A félvezetőkről szóló hasznos útmutatónk feltárja a modern technológiákban betöltött szerves szerepüket és azt, hogy miként nyitják meg az utat a jövőbeli innovációk előtt.
Adam Jeffery a Distrelec termékmenedzsere a kártyára szerelt érzékelők és félvezetők termékcsoportjánál
Adam több mint 8 év iparági tapasztalattal rendelkezik, és elkötelezett amellett, hogy a mérnököket és a szakembereket összekapcsolja a piacon elérhető leginkább innovatív érzékelőkkel. A technológiai fejlődés iránti szenvedélyesen elkötelezett Adam a kiváló minőségű, élvonalbeli alkatrészek révén segíti az ügyfeleket alkalmazásaik bővítésében.
Table of Contents
- Félvezetők a modern technológiában
- Mi az a félvezető?
- Diódák
- A diszkrét félvezetőknek 10 típusa létezik
- 1. PIN dióda
- 2. Állandó áramú dióda (más néven áramkorlátozó dióda)
- 3. Zener-dióda
- 4. Egyenirányító dióda
- 5. Tranziensfeszültség-elnyomó (TVS) dióda
- 6. Bipoláris tranzisztor
- 7. Darlington-tranzisztor
- 8. Záróréteges térvezérlésű tranzisztor (JFET)
- 9. Fémoxid-félvezető térvezérlésű tranzisztor (MOSFET)
- 10. Szigetelt kapus bipoláris tranzisztor (IGBT)
- A félvezetők jövője
- Ajánlott márkák
Félvezetők a modern technológiában
A félvezetők a legtöbb műszaki eszköz alapvető elemei, beleértve az elektronikus játékokat, vonalkód-olvasókat, számítógépeket és mikroprocesszorokat. A számítógépes eszközök belső összetevőjeként a félvezetőket széles körben használják diódák, tranzisztorok és integrált áramkörök gyártásához. Alkalmazásuk exponenciálisan nőtt az elmúlt néhány évben az egyre kisebb méretek, a félvezetős berendezések és a félvezető anyagok fejlődése, valamint az integrált áramkörök (IC-k) egyetlen chipből történő tömeggyártásának köszönhetően.
Mi az a félvezető?
A félvezetők önmagukban nem alkatrészek, hanem anyagok, amelyek lehetnek tiszta elemek, például szilícium vagy germánium, vagy vegyületek, például gallium-arzenid vagy kadmium-szelenid. Ezek az anyagok nem jó vezetők, sem szigetelők, hanem valahol a kettő között helyezkednek el. A félvezetők (ahogy a nevük is sugallja) képesek elektromos áramot vezetni, de csak akkor, ha adott irányban elektromos gerjesztést kapnak. Ez az egyedülálló képességük lehetővé teszi elektronikus kapcsolóként való használatukat, mivel egyszerre tudnak vezetni és nem vezetni, biztosítva a bináris számítástechnikában és a digitális feldolgozásban szükséges 1-et és 0-t.
A félvezető eszközök kicsik, megbízhatóak, költséghatékonyak és energiatakarékosak, ezért alkalmasak összetett mikroelektronikai áramkörökbe való beépítésre. Önálló alkatrészként tápegységekben, fénykibocsátó egységekben és optikai érzékelőkben használhatók.
A félvezetők két típusba sorolhatók – intrinszik és extrinszik:
| Intrinszik | Extrinszik |
|---|---|
| Tiszta félvezető | Szennyezett (dópolt) félvezető |
| Az elektronok és a lyukak sűrűsége azonos | Az elektronok és a lyukak sűrűsége egyenlőtlen |
| Gyenge elektromos vezetőképesség | Kiváló elektromos vezetőképesség |
| A hőmérséklettől függ | A hőmérséklettől és a szennyezettség mennyiségétől függ |
A félvezető chipekhez és tranzisztorokhoz leggyakrabban használt anyag a szilícium. Annyira jellemző a használata, hogy ebből született a „Szilícium-völgy” kifejezés, amely a világ leginnovatívabb vállalatainak és technológiai termékei forrásának szinonimája. Bár a szilícium természetesen szigetel, adalékolással elérhető, hogy úgy viselkedjen, mint egy elektromos vezető.
