อุปกรณ์และวงจรเซมิคอนดักเตอร์การใช้งาน

อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ประกอบด้วยวัสดุที่ไม่ใช่ตัวนำที่ดีหรือฉนวนที่ดีเรียกว่าเซมิคอนดักเตอร์ อุปกรณ์ดังกล่าวมีการใช้งานที่หลากหลายเนื่องจากความน่าเชื่อถือความกะทัดรัดและต้นทุนต่ำ ส่วนประกอบเหล่านี้เป็นส่วนประกอบแยกที่ใช้ในอุปกรณ์ไฟฟ้าเซ็นเซอร์ออปติคอลขนาดกะทัดรัดและตัวปล่อยแสงรวมถึงเลเซอร์โซลิดสเตท มีความสามารถในการจัดการกระแสและแรงดันไฟฟ้าที่หลากหลายโดยมีพิกัดกระแสมากกว่า 5,000 แอมแปร์และพิกัดแรงดันไฟฟ้ามากกว่า 100,000 โวลต์ ที่สำคัญกว่า, อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ ให้ยืมตัวเองในการรวมเข้ากับวงจรไมโครอิเล็กทรอนิกส์ที่ซับซ้อน แต่สร้างขึ้นได้อย่างง่ายดาย พวกเขากำลังมีอนาคตที่เป็นไปได้องค์ประกอบหลักของระบบอิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่รวมถึงการสื่อสารกับการประมวลผลข้อมูลผู้บริโภคและอุปกรณ์ควบคุมอุตสาหกรรม

อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์คืออะไร?

อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ไม่มีอะไรนอกจาก ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ ที่ใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์เช่นซิลิคอนเจอร์เมเนียมและแกลเลียมอาร์เซไนด์รวมถึงสารกึ่งตัวนำอินทรีย์ อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ได้เข้ามาแทนที่หลอดสุญญากาศในหลาย ๆ การใช้งาน พวกเขาใช้การนำทางอิเล็กทรอนิกส์ในสถานะของแข็งเมื่อเทียบกับการปล่อยความร้อนในสุญญากาศสูง อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ผลิตขึ้นสำหรับทั้งอุปกรณ์แยกและ วงจรรวม ซึ่งประกอบด้วยอุปกรณ์ไม่กี่ตัวถึงหลายพันล้านชิ้นที่ผลิตและเชื่อมต่อกันบนพื้นผิวเซมิคอนดักเตอร์หรือเวเฟอร์เพียงชิ้นเดียว

อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์

วัสดุเซมิคอนดักเตอร์มีประโยชน์เนื่องจากพฤติกรรมของพวกมันซึ่งสามารถจัดการได้ง่ายโดยการเติมสิ่งสกปรกที่เรียกว่ายาสลบ การนำสารกึ่งตัวนำสามารถควบคุมได้โดยสนามไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็กโดยการสัมผัสกับแสงหรือความร้อนหรือโดยการเปลี่ยนรูปเชิงกลของกริดผลึกโมโนที่เจือดังนั้นเซมิคอนดักเตอร์จึงสามารถสร้างเซ็นเซอร์ที่ยอดเยี่ยมได้ การนำกระแสในเซมิคอนดักเตอร์เกิดขึ้นโดยไม่มีอิเล็กตรอนและโฮลซึ่งเรียกรวมกันว่าตัวพาประจุ การเติมซิลิกอนทำได้โดยการเพิ่มอะตอมที่ไม่บริสุทธิ์จำนวนเล็กน้อยและสำหรับฟอสฟอรัสหรือโบรอนทำให้จำนวนอิเล็กตรอนหรือรูในเซมิคอนดักเตอร์เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ

เมื่อเซมิคอนดักเตอร์ที่เจือมีรูส่วนเกินจะเรียกว่าเซมิคอนดักเตอร์“ p-type” (บวกสำหรับรู) และเมื่อมีอิเล็กตรอนอิสระมากเกินไปจะเรียกว่าเซมิคอนดักเตอร์“ n-type” (ลบสำหรับอิเล็กตรอน) คือ สัญญาณการเรียกเก็บเงินของผู้ให้บริการมือถือส่วนใหญ่ จุดเชื่อมต่อที่เกิดขึ้นโดยที่สารกึ่งตัวนำชนิด n และชนิด p เชื่อมเข้าด้วยกันเรียกว่าชุมทาง p – n

ไดโอด

สารกึ่งตัวนำ ไดโอดเป็นอุปกรณ์ โดยทั่วไปประกอบด้วยทางแยก p-n เดียว จุดเชื่อมต่อของเซมิคอนดักเตอร์ชนิด p และชนิด n ก่อให้เกิดพื้นที่พร่องซึ่งการนำกระแสปัจจุบันถูกสงวนไว้โดยไม่มีผู้ให้บริการชาร์จมือถือ เมื่ออุปกรณ์มีการเอนเอียงไปข้างหน้าพื้นที่การพร่องนี้จะลดลงทำให้สามารถนำไฟฟ้าได้อย่างมีนัยสำคัญเมื่อไดโอดมีการเอนเอียงแบบย้อนกลับจะสามารถทำได้กระแสไฟฟ้าน้อยลงเท่านั้นและสามารถขยายขอบเขตการพร่องได้ การให้สารกึ่งตัวนำสัมผัสกับแสงสามารถสร้างคู่ของรูอิเล็กตรอนซึ่งจะเพิ่มจำนวนพาหะอิสระและด้วยเหตุนี้การนำไฟฟ้า ไดโอดที่ปรับให้เหมาะสมเพื่อใช้ประโยชน์จากปรากฏการณ์นี้เรียกว่าโฟโตไดโอด นอกจากนี้ยังมีการใช้ไดโอดเซมิคอนดักเตอร์แบบผสมเพื่อสร้างแสงไดโอดเปล่งแสงและไดโอดเลเซอร์

ไดโอด

ทรานซิสเตอร์

ทรานซิสเตอร์ขั้วต่อสองขั้ว ถูกสร้างขึ้นโดยสองจุดเชื่อมต่อ p-n ในการกำหนดค่า p-n-p หรือ n-p-n ตรงกลางหรือฐานบริเวณระหว่างทางแยกมักจะแคบมาก ภูมิภาคอื่น ๆ และขั้วที่เกี่ยวข้องเรียกว่าตัวปล่อยและตัวรวบรวม กระแสไฟฟ้าขนาดเล็กที่ฉีดผ่านทางแยกระหว่างฐานและตัวปล่อยจะเปลี่ยนคุณสมบัติของทางแยกตัวเก็บฐานเพื่อให้สามารถนำกระแสได้แม้ว่าจะมีความเอนเอียงย้อนกลับก็ตาม สิ่งนี้จะสร้างกระแสที่มากขึ้นระหว่างตัวเก็บรวบรวมและตัวปล่อยและควบคุมโดยกระแสตัวส่งพื้นฐาน

ทรานซิสเตอร์

ทรานซิสเตอร์อีกประเภทหนึ่งชื่อ ทรานซิสเตอร์สนามผล มันทำงานบนหลักการที่ว่าการนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์สามารถเพิ่มขึ้นหรือลดลงได้โดยการมีสนามไฟฟ้า สนามไฟฟ้าสามารถเพิ่มจำนวนอิเล็กตรอนและโฮลในเซมิคอนดักเตอร์ได้จึงเปลี่ยนสภาพนำไฟฟ้า สนามไฟฟ้าอาจถูกนำไปใช้โดยทางแยก p-n ที่มีความเอนเอียงแบบย้อนกลับและมันจะสร้างทรานซิสเตอร์สนามผลทางแยก (JFET) หรือโดยอิเล็กโทรดที่หุ้มฉนวนจากวัสดุจำนวนมากโดยชั้นออกไซด์และมันจะสร้าง โลหะ - ออกไซด์เซมิคอนดักเตอร์ทรานซิสเตอร์สนามผล (มอสเฟต).

