Félvezető eszköz elektronika

Félvezető eszköz, olyan elektronikus áramkör alkotóelem, amely nem jó vezető, sem jó szigetelő anyag (tehát félvezető). Az ilyen eszközök kompakt alkalmazásuk, megbízhatóságuk és alacsony költségük miatt széles körű alkalmazást találtak. Diszkrét alkatrészekként felhasználásra kerültek az energiaellátó eszközökben, az optikai érzékelőkben és a fénykibocsátókban, beleértve a szilárdtestű lézereket is. Van egy széles körű áram- és feszültség-kezelési képességek, a jelenlegi értékelés néhány nanoamperes (10 ^-9amper) több mint 5000 amperre, és névleges feszültségük meghaladja a 100 000 voltot. Ennél is fontosabb, hogy a félvezető eszközök integrálódhatnak összetett, de könnyen gyártható mikroelektronikai áramkörökbe. Ezek és a belátható jövőben kulcsfontosságú elemek az elektronikus rendszerek többségében, beleértve a kommunikációs, fogyasztói, adatfeldolgozó és ipari vezérlőberendezéseket.

Félvezető és elágazási alapelvek

Félvezető anyagok

A szilárdtest anyagokat általában három osztályba sorolják: szigetelők, félvezetők és vezetők. (Alacsony hőmérsékleten egyes vezetők, félvezetők és szigetelők szupravezetőkké válhatnak.) Az 1. ábra a σ vezetőképességet (és a megfelelő ellenállást ρ = 1 / σ) mutatja, amelyek a három osztály mindegyikének fontos anyagaihoz kapcsolódnak. Szigetelő, mint amilyen az olvasztott kvarc és az üveg, nagyon alacsony vezetőképességű, a nagyságrendileg 10 ^-18 10 ^-10 Siemens per centiméter; és vezetékek, mint például az alumínium, magas vezetőképesség, rendszerint 10 ⁴, hogy 10 ⁶ Siemens per centiméter. A félvezetők vezetőképességei e szélsőségek között vannak.

A félvezető vezetőképessége általában érzékeny a hőmérsékletre, a megvilágításra, a mágneses mezőkre és a szennyező atomok kis mennyiségére. Például egy adott szennyeződés 0,01% -ánál kevesebb hozzáadása növelheti a félvezető elektromos vezetőképességét négy vagy több nagyságrenddel (azaz 10 000-szer). Az öt közös félvezető félvezető vezetőképességének tartományát a szennyező atomok miatt az 1. ábra mutatja.

A félvezető anyagok tanulmányozása a 19. század elején kezdődött. Az évek során sok félvezetőt vizsgáltak meg. A táblázat a periódusos rendszer félvezetőkkel kapcsolatos részét mutatja. Az elemi félvezetők olyan atomfajokból állnak, mint a szilícium (Si), a germánium (Ge) és a szürke ón (Sn) a IV. Oszlopban, valamint a szelén (Se) és a tellurium (Te) a VI. Oszlopban. Számos olyan összetett félvezető létezik, amelyek két vagy több elemből állnak. Például a gallium-arzenid (GaAs) egy bináris III-V vegyület, amely a III. Oszlopból származó gallium (Ga) és az V. oszlop arzén (As) kombinációja.

A félvezetőkkel kapcsolatos elemek periodikus táblázata

időszak	oszlop
	II	III	IV	V	VI
2	bór B	szén C	nitrogén N
3	magnézium Mg	alumínium Al	szilícium Si	foszfor P	kén S
4	cink Zn	gallium Ga	germánium Ge	arzén As	szelén Se
5	kadmium Cd	indium In	ón Sn	antimon Sb	tellúr Te
6	higany Hg	ólom Pb

Ternáris vegyületek képezhetünk elemek három különböző oszlopok, mint például higany indium-tellurid (HgIn ₂ Te ₄), egy II-III-VI típusú vegyület. Két oszlopból álló elemekből is képezhetők, például alumínium-gallium-arzenidből (Al _x Ga1 _{- x} As), amely egy III-V ternárium vegyület, ahol Al és Ga egyaránt a III oszlopból származnak, és az x alaindex rokon a két elem összetételére vonatkoztatva, 100% Al (x = 1) és 100% Ga (x = 0) között. A tiszta szilícium a legfontosabb anyag az integrált áramkörök alkalmazásában, és a III-V bináris és háromkomponensű vegyületek a legfontosabbak a fénykibocsátás szempontjából.

A bipoláris tranzisztor 1947-ben történő feltalálása előtt a félvezetőket csak két terminál eszközként használták, például egyenirányítókat és fotodiodekat. Az 1950-es évek elején a germánium volt a fő félvezető anyag. Számos alkalmazásra alkalmatlannak bizonyult, mivel az anyagból készült eszközök magas szivárgási áramot mutattak, csak mérsékelten megemelt hőmérsékleten. Az 1960-as évek eleje óta a szilícium gyakorlati helyettesítővé vált, gyakorlatilag helyettesítve a germániumot mint félvezető gyártás anyagát. Ennek fő okai kettős: (1) a szilíciumberendezések sokkal alacsonyabb szivárgási áramot mutatnak, és (2) a kiváló minőségű szilícium-dioxidot (SiO ₂), amely szigetelő anyag, könnyű előállítani. A szilícium-technológia jelenleg messze a legfejlettebb az összes félvezető technológia között, és a szilícium-alapú eszközök a világszerte értékesített összes félvezető hardver több mint 95% -át teszik ki.

Sok összetett félvezető elektromos és optikai tulajdonságokkal rendelkezik, amelyek a szilikonban hiányoznak. Ezeket a félvezetőket, különösen a gallium-arsenidet, főleg nagysebességű és optoelektronikai alkalmazásokhoz használják.