Az adalékolás (dópolás) az a folyamat, amelynek során a szilíciumot szennyezővel keverik, hogy extrinszik félvezető jöjjön létre. Kétféle szennyezővel érhető ez el:
1. N típusú dópolás:
- Némi foszfort vagy arzént kevernek a szilíciumhoz.
- A foszfor és az arzén öt külső elektronnal rendelkezik. Ha szilíciummal kombinálják, az ötödik elektronnak nincs hova kötődnie, így szabadon mozog.
- Az N-típusú szilícium hatékony vezető, és azért nevezik így, mert az elektronok negatív töltéssel rendelkeznek.
2. P-típusú dópolás:
- Némi bórt vagy galliumot kevernek a szilíciumhoz.
- Ezek az elemek csak három külső elektronnal rendelkeznek, amelyek „lyukakat” hoznak létre a szilíciumrácsban, ahova a szilícium elektronjai belépve lyukat hagynak maguk után.
- Elektronok hiányában pozitív a töltési eredmény.
- Az áramvezetés ezeknek a „lyukaknak a vándorlása” révén történik, ahogy a lyuk elektront fogad a szomszédból, jó elektromos vezetőt képezve.
A legkisebb mértékű szennyeződés is úgy megváltoztathatja a szilícium viselkedését, hogy jó szigetelőből valamilyen szinten elektromos vezetővé váljon. Így készül a félvezető.
Diódák
Dióda az N és a P típusú szilícium félvezető kombinálásával hozható létre. Ez a legegyszerűbb félvezető eszköz, melyben az áram az egyik irányba folyik, de a másikba nem, így lehetővé teszi, hogy kapcsolóként működjön, amely ennek megfelelően nyitható és zárható.
A teleppel működő legtöbb eszköz tartalmaz olyan diódát, amely megakadályozza, hogy áram hagyja el a telepet, és védi a készüléket, ha a telepet fordított polaritással helyezik be.
A diszkrét félvezetőknek 10 típusa létezik
1. PIN dióda
Gyakori elemek nagyfeszültségű alkalmazásokban és a gyors kapcsolást igénylő alkalmazásokban. A PIN dióda abban tér el a többi diódától, hogy a félvezetője egy P és egy N típusú félvezető réteg között helyezkedik el.
2. Állandó áramú dióda (más néven áramkorlátozó dióda)
Az állandó áramú diódákat áramkorlátozó diódáknak is nevezik. Inkább az áramot szabályozzák, mintsem a feszültséget, és az áramot csak adott értékig engedik áthaladni, amit a dióda tart fenn.
3. Zener-dióda
A Zener-diódák mindkét irányban lehetővé teszik az áram haladását. Gyakran használják őket háromféleképpen: feszültségkorlátozó elemként, túlfeszültség elleni védelemre és feszültség-referenciaként.
4. Egyenirányító dióda
Az egyenirányító diódák csak egy irányban engedik át az áramot. A váltakozó áram ilyen diódákból megépített egyenirányító hidak segítségével egyenárammá alakítható. Mivel a hagyományos diódákhoz képest robusztusabbak, jobban képesek kezelni a nagyobb terheléseket.
5. Tranziensfeszültség-elnyomó (TVS) dióda
A TVS-diódákat úgy tervezték, hogy megvédjék az érzékeny félvezetőket a tranziens feszültségek okozta esetleges károsodástól. Jellemzői közé tartozik a gyors válaszidő, a kis kapacitás és a kevés szivárgóáram, így ideális az elektrosztatikus kisülési (ESD) eseményekhez.
