Puolijohdelaite koostuu materiaalista, joka ei ole hyvä johdin eikä hyvä eristin, sitä kutsutaan puolijohteeksi. Tällaisilla laitteilla on vakiintuneita sovelluksia luotettavuuden, kompaktiuden ja edullisuuden vuoksi. Nämä ovat erillisiä komponentteja, joita käytetään virtalähteissä, kompaktissa optisissa antureissa ja valonlähettimissä, mukaan lukien puolijohdelaserit. Niillä on laaja valikoima virran ja jännitteen käsittelyominaisuuksia, joiden nimellisvirta on yli 5000 ampeeria ja jännite yli 100 000 volttia. Vielä tärkeämpää, puolijohdelaitteet integroitua monimutkaisiin, mutta helposti muodostuviin mikroelektronisiin piireihin. Niillä on todennäköinen tulevaisuus, useimpien elektronisten järjestelmien keskeiset elementit, mukaan lukien viestintä tietojenkäsittely-, kuluttaja- ja teollisuusohjauslaitteiden kanssa.

Mitä puolijohdelaitteet ovat?

Puolijohdelaitteet eivät ole mitään muuta elektroniset komponentit jotka hyödyntävät puolijohdemateriaalien, kuten piin, germaniumin ja galliumarsenidin, sekä orgaanisten puolijohteiden elektronisia ominaisuuksia. Puolijohdelaitteet ovat korvanneet tyhjiöputket monissa sovelluksissa. He käyttävät elektronista johtamista kiinteässä tilassa, toisin kuin termioninen emissio suuressa tyhjiössä. Puolijohdelaitteita valmistetaan sekä erillisille laitteille että integroidut piirit , jotka koostuvat muutamasta miljardiin laitteista, jotka on valmistettu ja kytketty yhteen puolijohdealustaan tai kiekkoon.

Puolijohdelaitteet

Puolijohdemateriaalit ovat käyttökelpoisia käyttäytymisellään, joita voidaan helposti manipuloida lisäämällä epäpuhtauksia. Puolijohteiden johtavuutta voidaan säätää sähkö- tai magneettikentällä, altistamalla valolle tai lämmölle tai seostetun monokiteisen ristikon mekaanisella muodonmuutoksella, joten puolijohteet voivat tehdä erinomaisia antureita. Puolijohteen nykyinen johtuminen tapahtuu ilman elektroneja ja reikiä, jotka yhdessä tunnetaan varauksen kantajina. Piin doping tehdään lisäämällä pieni määrä epäpuhtausatomeja ja myös fosforille tai boorille lisää merkittävästi elektronien tai reikien määrää puolijohteessa.

Kun seostettu puolijohde sisältää ylimääräisiä reikiä, sitä kutsutaan 'p-tyypin' (positiivinen rei'ille) puolijohteeksi ja kun se sisältää jonkin verran ylimääräistä vapaita elektroneja, se tunnetaan nimellä 'n-tyypin' (negatiivinen elektronien puolijohde), on merkki enemmistön matkapuhelinoperaattoreista. N-tyyppisiä ja p-tyypin puolijohteita yhdistäviä liitoksia kutsutaan p – n-liitoksiksi.

Diodi

Puolijohde diodi on laite koostuu tyypillisesti yhdestä p-n-liitoksesta. P-tyypin ja n-tyypin puolijohteen risteys muodostaa tyhjenemisalueen, jossa virranjohtamisen varaa liikkuvien latauskantajien puute. Kun laite on esijännitetty, tämä tyhjennysalue pienenee, mikä mahdollistaa merkittävän johtumisen, kun diodi on käänteinen esijännitetty, ainoa vähemmän virtaa voidaan saavuttaa ja ehtymäaluetta voidaan pidentää. Puolijohteen altistaminen valolle voi tuottaa elektronireikäpareja, mikä lisää vapaiden kantajien määrää ja siten johtavuutta. Diodit, jotka on optimoitu hyödyntämään tätä ilmiötä, tunnetaan nimellä fotodiodit. Yhdistettyjä puolijohdediodeja käytetään myös valon, valoa emittoivien ja laserdiodien tuottamiseen.

Diodi

Transistori

Bipolaariset liitostransistorit muodostuu kahdesta p-n-liitoksesta joko p-n-p- tai n-p-n-konfiguraatiossa. Keski tai pohja, risteysten välinen alue on tyypillisesti hyvin kapea. Muut alueet ja niihin liittyvät päätelaitteet tunnetaan emitterinä ja kerääjänä. Pieni virta, joka ruiskutetaan alustan ja emitterin välisen liitoksen läpi, muuttaa pohjakeräimen liitoksen ominaisuuksia, jotta se voi johtaa virtaa, vaikka se on puolueellinen. Tämä luo suuremman virran kerääjän ja lähettimen välille, ja sitä ohjaa emäs-emitterivirta.

Transistori

Toinen transistorityyppi nimeltä kenttävaikutteinen transistori , se toimii periaatteella, että puolijohteiden johtavuus voi kasvaa tai pienentyä sähkökentän läsnä ollessa. Sähkökenttä voi lisätä puolijohteessa olevien elektronien ja reikien määrää, mikä muuttaa sen johtokykyä. Sähkökenttä voidaan kohdistaa käänteisesti esijännitetyllä p-n-liitoksella, ja se muodostaa liitoskenttätransistorin (JFET) tai elektrodin, joka on eristetty irtomateriaalista oksidikerroksella, ja se muodostaa metallioksidipuolijohdekenttätransistori (MOSFET).

