Vi har laget en nyttig veiledning som utforsker den viktige rollen halvledere spiller for moderne teknologi, og hvordan de baner vei for fremtidig innovasjon.
Adam Jeffery Produktsjef for kortmonterte sensorer og halvledere hos Elfa Distrelec.
Adam har over 8 års bransjeerfaring og jobber for at ingeniører og fagfolk skal få de meste innovative sensorene på markedet. Adam er lidenskapelig opptatt av teknologisk framgang, og hjelper nå kundene med å forbedre sine produkter ved å tilby dem de beste komponentene av meget høy kvalitet.
Halvledere i moderne teknologi
Halvledere er kjernen i de fleste tekniske enheter, inkludert i elektroniske spill, strekkodelesere, datamaskiner og mikroprosessorer. Som en iboende komponent i datastyrte enheter, brukes halvledere mye i produksjonen av dioder, transistorer og integrerte kretser. Bruken av halvledere har vokst eksponentielt i løpet av få år som følge av stadig mindre størrelser, fremskritt i både halvlederutstyr og halvledermateriell og muligheten for masseproduksjon av integrerte kretser (IC).
Hva er en halvleder?
Halvledere er ikke egentlig komponenter, de er faktisk materialer som kan være rene grunnstoff, som f.eks. silisium eller germanium, eller sammensetninger som galliumarsenid eller kadmiumselenid. Disse materialene er hverken gode ledere eller isolatorer, men de ligger et sted mellom disse to. Halvledere (som navnet antyder) kan lede elektrisitet, men bare når en elektrisk stimulering i en bestemt retning er til stede. Denne unike evnen gjør at de kan fungere som en elektronisk bryter, da de kan være både ledene og ikke-ledene. Halvledere kan dermed levere 1 eller 0, som trenges ved binær databehandling og digital prosessering.
Halvlederenheter er små, pålitelige, kostnadseffektive og energieffektive, og resultatet er at de godt kan integreres med komplekse mikroelektroniske kretser. Som enkeltkomponenter kan de brukes i strømforsyning, lysemittere og optiske sensorer.
Det finnes to typer halvledere – intrinsik og ekstrinsik:
| Intrinsisk | Ekstrinsisk |
|---|---|
| Ren halvleder | Uren halvleder |
| Lik elektrontetthet til hull | Ulik elektrontetthet til hull |
| Lav elektrisk ledeevne | Høy elektrisk ledeevne |
| Avhengig av temperatur | Avhengig av temperatur og mengden urenhet |
Som oftest brukes det silisium i halvlederchiper og transistorer. Bruken er så fremtredende at det har gitt opphav til begrepet «Silicon Valley», som er synonymt med mange av de mest innovative globale selskapene og teknologiske produktene i verden. Selv om den ikke er en naturlig leder, kan silisium dopes slik at den oppfører seg som en.
Doping i denne sammenhengen er en prosess der silisium blandes med en urenhet for å lage en ekstrinsik halvleder. Det finnes to typer urenheter som kan oppnå dette:
1. N-type doping:
- Små mengder av enten fosfor eller arsen tilsettes silisiumet.
- Fosfor og arsen har fem ytre elektroner. Når de kombineres med silisium, har ikke det femte elektronet noe å binde seg til, og dermed beveger det seg fritt rundt.
- N-type silisium er en effektiv leder og har fått dette navnet fordi elektroner har en negativ ladning.
2. P-type doping:
- Små mengder av enten bor eller gallium tilsettes silisiumet.
- Disse elementene har bare tre ytre elektroner som lager «hull» i silisiumsnettet, noe som gjør at elementene ikke har noe å binde seg til.
- Når det ikke finnes elektroner, skapes det en positiv ladning.
- Strøm ledes gjennom disse hullene når hullet aksepterer et elektron fra en nabo, noe som skaper en god leder.
Selv en svært liten mengde urenheter kan gjøre at silisium endrer seg fra å være en god isolator til en brukbar leder. Dette skaper en halvleder.
Dioder
Dioder lages ved at N-type- og P-type-silisium kombineres. Dette er den enkleste typen halvleder fordi strømmen bare går i én retning, slik at den kan fungere som en bryter som kan åpnes eller lukkes.
De fleste enheter som bruker batterier, inneholder en diode som blokkerer strøm fra å gå ut av batteriet, noe som fungerer som en beskyttelse hvis batteriene settes inn feil vei.
