V tomto článku si povíme něco málo o polovodičových součástkách obecně, jaké jsou některé obecně známé typy polovodičových součástek a mnoho dalších aspektů polovodičů.
Outline
Úvod
V průběhu posledních 70 let se polovodiče staly klíčovým prvkem při výrobě elektroniky. Od vynálezu tranzistoru se svět elektroniky vždy pohyboval po exponenciální křivce, pokud jde o výzkum, vývoj, výrobu, přinášení nových zařízení a technologií.
Elektronická zařízení se zabývají zpracováním informací, tj. vysokorychlostním přenosem, získáváním a zpracováním v oblastech průmyslu a výroby, komunikací, umění, medicíny a dokonce i ve válečnictví.
Všechny tyto oblasti však lze vytočit zpět k jádru moderní elektroniky a její výroby:
Přestože se elektronický systém vyrábí s pomocí kovů, izolantů a polovodičů (o nich více později), polovodiče jsou považovány za páteř elektroniky.
Co je polovodič?
Než se pustíme do diskuse o různých typech polovodičových zařízení, je nezbytné mít představu o tom, co je polovodič.
Zjednodušeně řečeno Polovodiče jsou materiály, které nejsou ani vodiče, ani izolanty. Když to trochu více rozvedeme, materiály se dělí na vodiče, izolátory a polovodiče na základě jejich schopnosti vést elektrický proud.
Vodiče jsou materiály s velmi dobrou schopností vést elektrický proud. Obvykle mají dobrou elektrickou vodivost kovy a v elektrických rozvodech ve vaší domácnosti můžete najít měď nebo hliník.
Naopak Izolátory jsou materiály s velmi špatnou elektrickou vodivostí. Sklo, dřevo a papír jsou dobrými příklady Izolátorů.
Nyní si povíme o důležité kategorii materiálů pro naši diskusi, tj. o polovodičích. Při pokojové teplotě jsou polovodiče materiály s nižší elektrickou vodivostí než Vodiče, ale s vyšší elektrickou vodivostí než Izolátory.
POZNÁMKA: Pro podrobnější pochopení polovodičů byste museli proniknout hluboko do krásně komplikované kvantové mechaniky, což je „určitě“ mimo rámec této diskuse.
Polovodičové materiály
Mluvíme-li o elektrické vodivosti v jednotkách Ω-1 cm-1, pak polovodičové materiály jsou takové, jejichž elektrická vodivost se pohybuje v rozmezí 10-9 Ω-1 cm-1 až 102 Ω-1 cm-1 .
Tradičně se prvky IV. skupiny, jako je křemík (Si) a germánium (Ge), považují za elementární polovodičové materiály, tj. polovodiče pouze s jedním atomem.
Existují další typy polovodičových materiálů, které lze vytvořit kombinací prvků III. skupiny s prvky V. skupiny a jsou známy jako složené polovodiče. Arsenid galia (GaAs) je nejznámějším polovodičovým materiálem této kategorie a ve skutečnosti je po křemíku druhým nejčastěji používaným polovodičovým materiálem.
Co jsou polovodičová zařízení?
Zjednodušeně řečeno, polovodičová zařízení jsou typem elektronických součástek, které jsou navrženy, vyvinuty a vyráběny na základě polovodičových materiálů, jako je křemík (Si), germanium (Ge) a arsenid galia (GaAs).
Od jejich použití na konci 40. let 20. století (nebo na počátku 50. let 20. století) se polovodiče staly hlavním materiálem při výrobě elektroniky a jejích variant, jako je optoelektronika a termoelektronika.
Před použitím polovodičových materiálů v elektronických zařízeních se při konstrukci elektronických součástek používaly vakuové trubice. Hlavní rozdíl mezi vakuovými trubicemi a polovodičovými zařízeními spočívá v tom, že ve vakuových trubicích dochází k vedení elektronů v plynném stavu, zatímco v případě polovodičového zařízení se tak děje v „pevném stavu“.
Polovodičová zařízení lze nalézt jak v podobě zařízení s diskrétními součástkami, tak v podobě integrovaných obvodů.
Proč polovodiče?
Hlavním důvodem použití polovodičových zařízení (a tedy i základních polovodičových materiálů) při výrobě elektronických zařízení a součástek je možnost snadno manipulovat s jejich vodivostí nosičů náboje, tj. elektronů a děr.
Jak již bylo uvedeno, elektrická vodivost polovodičových materiálů leží mezi vodiči a izolanty. I tuto vodivost lze dále řídit vnějšími nebo vnitřními faktory, jako je elektrické pole, magnetické pole, světlo, teplota a mechanické deformace.
Pokud prozatím pomineme vnější faktory, jako je teplota a světlo, provádí se u polovodičových materiálů zpravidla proces zvaný dopování, kdy se do jejich struktury vnáší příměs, která mění strukturní i elektrické vlastnosti.
Čistý polovodič je znám jako vnitřní polovodič, zatímco nečistý nebo dopovaný polovodič je znám jako vnější polovodič.
Pokud se po dopování zvýší počet volných elektronů ve struktuře polovodiče, je polovodič znám jako polovodič n-typu. Podobně, pokud se zvýší počet děr, je znám jako polovodič typu p.
Různé typy polovodičových zařízení
Následující tabulka obsahuje malý výčet některých běžně používaných polovodičových zařízení. Na základě fyzické struktury zařízení je následující seznam rozdělen na dvoukoncová a tříkoncová zařízení.
Dvouvodičová zařízeníterminální polovodičová zařízení
- Dioda
- Schottkyho dioda
- Světlo emitující dioda (LED)
- DIAC
- Zenerova dioda
- Foto dioda (fototranzistor)
- PIN dioda
- Laserová dioda
- Tunelová dioda
- Fotobuňka
- Solární článek
- Gunnova dioda
- IMPATT dioda
- TVS dioda (dioda potlačující přechodné napětí)
- VCSEL (vertikální kavitativní povrchově emitující laser)
.
Tř.koncová polovodičová zařízení
- Bipolární tranzistor
- Tranzistor s polem účinku
- Bipolární tranzistor s izolovaným hradlem (IGBT)
- Darlingtonův tranzistor Tranzistor
- Křemíkem řízený usměrňovač (SCR)
- TRIAC
- Tyristor
- Přechodový tranzistor
Existuje také několik čtyřpřechodových tranzistorů.koncových polovodičů, jako je optočlen (fotočlánek) a Hallův snímač.
Pro více informací o některých z výše uvedených polovodičových zařízení si přečtěte „P-N přechodová dioda“, „Tranzistor“, „Tyristor“.
Použití polovodičových zařízení
Jak již bylo uvedeno, polovodičová zařízení jsou základem téměř všech elektronických zařízení. Některé z aplikací polovodičových zařízení jsou:
- Tranzistory jsou hlavními součástkami v různých integrovaných obvodech, jako jsou mikroprocesory.
- V podstatě jsou hlavními součástkami při konstrukci logických hradel a dalších číslicových obvodů.
- Tranzistory se také používají v analogových obvodech, jako jsou zesilovače a oscilátory.
.