Nasz użyteczny przewodnik po półprzewodnikach zgłębia ich nieodłączną rolę we współczesnych technologiach oraz sposób, w jaki przecierają szlak dla przyszłych innowacji.
Adam Jeffery Kierownik produktu w dziale czujników i półprzewodników w Elfa Distrelec
Adam, który ma ponad 8 lat doświadczenia w branży, z oddaniem zapoznaje inżynierów oraz profesjonalistów z najbardziej innowacyjnymi czujnikami dostępnymi na rynku. Śledząc z pasją postęp technologiczny, Adam pomaga klientom rozszerzyć zakres zastosowań, dzięki użyciu oferowanych przez niego nowatorskich komponentów najwyższej jakości.
Półprzewodniki we współczesnej technologii
Półprzewodniki znajdują się w sercu większości urządzeń — takich jak gry elektroniczne, czytniki kodów kreskowych, komputery i mikroprocesory. Jako komponenty samoistne urządzeń skomputeryzowanych, półprzewodniki używane są powszechnie przy produkcji diod, tranzystorów oraz obwodów zintegrowanych. Ich zastosowanie wzrosło znacznie w ostatnich latach w wyniku redukcji rozmiarów, postępom w dziedzinie sprzętu i materiałów półprzewodnikowych, jak również możliwości produkcji masowej obwodów zintegrowanych na bazie jednego chipu.
Czym jest półprzewodnik?
| Samoistny | Niesamoistny |
|---|---|
| Czysty półprzewodnik | Półprzewodnik domieszkowany |
| Koncentracja elektronów równa koncentracji dziur | Koncentracja elektronów różna od koncentracji dziur |
| Niska przewodność elektryczna | Wysoka przewodność cieplna |
| Zależy od temperatury | Zależy od temperatury i ilości zanieczyszczeń |
Materiałem najczęściej używanym przy produkcji chipów półprzewodnikowych i tranzystorów jest krzem. Jego wykorzystanie jest tak znaczące, że dało początek określeniu „Dolina Krzemowa”, będącemu synonimem siedziby wielu najbardziej innowacyjnych światowych korporacji i miejsca powstawania nowoczesnych produktów technologicznych. Mimo iż sam nie jest przewodnikiem, krzem można domieszkować, aby zachowywał się jak takowy.
Domieszkowanie to proces, podczas którego krzem jest zanieczyszczany celem stworzenia półprzewodnika domieszkowanego. Efekt można uzyskać dzięki dwóm rodzajom domieszek:
1. Domieszkowanie typu N:
- Niewielkie ilości fosforu lub arsenu są dodawane do krzemu.
- Fosfor i arsen mają po pięć elektronów na zewnętrznej powłoce elektronowej. Po połączeniu z krzemem piąty elektron nie ma się z czym związać, zaczyna więc swobodnie krążyć.
- Krzem typu N jest wydajnym przewodnikiem, a swoją nazwę zawdzięcza negatywnemu ładunkowi, jaki posiadają elektrony.
2. Domieszkowanie typu P:
- Niewielkie ilości boru lub galu są dodawane do krzemu.
- Te pierwiastki mają jedynie po trzy elektrony na zewnętrznej powłoce elektronowej, co tworzy „dziury” w strukturze krzemu, w której jego elektrony nie mają się z czym związać.
- Wynikiem nieobecności elektronów jest ładunek pozytywny.
- Prąd jest więc przewodzony tymi dziurami, jako że dziura przejmuje elektron od sąsiedniego atomu, tworząc w ten sposób dobry przewodnik.
Najmniejsza ilość domieszki może zmienić zachowanie krzemu, czyniąc z dobrego izolatora realny przewodnik. Tak właśnie powstaje półprzewodnik.
Diody
Diody są wynikiem połączenia krzemów typu N i P. Jest to najprostsze urządzenie półprzewodnikowe, gdyż prąd płynie tylko w jednym kierunku, pozwalając urządzeniu pełnić funkcję przełącznika, który można włączać lub wyłączać w zależności od potrzeb.
Większość urządzeń korzystających z baterii zawiera diodę, która zapobiega uchodzeniu prądu z baterii i chroni urządzenie w przypadku, gdy bateria jest włożona niewłaściwą stroną.
10 rodzajów półprzewodników dyskretnych
1. Dioda PIN
Bardzo często umieszczana w urządzeniach o wysokim napięciu oraz tych wymagających szybkiego przełączania. Diody PIN można odróżnić od pozostałych diod, ponieważ półprzewodnik znajduje się w nich pomiędzy warstwami o przewodnictwie typu N i typu P.
2. Dioda stałoprądowa (znana również jako dioda ograniczająca prąd)
Diody stałoprądowe znane są również jako diody ograniczające prąd. Regulują prąd zamiast napięcia i pozwalają mu osiągnąć z góry określoną wartość, którą dioda jest w stanie podtrzymać.