10 typer diskrete halvledere
1. PIN-diode
Disse finnes ofte i høyspenningsapparater og apparater som krever rask veksling. PIN-dioder kan skilles fra andre dioder fordi halvlederen ligger mellom et halvlederlag av P-type og N-type.
2. Konstantstrømdiode (også kjent som en strømbegrensende diode)
Konstantstrømdioder er også kjent som strømbegrensende dioder. De regulerer strøm fremfor spenning og lar bare strømmen føres opptil en bestemt verdi, som dioden opprettholder.
3. Zener-diode
Zener-dioder lar strømmen føres begge veier, enten fremover eller bakover. De brukes ofte på tre måter: for å begrense spenningen, for å beskytte mot for stor spenning eller for å gi en spenningsreferanse.
4. Likestrømdiode
Likestrømdioder gjør at strømmen kun blir ført i én retning. De endrer vekselstrøm ved å konvertere den til likestrøm ved bruk av likestrømsbroer. Fordi de er mer robuste enn standarddioder, er de bedre egnet til å håndtere tyngre påkjenninger.
5. Transient-spennings-demper (TVS)-diode
TVS-dioder er designet for å beskytte sensitive halvledere fra potensielle skader forårsaket av transiente spenninger. De har egenskaper som rask responstid, lav kapasitans og lav lekkasjestrøm. Dette gjør de ideelle for elektrostatisk utladning (ESD).
6. Dobbelpolet transistor
Bipolare transistorer har bærere som bruker både negative og positive ladninger. Bipolare transistorer benyttes ofte ved svitsjing og forsterkning. Selv om de er integrert i analoge kretser, kan de også kjøpes som diskrete komponenter.
7. Darlington-transistor
En Darlington-transistor er i hovedsak to transistorer i én, der den første forsterker strømmen til et bestemt nivå, mens den andre forsterker den ytterligere. Darlington-transistorer brukes ofte for å minimere plass på et kort der to transistorer ellers hadde blitt brukt.
8. Junction-felteffekttransistor (JFET)
Junction-felteffekttransistorer brukes ofte til svitsjing, men de kan også gi motstand som er avhengig av spenningen. De har source- og drainterminaler, som kan brukes til å enten øke motstand mot elektrisk strøm eller til å kutte strømmen fullstendig.
9. Metalloksyd-halvleder-felteffekttransistor (MOSFET)
MOSFET-er er den mest brukte formen for transistorer på grunn av at de kan brukes både i analoge og digitale kretser. De fungerer som JFET-er med fire terminaler (body, drain, gate og sourceterminaler), selv om tre av disse i praksis, og vanligvis, er koblet til under bruk. MOSFET-er fungerer som en bryter ved at den kontrollerer spenningen og strømmen mellom source og drain.
10. Bipolar transistor med isolert gate (IGBT)
IGBT-er er en krysning mellom den bipolare transistoren og MOSFET. De drar fordel av kombinasjonen av høye svitsjinghastigheter fra en typisk MOSFET og den lave metningsspenningen til en bipolar transistor.
Halvledernes fremtid
Sammensatte halvledere, som er laget av to eller flere elementer, er neste generasjons halvledere. De vil sannsynligvis bidra til å forme fremtidens teknologi og underbygge Tingenes Internett (IoT). Sammensatte halvledere overskrider mulighetene til silisium, da de er raskere, mer effektive og bedre kan støtte teknologier med svært høy ytelse. Chiper som er laget fra sammensetninger som galliumarsenid, finnes i nesten alle smarttelefoner. Dette har gitt en utstrakt bruk i trådløs kommunikasjon, der det er mulig med høy hastighet og høy effektivitet i både mobil- og WiFi-nettverk. Sammensatte halvledere avgir og detekterer lys, som er nyttig for LED-lys, lasere og fiberoptikk, noe som ikke er mulig med silisium. Denne egenskapen, kombinert med større effektivitet av sammensatte halvledere, gjør at innovasjonen går lettere på en rekke områder, inkludert 5G, robotikk, kunstig intelligens (AI), autonome kjøretøy og fornybar energi.
Utviklingen innen kvantedatamaskiner vil sannsynligvis også føre til fremgang innen halvledere fordi selskaper streber etter kvantemaskiner med enorm behandlingskraft. Mens den tidligste forskningen på dette området fokuserte på systemer som fungerer under forhold med en temperatur på null, fører bruken av halvledere til at kvantedatamaskiner kan brukes ved romtemperatur. Dette tar oss nærmere enn noensinne til den kommersielle realiseringen av kvanteberegninger, som vil være en revolusjon for samfunnet.