6. Bipoláris tranzisztor
A bipoláris tranzisztorok negatív és pozitív töltésű hordozóval is rendelkeznek. A bipoláris tranzisztorok gyakori alkalmazásai közé tartozik a kapcsolás és az erősítés. Bár leginkább analóg áramkörök széles körében találhatók meg, különálló egységként is megvásárolhatók.
7. Darlington-tranzisztor
A Darlington-tranzisztor lényegében két tranzisztor egybeépítve, ahol az első az áramot egy adott szintre erősíti, a másik pedig további erősítést végez rajta. A Darlington-tranzisztorokat gyakran használják azért, hogy minimálisra csökkentsék a kártyán a helyigényt ott, ahol két tranzisztort kellene egyébként használni.
8. Záróréteges térvezérlésű tranzisztor (JFET)
A JFET-eket gyakran használják kapcsolási alkalmazásokban, de feszültségfüggő ellenállásként is képesek működni. Forrás és nyelő kivezetéssel rendelkeznek, amelyek segítségével az elektromos ellenállás növelhető, de teljes lekapcsolás is elérhető.
9. Fémoxid-félvezető térvezérlésű tranzisztor (MOSFET)
A MOSFET a tranzisztor leggyakrabban használt formája, mivel mind analóg, mind digitális áramkörökben használják őket. Ezek négy kivezetéssel (test-, nyelő-, kapu- és forrás) rendelkező hatékony JFET-ek, bár a gyakorlatban jellemzően csak hármat kötnek be a használat során. A MOSFET-ek kapcsolóként működnek azáltal, hogy a forrás és a nyelő között szabályozzák a feszültséget és az áramot.
10. Szigetelt kapus bipoláris tranzisztor (IGBT)
Az IGBT a bipoláris tranzisztor és a MOSFET keresztezése. Előnyösen ötvözik a MOSFET-re jellemző nagy kapcsolási sebességeket és a bipoláris tranzisztor alacsony szaturációs feszültségét.
A félvezetők jövője
A két vagy több elemből álló összetett félvezetők a félvezetők következő generációját jelentik. Valószínűleg nagy szerepük lesz a technológia jövőjének alakításában és a tárgyak internete (IoT) megalapozásában. Az összetett félvezetők képességei meghaladják a szilícium képességeit, mivel gyorsabbak, hatékonyabbak és jobban támogatják az ultra-nagy teljesítményű technológiákat. A vezeték nélküli kommunikációban széles körben használt, gallium-arzenidhez hasonló vegyületekből készült chipek szinte minden okostelefonban megtalálhatók, lehetővé téve a nagy sebességű és nagy hatékonyságú kommunikációt a mobil- és a WiFi-hálózatokban egyaránt. Az összetett félvezetők fényt bocsátanak ki és érzékelnek, ami hasznos a LED-ekhez, lézerekhez és száloptikához, és szilíciummal mindez nem lehetséges. Ez a tulajdonság az összetett félvezetők nagyobb hatékonyságával kombinálva számos területen megkönnyíti az innovációt, beleértve az 5G-t, a robotikát, a mesterséges intelligenciát (MI), az önvezetést és a megújuló energiát.
A kvantumszámítástechnika fejlesztései valószínűleg a félvezetők fejlődését is előmozdítják, mivel a vállalatok hihetetlen feldolgozási teljesítményű kvantumszámítógépek létrehozására törekednek. Míg az ezen a területen végzett kezdeti kutatások olyan rendszerekre összpontosítottak, amelyek nulla Kelvin körüli hőmérsékleten működnek, a félvezetők bevonása szobahőmérsékleten használható kvantumszámítógépek kifejlesztését is lehetővé teszi. Ezzel minden eddiginél közelebb kerülünk a kvantumszámítás kereskedelmi megvalósításához – ez a modern társadalom forradalmi kinyilatkoztatása lesz.
