Vår praktiska guide till halvledare utforskar deras viktiga roll i modern teknik och hur de banar väg för framtida innovationer.
Adam Jeffery Produktchef för kretskortmonterade sensorer och halvledare hos Elfa Distrelec
Adam har mer än 8 års erfarenhet inom branschen och är hängiven arbetet att föra samman ingenjörer och yrkespersoner med marknadens mest innovativa sensorer. Med passion för tekniska framsteg hjälper Adam kunderna att förbättra sina tillämpningar med högkvalitativa, toppmoderna komponenter.
Table of Contents
- Halvledare i modern teknik
- Vad är en halvledare?
- Dioder
- 10 typer av diskreta halvledare
- 1. PIN-diod
- 2. Konstantströmsdiod
- 3. Zenerdiod
- 4. Likriktningsdiod
- 5. TVS-diod (spänningsundertryckare)
- 6. Bipolär transistor
- 7. Darlingtontransistor
- 8. Fälteffekttransistor med pn-styre (JFET)
- 9. Metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET)
- 10. Insulated gate bipolar transistor (IGBT)
- Halvledarnas framtid
- Rekommenderade varumärken
Halvledare i modern teknik
Halvledare finns i hjärtat av de flesta tekniska enheterna som elektroniska spel, streckkodsläsare, datorer och mikroprocessorer. Som en väsentlig del av datoriserade anordningar används halvledare brett inom tillverkningen av dioder, transistorer och integrerade kretsar. Deras användning har växt exponentiellt de senaste åren som ett resultat av att allt blir allt mindre och framsteg inom halvledarutrustning och halvledarmaterial, samt möjligheten att massproducera dem för integrerade kretsar (IC) från en enda krets.
Vad är en halvledare?
Halvledare är inte komponenter som sådana utan material som kan vara antingen rena grundämnen som kisel eller germanium, eller sammansatta som galliumarsenid eller kadmiumselenid. Dessa material är varken goda ledare eller isolatorer utan hamnar någonstans mellan de två. Halvledare kan (precis som namnet indikerar) leda elektricitet, men endast då de stimuleras på elektrisk väg i en viss riktning. Denna unika förmåga gör att de kan fungera som ett elektriskt reglage i och med att de kan både leda och inte leda, vilket gör att de kan vara 1 eller 0, precis vad som behövs inom binär databehandling och digitala processer.
Halvledarenheter är små, pålitliga, kostnadseffektiva och strömsnåla och som ett resultat därav är de lämpliga för integrering i komplexa mikroelektroniska kretsar. Som diskreta komponenter kan de användas i strömförsörjning, ljusanordningar och optiska sensorer.
Det finns två typer av halvledare, intrinsiska och extrinsiska:
| Intrinsisk | Extrinsisk |
|---|---|
| Ren halvledare | Halvledare med orenheter |
| Antalet fria elektroner är lika med antalet hål | Antalet fria elektroner är inte lika med antalet hål |
| Låg elektrisk ledningsförmåga | Hög elektrisk ledningsförmåga |
| Beroende på temperatur | Beroende på temperatur och mängden orenheter |
Det material som oftast används för halvledarkretsar och transistorer är kisel (silicone). Det används så mycket att det var det som gav namn till termen ”Silicon Valley”, i det närmaste synonymt med innovativa världsomspännande företag och teknikprodukter. Även om kisel inte är en naturlig ledare kan det dopas så att det beter sig som en.
Dopning är processen där kisel blandas med en orenhet för att skapa en extrinsisk halvledare. Två typer av orenheter uppnår detta:
1. N-dopat:
- Små kvantiteter av antingen fosfor eller arsenik tillsätts i kisel.
- Fosfor och arsenik har fem yttre elektroner. När de förenas med kisel har den femte elektronen inget att binda med och rör sig därför fritt.
- N-dopat kisel är en effektiv halvledare och namnet kommer av att laddningen är negativ.
2. P-dopat:
- Små kvantiteter av antingen bor eller gallium tillsätts i kisel.
- Dessa element har bara tre yttre elektroner vilka skapar hål i kiselgittret där kiselelektronerna inte har något att binda med.
- I brist på elektroner skapas en positiv laddning.
- Strömmen leds genom dessa hål i och med att hålet accepterar en elektron från en intilliggande atom och en god ledare skapas därmed.
En liten mängd av någon av orenheterna kan ändra hur kisel beter sig, antingen blir det en isolator eller en användbar ledare. Då skapas en halvledare.