“kolmivaiheinen AC -induktiomoottori ”

Nyt päivän eniten käytetty MOSFET, SSD-laite ja puolijohdelaitteet. Hilaelektrodia ladataan tuottamaan sähkökenttä, joka voi ohjata kahden navan välisen 'kanavan' johtavuutta, kutsutaan lähteeksi ja viemäriksi. Kanavan kantotyypistä riippuen laite voi olla n-kanavainen (elektronille) tai p-kanavainen (reikiä varten) MOSFET.

Puolijohdelaitteiden materiaalit

Piitä (Si) käytetään yleisimmin puolijohdelaitteissa. Sen raaka-ainekustannukset ovat alhaisemmat ja prosessi suhteellisen yksinkertainen. Sen hyödyllinen lämpötila-alue tekee siitä parhaimman kompromissin eri kilpailevien materiaalien joukossa. Puolijohdelaitteiden valmistuksessa käytetty pii on tällä hetkellä valmistettu kulhoiksi, jotka ovat riittävän suuria halkaisijaltaan 300 mm: n (12 tuuman) kiekkojen valmistamiseksi.

“analogisesta digitaaliseen muunnospiiriin ”

Germanium (Ge) oli laajalti käytetty varhaisissa puolijohdemateriaaleissa, mutta sen lämpöherkkyys tekee vähemmän hyödylliseksi kuin pii. Nykyään germaniumia seostetaan usein (Si) piillä käytettäväksi erittäin nopeissa SiGe-laitteissa. IBM on tällaisten laitteiden päätuottaja.

Galliumarsenidia (GaAs) käytetään myös laajalti nopeiden laitteiden kanssa, mutta toistaiseksi on ollut vaikea muodostaa tästä materiaalista suurikokoisia kulhoja, mikä rajoittaa vohvelin läpimitan kokoa huomattavasti pienemmäksi kuin piikiekot, mikä tekee galliumarsenidin massatuotannosta (GaAs) -laitteet huomattavasti kalliimpia kuin pii.

Luettelo yleisistä puolijohdelaitteista

Luettelo yleisistä puolijohdelaitteista sisältää pääasiassa kaksi päätelaitetta, kolme päätelaitetta ja neljä päätelaitetta.

Yleiset puolijohdelaitteet

Kahden päätelaitteen laitteet ovat

Diodi (tasasuuntausdiodi)
Gunn-diodi
IMPACT-diodit
Laserdiodi
Zener-diodi
Schottky-diodi
PIN-diodi
Tunnelidiodi
Valodiodi (LED)
Valotransistori
Valokenno
Aurinkokenno
Ohimenevän jännitteen vaimennusdiodi
VCSEL

Kolmen päätelaitteen laitteet ovat

Bipolaarinen transistori
Kenttätransistori
Darlington-transistori
Eristetty portti bipolaaritransistori (IGBT)
Yksisuuntainen transistori
Piin ohjattu tasasuuntaaja
Tyristori
TRIAC

Neljän päätelaitteen laitteet ovat

Valokuvaliitin (optoeristin)
Hall-efektianturi (magneettikentän anturi)

Puolijohdelaitesovellukset

Kaikkia transistorityyppejä voidaan käyttää logiikkaporttien rakennuspalikat , joka on hyödyllinen digitaalisten piirien suunnittelussa. Esimerkiksi digitaalisissa piireissä, kuten mikroprosessoreina, transistorit, jotka toimivat esimerkiksi kytkimenä (on-off) MOSFET: ssä, porttiin syötetty jännite määrää, onko kytkin päällä vai ei.

Transistoreita, joita käytetään analogisissa piireissä, eivät toimi suhteellisen kytkiminä (on-off), ne reagoivat jatkuvaan tuloalueeseen jatkuvalla lähtöalueella. Yleisiä analogisia piirejä ovat oskillaattorit ja vahvistimet. Piirit, jotka ovat liitännässä tai siirtyvät analogisten piirien ja digitaalisten piirien välillä, tunnetaan sekoitussignaalipiireinä.

Puolijohdelaitteiden edut

Koska puolijohdelaitteissa ei ole hehkulankoja, niiden lämmittämiseen ei tarvita virtaa, jotta se aiheuttaisi elektronien emissiota.
Koska lämmitystä ei tarvita, puolijohdelaitteet otetaan käyttöön heti, kun piiri kytketään päälle.
Puolijohdelaitteet eivät tuota käytön aikana kolinaa.
Puolijohdelaitteet vaativat alhaisen jännitteen käyttöä tyhjöputkiin verrattuna.
Pienikokoisuutensa vuoksi puolijohdelaitteita sisältävät piirit ovat erittäin pienikokoisia.
Puolijohdelaitteet ovat iskunkestäviä.
Puolijohdelaitteet ovat halvempia kuin tyhjiöputket.
Puolijohdelaitteiden käyttöikä on lähes rajaton.
Koska puolijohdelaitteisiin ei tarvitse luoda tyhjiötä, niillä ei ole tyhjiön heikkenemisongelmia.

Puolijohdelaitteiden haitat

Puolijohdelaitteiden melutaso on korkeampi kuin tyhjöputkissa.
Tavalliset puolijohdelaitteet eivät pysty käsittelemään yhtä suurta tehoa kuin tavalliset tyhjiöputket.
Korkealla taajuusalueella heillä on huono vaste.

Siten on kyse erityyppisistä puolijohdelaitteista, joihin kuuluu kaksi päätelaitetta, kolme päätelaitetta ja neljä päätelaitetta. Toivomme, että olet saanut paremman käsityksen tästä käsitteestä. Lisäksi, jos sinulla on epäilyksiä tästä konseptista tai sähkö- ja elektroniikkaprojekteista, anna palautetta kommentoimalla alla olevassa kommenttiosassa. Tässä on kysymys sinulle, mitkä ovat puolijohdelaitteiden sovellukset?

Valokuvahyvitykset: