В электронике полупроводниковые приборы используются в устройствах для обработки электрических сигналов, а также для преобразования одних видов энергии в другие.
Полупроводниковые приборы разделяют на два больших класса: дискретные полупроводниковые приборы, конструктивно оформленные в виде отдельных самостоятельных устройств, и интегральные полупроводниковые приборы – активные элементы интегральных схем (преимущественно полевые транзисторы со структурой металл–оксид–полупроводник, или МОП-транзисторы, и биполярные транзисторы).
Дискретные полупроводниковые приборы различают по назначению, принципу действия, типу основного полупроводникового материала, конструкции и технологии, виду характеристик, областям применения. К основным классам таких полупроводниковых приборов относят:
- полупроводниковые СВЧ-приборы (диоды Ганна, туннельные диоды, лавинно-пролётные диоды и др.);
- полупроводниковые детекторы ядерных излучений, термоэлектрические приборы, магнитоэлектрические приборы (например, преобразователи Холла);
Электропреобразовательные приборы служат для преобразования электрических сигналов (полупроводниковые диоды, в том числе варикапы, стабилитроны, диоды Шоттки, транзисторы, тиристоры и др.). Оптоэлектронные приборы преобразуют световые сигналы в электрические и наоборот (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры, солнечные элементы, полупроводниковые лазеры, светоизлучающие диоды, приборы с зарядовой связью). Термоэлектрические приборы преобразуют тепловую энергию в электрическую и наоборот (термоэлемент, термоэлектрический генератор, терморезистор и т. п.). Тензометрические приборы изменяют своё электрическое сопротивление вследствие деформации, вызываемой приложенными к нему механическими напряжениями.
В зависимости от применяемого полупроводникового материала различают германиевые, кремниевые, арсенид-галлиевые и другие приборы.
По конструктивным и технологическим признакам полупроводниковые приборы разделяют на точечные и плоскостные. Плоскостные, в свою очередь, делят на сплавные, диффузионные, мезапланарные, планарные, эпипланарные и т. п. В основе технологии большей части полупроводниковых приборов лежат такие основные процессы, как защита поверхности полупроводника тонкой плёнкой диэлектрика, фотолитография, диффузия примесей и ионное легирование, нанесение тонких плёнок. Полупроводниковые приборы выпускают в металлокерамических или пластмассовых корпусах, защищающих приборы от внешних воздействий (исключение составляют бескорпусные ПП приборы).
Малые габаритные размеры, масса и потребляемая мощность, высокая надёжность и механическая прочность способствовали распространению полупроводниковых приборов и быстрому развитию полупроводниковой электроники.
К началу 2010-х гг. номенклатура полупроводниковых приборов, выпускаемых промышленностью во всех странах мира, насчитывала свыше 100 тыс. типов приборов различного назначения, работающих как на самых низких частотах (порядка долей Гц), так и в миллиметровом диапазоне (до нескольких ТГц и более), в диапазоне рабочих мощностей от мкВт до нескольких кВт. В 2020 г. объём производства продукции полупроводниковой промышленности в денежном выражении составлял $440,4 млрд.
Полупроводник – это материал, известный своим использованием в цифровом мире. На нем основано большинство электронных устройств. Из него строятся небольшие устройства, такие как диод, транзистор и интегрированные микросхемы (IC). Эти устройства используются в компьютерах, играх, радио, мобильных телефонах, роботах, автоматических заводах и многих других. Технологии, окружающие нас сегодня, в основном основаны на полупроводниках.
Что Такое Полупроводники?
Полупроводники помещены между проводником и изолятором. Полу означает половину, а проводник означает материал, который пропускает ток. Изолятор останавливает поток тока. Следовательно, полупроводник-это материал, обладающий свойствами как проводника, так и изолятора.
Медный проводник позволяет легко пропускать электрический ток. С другой стороны, резина или дерево являются изолятором и не пропускают электрический ток. Но полупроводниковые материалы, такие как кремний и германий, могут быть изготовлены таким образом, что при определенных условиях они могут действовать как проводник, так и изолятор.
Типы полупроводников
Существует два типа полупроводников: внутренние и внешние. Полупроводник в его нормальном состоянии называется внутренним полупроводником. Внутреннее средство, которое не содержит никаких добавок внешнего материала или примесей.
Однако внешний полупроводник содержит добавление других материалов для повышения его электрической прочности. Внешний материал известен как примесь, а процесс добавления примесей известен как легирование. В процессе легирования получают два различных типа полупроводников; один называется материалом N-типа, а другой-материалом P-типа.
Полупроводниковые Приборы
После легирования полупроводниковые материалы объединяются в слои, чтобы сделать их полезными в электронике. Блоки N-типа и P-типа объединены в различные типы полупроводниковых приборов. Некоторые из полупроводниковых устройств-это диод, транзистор и тиристор.
Как Работают Полупроводники?
Полупроводники сами по себе не так впечатляют. Они становятся очень полезными, когда их легируют и объединяют в слой, образуя полупроводниковое устройство. Существует много полупроводниковых приборов, но для простоты мы рассмотрим 2-слойные и 3-слойные полупроводники.
2-Слойный Полупроводниковый Рабочий
Когда полупроводниковому прибору с двумя слоями (комбинация N-типа и P-типа) задается напряжение, он позволяет протекать току. Ток проходит от блока N-типа в блок P-типа. Следовательно, он ведет только в одном направлении. Но при изменении полярности напряжения полупроводниковое устройство не пропускает ток. Это 2-слойное и 2-контактное устройство также известно как диод.
3-Слойная Полупроводниковая обработка
Другой компоновкой может быть 3-слойное устройство, т. е. NPN или PNP; Где либо два блока могут быть N-типа с одним P-типом, либо два блока P-типа с одним N-типом. В этом случае для запуска полупроводникового устройства с 3 слоями и 3 выводами напряжение будет подаваться на выводы блоков NP и PN. 3-слойное полупроводниковое устройство также называется транзистором. Вам следует ознакомиться с нашей статьей о транзисторе , чтобы понять, как он работает.
Применение полупроводников
Полупроводники широко используются как в аналоговой, так и в цифровой электронике . Существует множество его применений. Некоторые из них являются:
● Отопление и охлаждение – Полупроводники используются в системах охлаждения или отопления, таких как кондиционеры, холодильники и различные другие. Полупроводниковое устройство помогает системе охлаждения контролировать и поддерживать температуру . Аналогично, микроволновая печь также использует полупроводниковое устройство для создания необходимого тепла с помощью датчика температуры.
● Преобразование переменного / постоянного тока – Полупроводники также используются в зарядных устройствах для преобразования переменного тока в постоянный или постоянного тока в переменный. Для зарядки мобильного телефона или ноутбука зарядное устройство использует различные полупроводниковые устройства для преобразования бытовой электроэнергии в постоянный ток.
● Электронная связь – Она также используется для повышения мощности сигнала. Все коммуникационные устройства, такие как мобильные телефоны, спутники, радио, рации и антенны, используют широкий спектр полупроводниковых устройств, чтобы они могли общаться на больших расстояниях.
● Развлечения – Игры и телевидение также используют полупроводники. Потому что, когда им нужно отображать тяжелые изображения с большими мегапикселями, им нужно обрабатывать их быстрее. Таким образом, полупроводниковые устройства, такие как транзисторы и другие интегральные схемы , обрабатывают их.
● Компьютеры – Компьютерные системы являются основным применением полупроводников. Современные процессоры содержат миллиарды полупроводниковых устройств (транзисторов), которые работают быстрее. Это помогает им не только обрабатывать изображения, но и запускать большой объем данных.
● Транспорт – Умные автомобили используют полупроводниковые устройства для контроля и мониторинга своего местоположения, скорости и направления.
● Освоение космоса – Самолеты, космические челноки, космические зонды и марсоходы также используют множество полупроводниковых устройств или чипов, которые помогают им запускать двигатель, поддерживать скорость и отслеживать направление.
История полупроводников
Копия первого транзистора, разработанного в лаборатории Белла в 1947 году.
Полупроводники впервые были использованы в 1820-х годах. Но первое полупроводниковое устройство было разработано Карлом Фердинандом Брауном в 1874 году, известное как кристаллический детектор – диод. Позже, в 1947 году, Джон Бардин, Уильям Шокли и Уолтер Браттейн изобрели транзистор в лаборатории Белла.
В 1958 году в лаборатории Белла египетский инженер Мохаммед Аттала изобрел полупроводниковый транзистор с оксидом металла или MOS-транзистор. Этот транзистор был быстрее, чем предыдущий. В том же году Джек Килби, инженер Texas Instruments, и Роберт Нойс, инженер Fairchild Semiconductor, изобрели первую интегральную схему (IC). Интегральная схема может содержать различные полупроводниковые устройства, такие как диоды и транзисторы.
К этому времени начали разрабатываться многие новые типы полупроводниковых приборов. Сегодня существуют тысячи различных полупроводниковых приборов, разработанных для различных целей. Компания Texas Instruments в США в основном отвечает за ведение записей и спецификаций всех полупроводниковых устройств.
Полупроводники широко применяются в технике. На различной проводимости (р- и n-типа) основано действие полупроводникового диода. При контакте полупроводников с р- и n-проводимостью при определенном направлении тока в цепи создается запорный слой (Рис.19.4) – двойной электрический слой, поле которого препятствует переносу носителей заряда. На этом и основано действие полупроводникового диода, служащего для выпрямления переменного тока. Одними из первых получили распространение селеновые выпрямители.
Помимо диодов в радиотехнике широко применяются и полупроводниковые триоды – транзисторы, в которых имеется два р-n перехода: либо р-n-р , либо n-р-n.
Сильная зависимость полупроводников от температуры используется в термисторах – высокочувствительных приборах для измерения температуры.
Среди многочисленных применений полупроводников является также солнечные батареи, действие которых основано на фотопроводимости полупроводников – способности изменять сопротивление под действием света (явление подобное фотоэффекту, происходящему целиком внутри твердого дела).
Магнитные свойства веществ были известны еще в глубокой древности. Описываемый древними учеными камень, притягивающий железо, представляет собой естественный магнит – минерал, довольно часто встречающийся в природе. Он состоит из соединений железа (FeO- 31% и Fe2O3- 69%). Уже в 1600 г. вышел труд В.Гильберта “О магните, магнитных телах и о великом магните Земли”, в котором содержалось обобщение большого числа опытных фактов. Основные из них сводились к следующему:
1) магнит имеет два полюса – северный и южный, различные по своим свойствам,
2) разноименные полюсы притягиваются, одноименные отталкиваются;
3) магнитная стрелка располагается в пространстве определенным образом, указывая север к юг;
4) нельзя получить магнит с одним полюсом;
5) Земля – большой магнит.
Природа магнитных явлений была раскрыта лишь после установления в 19 веке экспериментальных фактов, что электрический ток (движущиеся заряды) создают магнитное поле (Р.Эрстад,1820г.) Изучение взаимодействия проводников с токами, в результате чего было установлено, что параллельные токи одного направления притягиваются, а противоположного отталкиваются (Я.Ампер, I820г.), привело к выводу, что силы взаимодействия между движущимися электрическими зарядами отличаются от сил взаимодействия между неподвижными зарядами.
Дополнительные силы, возникающие между движущимися зарядами, назвали магнитными силами. Это связано о тем, что их обнаружили по воздействию тока на магнитную стрелку.
Т.о., все магнитные мления можно свести к электрическим, а магнитные силы, как показал Эйнштейн, есть релятивистская поправка к закону Кулона.
Пока в проводниках тока нет, между ними не возникают силы взаимодействия, т.к. положительный заряд ионов кристаллической решетки металла и отрицательный заряд электронов распределены равномерно и суммарный заряд внутри проводника равен нулю. При наличии тока, вследствие движения электронов, среднее расстояние между ними сокращается в раз, где
V – дрейфовая скорость электронов. В результате плотность заряда электронов увеличится в раз и, следовательно, результирующий заряд не будет равен нулю. Это и приводит к взаимодействию проводников.
В промышленности и энергетической микроэлектронике широкое распространение получили различные виды полупроводников. С их помощью, одна энергия может превращаться в другую, без них не будут нормально работать многие электронные устройства. Существует большое количество типов данных элементов, в зависимости от принципа их работы, назначения, материала, конструктивных особенностей. Для того, чтобы понять порядок действия полупроводников, необходимо знать их основные физические свойства.
Свойства и характеристики полупроводников
Основные электрические свойства полупроводников позволяют рассматривать их, как нечто среднее, между стандартными проводниками и материалами, не проводящими электрический ток. Полупроводниковая группа включает в себя значительно больше разных веществ, чем общее количество проводников и диэлектриков.
Широкое распространение в электронике получили полупроводники, изготовленные из кремния, германия, селена и прочих материалов. Их основной характеристикой считается ярко выраженная зависимость от воздействия температуры. При очень низких температурах, сравнимых с абсолютным нулем, полупроводники приобретают свойства изоляторов, а при повышении температуры, их сопротивление уменьшается с одновременным повышением проводимости. Свойства этих материалов могут изменяться и под действием света, когда происходит значительное увеличение фотопроводности.
Полупроводники преобразуют световую энергию в электричество, в отличие от проводников, не обладающих этим свойством. Кроме того, увеличению электропроводности способствует введение в полупроводник атомов определенных элементов. Все эти специфические свойства позволяют использовать полупроводниковые материалы в различных сферах электроники и электротехники.
Виды и применение полупроводников
Благодаря своим качествам, все виды полупроводников разделяются на несколько основных групп.
Диоды. Включают в себя два кристалла из полупроводников, имеющих разную проводимость. Между ними образуется электронно-дырочный переход. Они производятся в различном исполнении, в основном, точечного и плоского типа. В плоских элементах, кристалл германия сплавлен с индием. Точечные диоды состоят из кристалла кремния и металлической иглы.
Транзисторы. Состоят из кристаллических полупроводников в количестве трех штук. Два кристалла обладают одинаковой проводимостью, а в третьем, проводимость имеет противоположное значение. Они называются коллектором, базой и эмиттером. В электронике, транзистор усиливает электрические сигналы.
Тиристоры. Представляют собой элементы, преобразующие электричество. Они имеют три электронно-дырочных перехода с вентильными свойствами. Их свойства позволяют широко использовать тиристоры в автоматике, вычислительных машинах, приборах управления.