3. Dioda Zenera
Diody Zenera pozwalają, by prąd płynął od minusa do plusa i odwrotnie. Są wykorzystywane na trzy sposoby: jako czynnik ograniczający napięcie, ochrona przed zbyt dużym napięciem lub jako wzorzec napięcia.
4. Dioda prostownicza
Diody prostownicze pozwalają, by prąd płynął tylko w jednym kierunku. Prostują prąd zmienny, konwertując go na prąd stały przy pomocy mostków prostowniczych. Ponieważ są bardziej stabilne od standardowych diod, lepiej radzą sobie z większym obciążeniem.
5. Transil (TVS, transient-voltage-suppression)
Transile zostały zaprojektowane, by chronić wrażliwe półprzewodniki przed potencjalnym uszkodzeniem spowodowanym przepięciem. Do ich cech można zaliczyć krótki czas reakcji, niewielką pojemność oraz niską wartość prądu upływowego, czyniące z nich idealne zabezpieczenie przed wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD).
6. Tranzystor bipolarny
Tranzystory bipolarne mają nośniki korzystające zarówno z dodatnich, jak i ujemnych ładunków. Tranzystory bipolarne są stosowane głównie jako przełączniki i wzmacniacze. Chociaż przeważnie stanowią integralną część obwodów analogowych, można je nabyć również jako jednostki dyskretne.
7. Układ Darlingtona
Układ Darlingtona to zasadniczo dwa tranzystory w jednym, gdzie pierwszy wzmacnia prąd do konkretnego poziomu, a drugi wzmacnia go dodatkowo o kolejną wartość. Układy Darlingtona są stosowane często celem zmniejszenia przestrzeni na płycie, gdzie normalnie użyto by dwóch tranzystorów.
8. Tranzystor polowy złączony, (JFET, junction gate field-effect transistor)
Tranzystory polowe złączone mają szerokie zastosowanie jako przełączniki, ale są również w stanie zapewnić opór zależny od napięcia. Mają bramki oraz kanały, dzięki którym można zwiększać lub zmniejszać opór elektryczny.
9. Tranzystor polowy o strukturze: metal, tlenek, półprzewodnik (MOSFET, metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)
Tranzystory MOSFET są najczęściej stosowanym rodzajem tranzystorów z uwagi na ich wykorzystanie zarówno w analogowych, jak i cyfrowych obwodach. W gruncie rzeczy są to tranzystory JFET składające się z czterech wyprowadzeń (podłoża, drenu, bramki i źródła), aczkolwiek w praktyce trzy z nich są podłączone standardowo podczas użycia. MOSFET działa jako przełącznik, kontrolując napięcie i przepływ prądu pomiędzy łożyskiem a drenem.
10. Tranzystor bipolarny z izolowanąbramką (IGBT, insulated gate bipolar transistor)
Tranzystory IGBT stanowią połączenie tranzystorów bipolarnych i MOSFET. Korzystają na tym, że łączą ogromną prędkość przełączania typową dla MOSFET z niskim napięciem nasycenia tranzystorów bipolarnych.
Przyszłość półprzewodników
Półprzewodniki złożone, które składają się z dwóch lub więcej pierwiastków, są nową generacją półprzewodników. Najpewniej odegrają znaczącą rolę w kształtowaniu przyszłości technologii oraz rozwoju Internetu rzeczy. Półprzewodniki złożone przewyższają możliwościami krzem, gdyż są szybsze, bardziej wydajne i stanowią lepsze wsparcie dla technologii o niezwykle wysokiej wydajności. Wykorzystywane na szeroką skalę w komunikacji bezprzewodowej, chipy powstałe na bazie związków chemicznych takich jak arsen galu można znaleźć niemal w każdym smartfonie, gdzie zapewniają wysoką prędkość oraz wydajność w sieciach komórkowych i Wi-Fi. Półprzewodniki złożone emitują i wychwytują światło, co jest przydatne przy technologii LED, laserach i światłowodach, a jest niemożliwe do uzyskania za pomocą czystego krzemu. Ten atrybut, połączony z wyższą wydajnością półprzewodników złożonych, wprowadzi innowacje na wielu polach, włączając w to technologię 5G, robotykę, sztuczną inteligencję (AI), pojazdy autonomiczne oraz energię odnawialną.
Postęp w dziedzinie obliczeń kwantowych również przyczyni się do rozwoju półprzewodników, jako że firmy dążą do stworzenia komputerów kwantowych z niewiarygodną mocą obliczeniową. Chociaż początkowe badania w tej dziedzinie skupiały się na systemach pracujących w temperaturze zerowej, włączenie półprzewodników w proces pozwala na opracowanie komputerów kwantowych, które mogą być wykorzystywane w temperaturze pokojowej. Nigdy wcześniej nie byliśmy tak blisko komercyjnego urzeczywistnienia obliczeń kwantowych — rewolucyjnego odkrycia dla współczesnego społeczeństwa.
