaldab vabade elektronide liigset liigendit, nimetatakse seda n-tüüpi (negatiivseks elektronide jaoks) pooljuhiks. enamiku mobiilsideoperaatorite tasu märk. Ristmikke, mis tekkisid n-tüüpi ja p-tüüpi pooljuhtide ühendamisel, nimetatakse p-n-ristmikuks.



Diood

Pooljuht diood on seade koosneb tavaliselt ühest p-n ristmikust. P-tüüpi ja n-tüüpi pooljuhtide ristmik moodustab ammendumispiirkonna, kus praegune juhtivus on reserveeritud mobiilsete laengukandjate puudumise tõttu. Kui seade on ettepoole kallutatud, väheneb see ammendumispiirkond, võimaldades märkimisväärset juhtivust, kui diood on vastupidise eelhäälestusega, on võimalik saavutada ainult vähem voolu ja pikendamispiirkonda saab pikendada. Pooljuhi valguse kätte saamine võib tekitada elektronaugupaare, mis suurendab vabade kandjate arvu ja seeläbi juhtivust. Selle nähtuse ärakasutamiseks optimeeritud dioodid on tuntud kui fotodioodid. Ühendvalmis pooljuhtdioode kasutatakse ka valguse, valgusdioodide ja laserdioodide genereerimiseks.

Diood

Diood

Transistor

Bipolaarse ristmiku transistorid on moodustatud kahest p-n ristmikust, kas p-n-p või n-p-n konfiguratsioonis. Ristmike vaheline piirkond või põhi on tavaliselt väga kitsas. Ülejäänud piirkonnad ja nendega seotud terminalid on tuntud kui emitter ja kollektor. Aluse ja emitteri vahelise ristmiku kaudu sisestatud väike vool muudab aluskollektori ristmiku omadusi, nii et see võib juhtida voolu, isegi kui see on vastupidine. See loob kollektori ja emitteri vahele suurema voolu, mida kontrollib baas-emitteri vool.


Transistor

Transistor

Teist tüüpi transistorid nimega väljatransistor , see töötab põhimõttel, et pooljuhtjuhtivus võib elektrivälja olemasolu tõttu suureneda või väheneda. Elektriväli võib suurendada pooljuhtide elektronide ja aukude arvu, muutes seeläbi selle juhtivust. Elektrivälja võib rakendada vastupidise kallutusega p-n-ristmiku abil ja see moodustab ristmiku väljatransistori (JFET) või oksiidikihiga puistematerjalist isoleeritud elektroodi ja moodustab metallioksiidi pooljuhtväljatransistor (MOSFET).

Nüüd on MOSFET-is, tahkisaparaadis ja pooljuhtseadmetes kõige enam kasutatav päev. Värava elektroodi laetakse elektrivälja tekitamiseks, mis suudab kontrollida kahe klemmi vahelise 'kanali' juhtivust, nimetatakse allikaks ja äravooluks. Sõltuvalt kanali kandja tüübist võib seade olla n-kanaliline (elektronide jaoks) või p-kanaliline (aukude jaoks) MOSFET.

Pooljuhtseadmete materjalid

Räni (Si) kasutatakse kõige enam pooljuhtseadmetes. Selle tooraine hind on madalam ja protsess suhteliselt lihtne. Selle kasulik temperatuurivahemik muudab selle praegu erinevate võistlevate materjalide seas parimaks kompromissiks. Pooljuhtseadmete tootmisel kasutatav räni on praegu valmistatud kaussidesse, mille läbimõõt on piisavalt suur, et oleks võimalik valmistada 300 mm (12 tolli) vahvleid.

Germaanium (Ge) oli varajastes pooljuhtmaterjalides laialt levinud, kuid selle termotundlikkus on vähem kasulik kui räni. Tänapäeval sulatatakse germaanium sageli (Si) räni abil väga kiiretes SiGe seadmetes. IBM on selliste seadmete peamine tootja.