ปัจจุบันมีการใช้งานมากที่สุดใน MOSFET อุปกรณ์โซลิดสเตทและอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ อิเล็กโทรดประตูถูกชาร์จเพื่อสร้างสนามไฟฟ้าที่สามารถควบคุมการนำไฟฟ้าของ 'ช่อง' ระหว่างขั้วทั้งสองเรียกว่าแหล่งกำเนิดและท่อระบายน้ำ ขึ้นอยู่กับชนิดของพาหะในช่องสัญญาณอุปกรณ์อาจเป็น n-channel (สำหรับอิเล็กตรอน) หรือ p-channel (สำหรับหลุม) MOSFET

วัสดุอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์

ซิลิกอน (Si) เป็นวัสดุที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ มีต้นทุนวัตถุดิบที่ต่ำกว่าและมีกระบวนการที่ค่อนข้างง่าย ช่วงอุณหภูมิที่เป็นประโยชน์ทำให้ปัจจุบันสามารถประนีประนอมได้ดีที่สุดในบรรดาวัสดุที่แข่งขันกัน ปัจจุบันซิลิคอนที่ใช้ในการผลิตอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ถูกประดิษฐ์เป็นชามที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่พอที่จะผลิตเวเฟอร์ 300 มม. (12 นิ้ว) ได้

เจอร์เมเนียม (Ge) ใช้กันอย่างแพร่หลายในวัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นแรก ๆ แต่ความไวต่อความร้อนทำให้มีประโยชน์น้อยกว่าซิลิกอน ปัจจุบันเจอร์เมเนียมมักถูกผสมด้วยซิลิกอน (Si) เพื่อใช้ในอุปกรณ์ SiGe ความเร็วสูงที่ IBM เป็นผู้ผลิตหลักของอุปกรณ์ดังกล่าว

นอกจากนี้ Gallium arsenide (GaAs) ยังใช้กันอย่างแพร่หลายกับอุปกรณ์ความเร็วสูง แต่จนถึงขณะนี้การสร้างชามที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่ของวัสดุนี้เป็นเรื่องยากซึ่ง จำกัด ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของเวเฟอร์ให้เล็กกว่าซิลิคอนเวเฟอร์อย่างมากจึงทำให้การผลิต Gallium arsenide เป็นจำนวนมาก (GaAs) อุปกรณ์มีราคาแพงกว่าซิลิกอนอย่างมาก

รายชื่ออุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ทั่วไป

รายการอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ทั่วไปส่วนใหญ่ประกอบด้วยขั้วสองขั้วสามขั้วและอุปกรณ์ปลายทางสี่เครื่อง

อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ทั่วไป

อุปกรณ์สองขั้วคือ

• ไดโอด (ไดโอดเรียงกระแส)
• กันน์ไดโอด
• อิมแพ็คไดโอด
• เลเซอร์ไดโอด
• ซีเนอร์ไดโอด
• ไดโอด Schottky
• PIN ไดโอด
• ไดโอดอุโมงค์
• ไดโอดเปล่งแสง (LED)
• ทรานซิสเตอร์ภาพถ่าย
• ตาแมว
• โซล่าเซลล์
• ไดโอดปราบปรามแรงดันไฟฟ้าชั่วคราว
• VCSEL

อุปกรณ์สามขั้วคือ

• ทรานซิสเตอร์สองขั้ว
• ทรานซิสเตอร์สนามผล
• ทรานซิสเตอร์ดาร์ลิงตัน
• ทรานซิสเตอร์ไบโพลาร์ประตูฉนวน (IGBT)
• ทรานซิสเตอร์ Unijunction
• วงจรเรียงกระแสที่ควบคุมด้วยซิลิคอน
• ไทริสเตอร์
• TRIAC

อุปกรณ์สี่ขั้วคือ

• ตัวเชื่อมต่อภาพถ่าย (Optocoupler)
• เซ็นเซอร์ Hall effect (เซ็นเซอร์สนามแม่เหล็ก)

การใช้งานอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์

ทรานซิสเตอร์ทุกประเภทสามารถใช้เป็น การสร้างบล็อคของประตูตรรกะ ซึ่งมีประโยชน์ในการออกแบบวงจรดิจิทัล ในวงจรดิจิทัลเช่นไมโครโปรเซสเซอร์ทรานซิสเตอร์ซึ่งทำหน้าที่เป็นสวิตช์ (เปิด - ปิด) ใน MOSFET เช่นแรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับเกตจะกำหนดว่าสวิตช์เปิดหรือปิด

ทรานซิสเตอร์ใช้สำหรับวงจรอะนาล็อกไม่ได้ทำหน้าที่เป็นสวิตช์ (เปิด - ปิด) แต่ตอบสนองต่อช่วงอินพุตต่อเนื่องโดยมีช่วงเอาต์พุตต่อเนื่อง วงจรอนาล็อกทั่วไป ได้แก่ ออสซิลเลเตอร์และเครื่องขยายเสียง วงจรที่เชื่อมต่อหรือแปลระหว่างวงจรแอนะล็อกและวงจรดิจิทัลเรียกว่าวงจรสัญญาณผสม

ข้อดีของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์

• เนื่องจากอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ไม่มีเส้นใยจึงไม่จำเป็นต้องใช้พลังงานในการให้ความร้อนเพื่อทำให้เกิดการปล่อยอิเล็กตรอน
• เนื่องจากไม่จำเป็นต้องให้ความร้อนอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์จึงถูกตั้งค่าให้ทำงานทันทีที่เปิดวงจร
• ในระหว่างการใช้งานอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์จะไม่ส่งเสียงฟู่
• อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ต้องใช้แรงดันไฟฟ้าต่ำเมื่อเทียบกับหลอดสุญญากาศ
• เนื่องจากมีขนาดเล็กวงจรที่เกี่ยวข้องกับอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์จึงมีขนาดกะทัดรัดมาก
• อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ป้องกันการกระแทก
• อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์มีราคาถูกกว่าเมื่อเทียบกับหลอดสุญญากาศ
• อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์มีอายุการใช้งานเกือบไม่ จำกัด
• เนื่องจากไม่ต้องสร้างสูญญากาศในอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์จึงไม่มีปัญหาการเสื่อมสภาพของสูญญากาศ

ข้อเสียของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์

• ระดับเสียงในอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์สูงกว่าเมื่อเทียบกับในหลอดสุญญากาศ
• อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ธรรมดาไม่สามารถจัดการพลังงานได้มากกว่าที่หลอดสุญญากาศธรรมดาทำได้
• ในช่วงความถี่สูงพวกเขามีการตอบสนองที่ไม่ดี

ดังนั้นนี่คือข้อมูลเกี่ยวกับอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ประเภทต่างๆ ได้แก่ ขั้วสองขั้วสามขั้วและอุปกรณ์ปลายทางสี่เครื่อง เราหวังว่าคุณจะเข้าใจแนวคิดนี้ดีขึ้น นอกจากนี้หากมีข้อสงสัยใด ๆ เกี่ยวกับแนวคิดนี้หรือโครงการไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์โปรดแสดงความคิดเห็นของคุณโดยการแสดงความคิดเห็นในส่วนความคิดเห็นด้านล่าง นี่คือคำถามสำหรับคุณว่าอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์มีอะไรบ้าง?

เครดิตภาพ:

• ไดโอด สงสัย
• วัสดุอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ สงสัย
• ประเภทของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ วิกิมีเดีย