Olika typer av halvledarenheter

I den här artikeln kommer vi att se lite om halvledarenheter i allmänhet, vilka typer av halvledarenheter som är allmänt kända och många andra aspekter av halvledare.

Övergripande

Introduktion
Vad är en halvledare?
Halvledarmaterial
Vad är halvledarenheter?
Varför halvledare?
Olika typer av halvledarenheter
Två-terminalhalvledarenheter
Tre-Terminal Semiconductor Devices
Tillämpningar av halvledare

Introduktion

Under de senaste 70 åren har halvledare blivit en viktig beståndsdel vid tillverkning av elektronik. Sedan uppfinningen av transistorn har elektronikvärlden alltid varit på en exponentiell kurva när det gäller forskning, utveckling, tillverkning, framtagande av nya anordningar och tekniker.

Elektroniska anordningar handlar om att hantera information, dvs. höghastighetsöverföring, insamling och bearbetning inom industrier och tillverkning, kommunikation, konst, medicin och till och med krigsföring.

Men allt detta kan återföras till kärnan i den moderna elektroniken och dess tillverkning: Även om ett elektroniskt system tillverkas med hjälp av metaller, isolatorer och halvledare (mer om dessa senare) anses halvledarna vara elektronikens ryggrad.

Vad är en halvledare?

För att gå in på diskussionen om olika typer av halvledarenheter är det viktigt att ha en uppfattning om vad en halvledare är.

Simpelt uttryckt är halvledare material som varken är ledare eller isolatorer. Om vi utvecklar detta lite mer, klassificeras material i ledare, isolatorer och halvledare baserat på deras förmåga att leda elektricitet.

Ledare är material med mycket god förmåga att leda elektricitet. Vanligtvis har metaller god elektrisk ledningsförmåga och du kan hitta koppar eller aluminium i ditt hems elektriska ledningar.

I motsats till detta är isolatorer material med mycket dålig elektrisk ledningsförmåga. Glas, trä och papper är goda exempel på isolatorer.

Nu ska vi tala om den viktiga materialkategorin för vår diskussion, nämligen halvledarna. Vid rumstemperatur är halvledare material med lägre elektrisk ledningsförmåga än ledare men med högre elektrisk ledningsförmåga än isolatorer.

OBS: För att få en mer detaljerad förståelse för halvledare måste man gräva djupt i den vackert komplicerade kvantmekaniken, vilket ”definitivt” ligger utanför ramen för denna diskussion.

Halvledarmaterial

Om man talar i termer av elektrisk ledningsförmåga med enheterna Ω-1 cm-1 är halvledarmaterial de material som har en elektrisk ledningsförmåga mellan 10-9 Ω-1 cm-1 och 102 Ω-1 cm-1.

Traditionsenligt anses grundämnen i grupp IV som kisel (Si) och germanium (Ge) vara elementära halvledarmaterial, dvs. halvledare med endast enstaka atomarter.

Det finns andra typer av halvledarmaterial som kan bildas genom att kombinera grundämnen från grupp III med grundämnen från grupp V och de kallas sammansatta halvledare. Galliumarsenid (GaAs) är det mest kända halvledarmaterialet i denna kategori och är faktiskt det näst vanligaste halvledarmaterialet efter kisel.

Vad är halvledarenheter?

Med enkla ord är halvledarenheter en typ av elektroniska komponenter som utformats, utvecklats och tillverkats på grundval av halvledarmaterial som kisel (Si), germanium (Ge) och galliumarsenid (GaAs).

Sedan de började användas i slutet av 1940-talet (eller i början av 1950-talet) har halvledare blivit det viktigaste materialet vid tillverkning av elektronik och dess varianter, t.ex. optoelektronik och termoelektronik.

Före användningen av halvledarmaterial i elektroniska anordningar användes vakuumrör för konstruktion av elektroniska komponenter. Den största skillnaden mellan vakuumrör och halvledaranordningar är att i vakuumrör sker elektronernas ledning i gasform, medan den i halvledaranordningar sker i ”fast tillstånd”.

Halvledaranordningar finns både som diskreta komponenter och som integrerade kretsar.

Varför halvledare?

Det främsta skälet till att använda halvledarenheter (och därmed de underliggande halvledarmaterialen) vid tillverkningen av elektroniska apparater och komponenter är förmågan att enkelt manipulera deras ledningsförmåga för laddningsbärare, dvs. elektroner och hål.

Som tidigare nämnts ligger den elektriska ledningsförmågan hos halvledarmaterialen mellan den hos ledare och isolatorer. Även denna ledningsförmåga kan kontrolleras ytterligare av externa eller interna faktorer som elektriska fält, magnetfält, ljus, temperatur och mekanisk distorsion.

Och om man bortser från externa faktorer som temperatur och ljus för tillfället, utförs i allmänhet en process som kallas dopning av halvledarmaterialen, där en förorening förs in i strukturen för att förändra de strukturella såväl som de elektriska egenskaperna.

En ren halvledare kallas intrinsisk halvledare medan en oren eller dopad halvledare kallas extrinsisk halvledare.

När antalet fria elektroner i halvledarstrukturen ökar efter dopning kallas halvledaren för n-typ halvledare. På samma sätt, om antalet hål ökar, kallas den för p-typ halvledare.