Ebben a cikkben egy kicsit megismerkedünk a félvezető eszközökkel általában, a félvezető eszközök néhány általánosan ismert típusával és a félvezetők sok más aspektusával.
Vázlat
Bevezetés
A félvezetők az elmúlt 70 év során az elektronika gyártásának kulcsfontosságú elemévé váltak. A tranzisztor feltalálása óta az elektronika világa mindig is exponenciális görbén mozgott a kutatás, a fejlesztés, a gyártás, az új eszközök és technológiák felhozatala tekintetében.
Az elektronikus eszközök mind az információ kezeléséről, azaz a nagy sebességű átvitelről, adatgyűjtésről és feldolgozásról szólnak az ipar és a gyártás, a kommunikáció, a művészetek, az orvostudomány és még a hadviselés területén is.
De mindezek visszavezethetők a modern elektronika és annak gyártásának lényegére: Félvezető eszközök.
Noha egy elektronikai rendszer fémek, szigetelők és félvezetők segítségével készül (ezekről később bővebben), a félvezetőket tekintik az elektronika gerincének.
Mi az a félvezető?
Mielőtt belemennénk a különböző típusú félvezető eszközök tárgyalására, elengedhetetlen, hogy legyen fogalmunk arról, mi is az a félvezető.
Egyszerűen szólva a félvezetők olyan anyagok, amelyek sem nem vezetők, sem nem szigetelők. Kicsit bővebben kifejtve ezt, az anyagokat vezetőkre, szigetelőkre és félvezetőkre osztályozzák az elektromosság vezetésére való képességük alapján.
A vezetők olyan anyagok, amelyek nagyon jó áramvezető képességgel rendelkeznek. Általában a fémek jó elektromos vezetőképességgel rendelkeznek, és otthonunk elektromos vezetékeiben megtalálhatjuk a rezet vagy az alumíniumot.
A szigetelők ezzel szemben a nagyon rossz elektromos vezetőképességű anyagok. Az üveg, a fa és a papír jó példák a szigetelőkre.
Most beszéljünk a tárgyalásunk szempontjából fontos anyagkategóriáról, a félvezetőkről. Szobahőmérsékleten a félvezetők olyan anyagok, amelyek elektromos vezetőképessége alacsonyabb, mint a Vezetőké, de magasabb, mint a Szigetelőké.
MEGJEGYZÉS: A félvezetők részletesebb megértéséhez mélyen bele kell ásni magunkat a gyönyörűen bonyolult Kvantummechanikába, ami “biztosan” nem tartozik e tárgyalás keretébe.
Félvezető anyagok
Az elektromos vezetőképességet Ω-1 cm-1 egységgel kifejezve, félvezető anyagok azok, amelyek elektromos vezetőképessége 10-9 Ω-1 cm-1 és 102 Ω-1 cm-1 között van.
Hagyományosan a IV. csoport elemei, mint a szilícium (Si) és a germánium (Ge) elemi félvezető anyagoknak tekinthetők, azaz olyan félvezetőknek, amelyek csak egyetlen atomfajjal rendelkeznek.
Vannak más típusú félvezető anyagok, amelyek a III. csoport elemei és az V. csoport elemei kombinálásával hozhatók létre, és ezeket összetett félvezetőknek nevezik. A gallium-arzenid (GaAs) a legismertebb félvezető anyag ebben a kategóriában, és valójában a szilícium után a második leggyakrabban használt félvezető anyag.
Mik a félvezető eszközök?
Egyszerűbben fogalmazva, a félvezető eszközök olyan típusú elektronikus alkatrészek, amelyeket olyan félvezető anyagok alapján terveztek, fejlesztettek ki és gyártottak, mint a szilícium (Si), a germánium (Ge) és a galliumarzenid (GaAs).
A félvezetők az 1940-es évek végén (vagy az 1950-es évek elején) történő alkalmazásuk óta a félvezetők váltak az elektronika és annak olyan változatai, mint az optoelektronika és a termoelektronika gyártásának fő anyagává.
A félvezető anyagok elektronikus eszközökben való felhasználása előtt vákuumcsöveket használtak az elektronikus alkatrészek tervezéséhez. A fő különbség a vákuumcsövek és a félvezető eszközök között az, hogy a vákuumcsövekben az elektronok vezetése gáz halmazállapotban történik, míg a félvezető eszköz esetében ez “szilárd állapotban” történik.
A félvezető eszközök mind diszkrét komponensű eszközök, mind integrált áramkörök formájában megtalálhatók.
Miért éppen félvezetők?
A félvezető eszközök (és így az alapjául szolgáló félvezető anyagok) használatának fő oka az elektronikai eszközök és alkatrészek gyártásában az, hogy könnyen manipulálható a töltéshordozók, azaz az elektronok és lyukak vezetőképessége.
Amint már említettük, a félvezető anyagok elektromos vezetőképessége a vezetők és a szigetelők között helyezkedik el. Még ez a vezetőképesség is tovább szabályozható olyan külső vagy belső tényezőkkel, mint az elektromos tér, a mágneses tér, a fény, a hőmérséklet és a mechanikai torzulás.
A külső tényezőket, például a hőmérsékletet és a fényt egyelőre figyelmen kívül hagyva, a félvezető anyagokkal általában egy dózisnak nevezett folyamatot végeznek, amelynek során szennyeződést juttatnak a szerkezetükbe, hogy megváltoztassák a szerkezeti és az elektromos tulajdonságokat.
A tiszta félvezetőt intrinsic félvezetőnek, míg a szennyezett vagy adalékolt félvezetőt extrinsic félvezetőnek nevezzük.
Ha az adalékolás után a szabad elektronok száma a félvezető szerkezetében megnő, a félvezetőt n-típusú félvezetőnek nevezzük. Hasonlóképpen, ha a lyukak száma megnövekszik, akkor p-típusú félvezetőnek nevezik.
A félvezető eszközök különböző típusai
A következőkben néhány általánosan használt félvezető eszköz kis listája következik. Az eszköz fizikai felépítése alapján az alábbi lista kétvégű és háromvégű eszközökre van kategorizálva.
Két-Terminális félvezető eszközök
- Dióda
- Schottky dióda
- Fénykibocsátó dióda (LED)
- DIAC
- Zener dióda
- Fotodióda (fotó tranzisztor)
- PIN dióda
- Lézer dióda
- Tunnel dióda
- Fotocella
- Napelem
- Gunn dióda
- IMPATT dióda
- TVS dióda (Tranziens feszültség elnyomó dióda)
- VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser)
.
Három-terminálos félvezető eszközök
- Bipoláris tranzisztor
- Mezőhatású tranzisztor
- szigetelt kapus bipoláris tranzisztor (IGBT)
- Darlington Transistor
- Silicon Controlled Rectifier (SCR)
- TRIAC
- Thyristor
- Unijunction Transistor
Van még néhány négy-terminálos félvezető, mint az optocsatlakozó (fotócsatlakozó) és a Hall-érzékelő.
A fent említett félvezető eszközök némelyikéről bővebben a “P-N Junction Diode”, “Transistor”, “Thyristor” című fejezetekben olvashat.
A félvezető eszközök alkalmazásai
Amint már említettük, a félvezető eszközök szinte minden elektronikus eszköz alapját képezik. A félvezető eszközök néhány alkalmazási területe:
- A tranzisztorok a különböző integrált áramkörök, például a mikroprocesszorok fő alkotóelemei.
- Valójában ezek a logikai kapuk és más digitális áramkörök felépítésének fő alkotóelemei.
- A tranzisztorokat analóg áramkörökben, például erősítőkben és oszcillátorokban is használják.