Dioder
Didoder skapas när N-dopat och P-dopat kisel kombineras. Detta är den enklaste halvledarenheten i och med att strömmen leds i en riktning men inte den andra vilket gör att den fungerar som ett reglage som kan öppnas och stängas.
De flesta enheter som använder batterier har en diod som hindrar ström från att lämna batteriet och skyddar enheten om batteriet sätts i bak och fram.
10 typer av diskreta halvledare
1. PIN-diod
Dessa finner man ofta i högströmstillämpningar och tillämpningar som kräver snabbt växlande. PIN-dioder skiljer sig från andra halvledare i och med att halvledaren placerats mellan ett P-dopat och ett N-dopat lager av halvledare.
2. Konstantströmsdiod
Konstantströmsdioder kallas även för strömbegränsande dioder. De styr ström snarare än spänning och låter endast strömmen flöda upp till ett visst värde där dioden håller kvar den.
3. Zenerdiod
Zenerdioden låter strömmen flöda antingen framåt eller bakåt. De används oftast på tre sätt: för att begränsa spänning, för att skydda mot för mycket spänning eller för att agera som en spänningsreferens.
4. Likriktningsdiod
Likriktningsdioder låter endast strömmen passera i en riktning. De likriktar växelström genom att konvertera den till likström genom att använda likriktningsbryggor. I och med att de är rejälare än standarddioder kan de hantera tyngre belastning bättre.
5. TVS-diod (spänningsundertryckare)
TVS-dioder är utformade för att skydda känsliga halvledare från potentiell skada orsakad av transient spänning. De har egenskaper som snabb svarstid, låg kapacitans och lågt strömläckage vilket gör dem idealiska för elektrostatiska urladdningar.
6. Bipolär transistor
Bipolära transistorer har bärare som använder antingen negativa eller positiva laddningar. Vanliga tillämpningar för bipolära transistorer inkluderar växling och förstärkning. Även om de oftast inkorporeras i analoga kretsar kan de även köpas som diskreta enheter.
7. Darlingtontransistor
En darlingtontransistor är egentligen två transistorer kopplade i serie där den första förstärker strömmen till en viss nivå och den andra förstärker den ytterligare. Darlingtontransistorer används ofta för att ta upp minimalt med utrymme på ett kretskort där två transistorer annars skulle användas.
8. Fälteffekttransistor med pn-styre (JFET)
JFET används oftast för växling men kan även fungera som ett motstånd som beror på spänningen. De har source- och drainterminaler som kan användas antingen för att öka motståndet mot elektronisk ström eller för att stoppa den helt.
9. Metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET)
MOSFET är den vanligaste typen av transistor i och med att de används i både analoga och digitala kretsar. De är som en JFET men med fyra terminaler (body, drain, fate och source) även om tre av dessa normalt sett kopplas in vid användning. En MOSFET fungerar som ett reglage genom att styra flödet av ström och spänning mellan source och drain.
10. Insulated gate bipolar transistor (IGBT)
IGBTs are a cross between the bipolar transistor and the MOSFET. They benefit from the combination of high switching speeds typical in a MOSFET and the low saturation voltage of a bipolar transistor.
Halvledarnas framtid
Sammansatta halvledare som tillverkas av ett eller flera element, är nästa generation av halvledare. De kommer troligen att ha en stor del i teknikens framtid och ligga till grund för utvecklingen av Internet of Things (IoT). Sammansatta halvledare ger större möjligheter än kisel i och med att de är snabbare, effektivare och bättre på att hantera teknik som kräver extremt hög prestanda. De används regelbundet inom trådlös kommunikation, kretsar tillverkade av sammansättningar som galliumarsenid hittas i stort sett i varje smartphone, vilket ger kommunikation i hög hastighet med hög effektivitet vare sig det rör mobilnätverk eller WiFi-nätverk. Sammansatta halvledare strålar ut och kan känna av ljus vilket är användbart för LED-lampor, lasrar och fiberoptik och det är inte möjligt med kisel. Dessa egenskaper tillsammans med en större effektivitet hos sammansatta halvledare kommer att göra innovationer möjlig inom områden som 5G, robotik, artificiell intelligens (AI), självkörande fordon och förnybar energi.
Utvecklingen av kvantdatorer kommer troligen att driva halvledarnas utveckling framåt i och med att företag arbetar för att skapa kvantdatorer med oerhörd processorkraft. Även om den tidiga forskningen inom området fokuseras på system som arbetar på en temperatur av noll grader gör halvledare det möjligt att utveckla kvantdatorer som kan användas vid rumstemperatur. Detta tar oss närmare kommersiellt gångbara kvantdatorer, en revolution för det moderna samhället.
