Полупроводниковые приборы, виды, принцип работы

Полупроводники - что это? Какие бывают, как работают

За последние 70 лет полупроводники стали ключевым элементом в производстве электроники. С момента изобретения транзистора мир электроники всегда находился на экспоненциальной кривой с точки зрения исследований, разработок, производства, создания новых устройств и технологий.

Полезные статьи:

Основные характеристики, виды, параметры

Что такое PN-переход, принцип работы

Все статьи

Что такое полупроводник?

Полупроводники - это материалы, которые не являются ни проводниками, ни изоляторами. Если немного подробнее остановиться на этом, материалы классифицируются на проводники, изоляторы и полупроводники в зависимости от их способности проводить электричество.

Проводники - это материалы с очень хорошей пропускной способностью по электричеству. Обычно металлы обладают хорошей электропроводностью, и вы можете найти медь или алюминий в электропроводке вашего дома.

Изоляторы - материалы с очень плохой электропроводностью. Стекло, дерево и бумага хорошие примеры изоляторов.

Теперь давайте поговорим о важной категории материалов для нашего обсуждения, то есть о полупроводниках. При комнатной температуре полупроводники представляют собой материалы с более низкой электропроводностью, чем проводники, но с более высокой электропроводностью, чем изоляторы.

Полупроводниковые материалы

Полупроводники представляют собой широкий класс материалов, в которых концентрация подвижных носителей заряда ниже концентрации атомов, но может меняться под действием температуры, освещения, небольшого количества примесей.

Если говорить об электропроводности в единицах Ом ^-1 см ^-1 , то полупроводниковые материалы - это материалы с удельной электропроводностью от 10 ^-9 Ом ^-1 см ^-1 до 10 ² Ом ^-1 см ^-1 .

Традиционно элементы группы IV, такие как кремний (Si) и германий (Ge), считаются элементарными полупроводниковыми материалами, то есть полупроводниками, состоящими только из одного атома.

Существуют и другие типы полупроводниковых материалов, которые могут быть образованы путем объединения элементов из группы III с элементами из группы V, и они известны как составные полупроводники. Арсенид галлия (GaAs) - самый известный полупроводниковый материал в этой категории и фактически второй после кремния как наиболее часто используемый полупроводниковый материал.

Что такое полупроводниковые приборы?

Проще говоря, полупроводниковые устройства представляют собой тип электронных компонентов, которые спроектированы, разработаны и изготовлены на основе таких полупроводниковых материалов, как кремний (Si), германий (Ge) и арсенид галлия (GaAs).

С момента их использования в конце 1940-х (или начале 1950-х) полупроводники стали основным материалом при производстве электроники и ее вариантов, таких как оптоэлектроника и термоэлектроника.

До использования полупроводниковых материалов в электронных устройствах вакуумные лампы использовались в конструкции электронных компонентов. Основное различие между электронными лампами и полупроводниковыми устройствами заключается в том, что в электронных лампах проводимость электронов происходит в газообразном состоянии, тогда как в случае полупроводниковых устройств это происходит в «твердом состоянии». Полупроводниковые устройства можно найти как в виде дискретных компонентов, так и в виде интегральных схем.

Почему полупроводники?

Основная причина использования полупроводниковых устройств (лежащих в основе полупроводниковых материалов) в производстве электронных устройств и компонентов - это возможность легко управлять проводимостью носителей заряда, то есть электронов и дырок.

Как упоминалось ранее, электропроводность полупроводниковых материалов находится между проводниками и изоляторами. Даже эта проводимость может контролироваться внешними или внутренними факторами, такими как электрическое поле, магнитное поле, свет, температура и механические искажения.

Пока что игнорируя внешние факторы, такие как температура и свет, процесс, называемый легированием, обычно выполняется с полупроводниковыми материалами, когда в его структуру вводятся примеси, чтобы изменить структурные, а также электрические свойства.

Чистый полупроводник известен как внутренний полупроводник, в то время как нечистый или легированный полупроводник известен как внешний полупроводник.

Когда количество свободных электронов в полупроводниковой структуре увеличивается после легирования, полупроводник известен как полупроводник n-типа. Точно так же, если количество отверстий увеличено, он известен как полупроводник p-типа.

Собственная проводимость полупроводников

Если напряженность электрического поля в образце равна нулю, то движение освободившихся электронов и "дырок" происходит беспорядочно и поэтому не создает электрический ток.

Под воздействием электрического поля электроны и дырки начинают упорядочное (встречное) движение, образуя электрический ток. Проводимость при этих условиях называют собственной проводимостью полупроводников. При этом движение электронов создает электронную проводимость, а движение дырок - дырочную проводимость.

Различные типы полупроводниковых приборов

Ниже приводится небольшой список некоторых из наиболее часто используемых полупроводниковых устройств. В зависимости от физической структуры устройства следующий список подразделяется на устройства с двумя терминалами и устройства с тремя терминалами.

Двухконтактные полупроводниковые приборы

• Диод
• Диод Шоттки
• Светоизлучающий диод (LED)
• DIAC
• Стабилитрон
• Фотодиод (фототранзистор)
• PIN-диод
• Лазерный диод
• Туннельный диод
• Фото ячейка
• Солнечная батарея
• Диод Ганна
• IMPATT диод
• TVS-диод (диод для подавления переходных напряжений)
• VCSEL (лазер с вертикальным резонатором, излучающий поверхность)

Трехконтактные полупроводниковые приборы

• Биполярный транзистор
• Полевой транзистор
• Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT)
• Транзистор Дарлингтона
• Кремниевый управляемый выпрямитель (SCR)
• ТРИАК
• Тиристор
• Однопереходный транзистор

Есть также несколько полупроводников с четырьмя выводами, таких как оптопара (оптопара) и датчик Холла.

Применение полупроводниковых приборов

Как упоминалось ранее, полупроводниковые приборы являются основой почти всех электронных устройств. Некоторые из применений полупроводниковых устройств:

• Транзисторы - основные компоненты в различных интегральных схемах, таких как микропроцессоры.
• Фактически, они являются основными компонентами в конструкции логических вентилей и других цифровых схем.
• Транзисторы также используются в аналоговых схемах, таких как усилители и генераторы.