Galliumarseniidi (GaAs) kasutatakse laialdaselt ka kiirete seadmetega, kuid siiani on olnud raske sellest materjalist suure läbimõõduga kausse moodustada, piirates vahvli läbimõõdu suurusi räni vahvlitest oluliselt väiksemaks, muutes seega galliumarseniidi masstootmise (GaAs) seadmed ränist oluliselt kallimad.

Tavaliste pooljuhtseadmete loetelu

Tavaliste pooljuhtseadmete loend sisaldab peamiselt kahte, kolme ja nelja terminali.

Tavalised pooljuhtseadmed

Tavalised pooljuhtseadmed

Kahe terminaliga seadmed on

  • Diood (alaldidiood)
  • Gunni diood
  • IMPACT-dioodid
  • Laserdiood
  • Zeneri diood
  • Schottky diood
  • PIN-diood
  • Tunnelidiood
  • Valgusdiood (LED)
  • Fototransistor
  • Fotoelement
  • Päikesepaneel
  • Mööduva pinge summutamise diood
  • VCSEL

Kolmeterminalilised seadmed on

Nelja terminaliga seadmed on

  • Fotoühendus (optron)
  • Halli efekti andur (magnetvälja andur)

Pooljuhtseadmete rakendused

Igasuguseid transistore saab kasutada kui loogikaväravate ehitusplokid , mis on kasulik digitaalahelate kujundamiseks. Näiteks digitaalsetes vooluringides nagu mikroprotsessorid, transistorid, mis toimivad MOSFETis lülitina (sisse-välja), määrab väravale rakendatav pinge, kas lüliti on sisse või välja lülitatud.

Transistorid, mida kasutatakse analoogahelate jaoks, ei toimi suhteliselt lülititena (sisse-välja), nad reageerivad pidevale sisendivahemikule pideva väljundivahemikuga. Tavalised analoogahelad hõlmavad ostsillaatoreid ja võimendeid. Ahelad, mis liidestuvad või tõlgivad analoogahelate ja digitaalahelate vahel, on tuntud kui segasignaalahelad.

Pooljuhtseadmete eelised

  • Kuna pooljuhtseadmetel pole hõõgniite, ei ole nende kuumutamiseks vaja elektrit, mis põhjustaks elektronide emissiooni.
  • Kuna kütet pole vaja, pannakse pooljuhtseadised tööle kohe, kui vooluring on sisse lülitatud.
  • Töö ajal ei tekita pooljuhtseadised müristamist.
  • Pooljuhtseadmed vajavad vaakumtorudega võrreldes madalpinge.
  • Väikeste mõõtmete tõttu on pooljuhtseadmetega ahelad väga kompaktsed.
  • Pooljuhtseadmed on löögikindlad.
  • Pooljuhtseadmed on vaakumtorudega võrreldes odavamad.
  • Pooljuhtseadmete eluiga on peaaegu piiramatu.
  • Kuna pooljuhtseadmetes ei ole vaja luua vaakumit, pole neil vaakumi halvenemise probleeme.

Pooljuhtseadmete puudused

  • Pooljuhtseadmete müratase on kõrgem kui vaakumtorudes.
  • Tavalised pooljuhtseadmed ei saa hakkama nii suure võimsusega kui tavalised vaakumtorud.
  • Kõrgsagedusalas on nende reageerimisvõime halb.

Seega on see kõik eri tüüpi pooljuhtseadmete kohta, sealhulgas kaks terminali, kolm terminali ja neli terminali. Loodame, et olete sellest kontseptsioonist paremini aru saanud. Lisaks sellele, kui teil on kahtlusi selle kontseptsiooni või elektri- ja elektroonikaprojektide osas, andke palun tagasisidet, kommenteerides allolevas kommentaaride osas. Siin on teile küsimus, millised on pooljuhtseadmete rakendused?

Foto autorid: