Różne typy półprzewodników napędzają produkcję szerokiego zakresu zastosowań, od podstawowych gadżetów po najbardziej zaawansowane systemy komunikacyjne. Zrozumienie ich funkcji pozwala nam dobrać odpowiednie komponenty do każdego rodzaju projektu czy zastosowania.
Ale czym właściwie jest urządzenie półprzewodnikowe? W tym artykule nie tylko wyjaśnimy, co to jest, ale także omówimy sześć głównych typów i podkreślimy ich zastosowania na przykładach.
Dzięki temu dowiesz się, w jaki sposób te komponenty napędzają dzisiejszą technologię, i pomożesz wybrać te, które najlepiej pasują do Twoich projektów.
Czytaj dalej!
Co to są urządzenia półprzewodnikowe?
Urządzenia półprzewodnikowe to elementy elektroniczne wykonane z materiałów o przewodności elektrycznej pośredniej pomiędzy przewodnictwem (takim jak miedź) i izolatorem (takim jak szkło).
Urządzenia te kontrolują przepływ prądu elektrycznego, wykorzystując unikalne właściwości półprzewodników, takich jak krzem czy german.
Mają kluczowe znaczenie dla współczesnej elektroniki, umożliwiając wzmacnianie, przełączanie i konwersję energii w obwodach.
Krótko mówiąc, urządzenia półprzewodnikowe to części elektroniczne wykorzystujące półprzewodniki.
Co to są półprzewodniki?
Półprzewodniki to materiały o przewodności elektrycznej pośredniej pomiędzy przewodnikami i izolatorami. Ta wyjątkowa właściwość pozwala im kontrolować prąd elektryczny w sposób, w jaki nie są w stanie tego zrobić ani przewodniki, ani izolatory.
W urządzeniu półprzewodnikowym niewielkie zmiany napięcia lub prądu mogą powodować znaczące zmiany w zachowaniu urządzenia, co czyni je idealnymi do przełączania, wzmacniania sygnału i sterowania mocą w systemach elektronicznych. Urządzenia te są niezbędne do wszystkiego, od zarządzania energią w sprzęcie AGD po złożone przetwarzanie danych w komputerach i smartfonach.
Zdolność materiałów półprzewodnikowych do przewodzenia prądu elektrycznego często zmienia się poprzez dodanie zanieczyszczeń – proces zwany domieszkowaniem, który powoduje utworzenie w materiale obszarów o różnych właściwościach elektrycznych.
Regiony te umożliwiają urządzeniom półprzewodnikowym, takim jak diody i tranzystory, regulację prądu, co czyni je kluczowymi w nowoczesnej elektronice.
6 Rodzaje półprzewodników i ich zastosowania
- Urządzenia dyskretne
Dyskretne urządzenia półprzewodnikowe to pojedyncze elementy elektroniczne spełniające jedną funkcję. Są to kluczowe elementy składowe systemów elektronicznych, wykonujące podstawowe operacje, takie jak przełączanie, wzmacnianie i prostowanie. Do najpopularniejszych urządzeń dyskretnych należą:
- Diody
- Tranzystor
- Tyrystory
- Formularze
Dowiedzmy się więcej o każdym z tych komponentów:
- Diody
Diody są to jednokierunkowe zawory elektroniczne, które umożliwiają przepływ prądu tylko w jednym kierunku. Ich najczęstszym zastosowaniem jest prostowanie, czyli konwersja prądu przemiennego (AC) na prąd stały (DC). Znajdują zastosowanie w zasilaczach, ładowarkach akumulatorów i demodulacji sygnału.- Przykład: W obwodzie zasilania diody zapobiegają prądom wstecznym, chroniąc wrażliwe elementy przed uszkodzeniem.
- Tranzystor
Tranzystory są niezbędne do wzmacniania i przełączania sygnałów elektronicznych. Istnieją dwa główne typy: bipolarny tranzystor złączowy (BJT) i tranzystor polowy (FET). BJT są często używane do wzmacniania, podczas gdy tranzystory FET są najczęściej używane do zastosowań przełączających ze względu na ich wysoką wydajność.- Przykład: Tranzystory są powszechnie spotykane w procesorach, wzmacniaczach i przełącznikach. W procesorze komputera tranzystory przetwarzają dane binarne, zachowując się jak małe przełączniki.
- Tyrystory
Tyrystory są to urządzenia działające jak przełączniki bistabilne, przewodzące, gdy ich bramka otrzyma impuls prądowy i przewodzące tak długo, jak długo pozostają spolaryzowane w kierunku przewodzenia. Są szczególnie przydatne w zastosowaniach wymagających dużej mocy, takich jak sterowanie prędkością silnika, ściemniacze światła i systemy kontroli ciśnienia.- Przykład: Tyrystory są często stosowane w elektronice mocy, na przykład w silnikach przemysłowych i systemach sterowania mocą prądu przemiennego.
- Formularze
Moduły to zespoły urządzeń półprzewodnikowych, zwykle zawierające wiele komponentów, takich jak diody, tranzystory i tyrystory, umieszczone w jednej obudowie. Są stosowane w zastosowaniach, w których wymagana jest duża moc i wydajność, takich jak falowniki i systemy konwersji energii.- Przykład: Moduły mocy są używane w falownikach słonecznych do przekształcania energii prądu stałego z paneli słonecznych na energię prądu przemiennego do użytku domowego.
2. Urządzenia optyczne
Optyczne urządzenia półprzewodnikowe przekształcają sygnały elektryczne w światło lub światło w sygnały elektryczne. Urządzenia te mają kluczowe znaczenie w systemach komunikacyjnych, czujnikach i technologiach wyświetlania. Główne typy urządzeń optycznych obejmują:
- Urządzenia emitujące światło (LED)
- Fotodetektory
- Kompozytowe urządzenia optyczne
- Optyczne urządzenia komunikacyjne
Urządzenia emitujące światło (LED)
Diody LED wytwarzają światło, gdy przepływa przez nie prąd, co czyni je bardzo wydajnymi w technologiach oświetleniowych i wyświetlających. Diody LED są szeroko stosowane ze względu na ich długą żywotność, efektywność energetyczną i korzyści dla środowiska. - Przykład: Diody LED są podstawą nowoczesnych systemów wyświetlaczy, m.in. stosowanych w telewizorach, smartfonach i ekranach reklamowych.
Fotodetektory
Fotodetektory, takie jak fotodiody i fototranzystory, przekształcają światło na sygnały elektryczne. Mają kluczowe znaczenie w zastosowaniach związanych z wykrywaniem, takich jak kamery, myszy optyczne i ogniwa słoneczne. - Przykład: Fotodetektory stanowią integralną część systemów komunikacji światłowodowej, gdzie przetwarzają sygnały świetlne na sygnały elektryczne.
Kompozytowe urządzenia optyczne
Kompozytowe urządzenia optyczne łączą w jednym pakiecie wiele funkcji, takich jak wykrywanie i emitowanie światła. Są niezbędne w złożonych systemach optycznych, gdzie przestrzeń i wydajność są kluczowymi czynnikami. - Przykład: W optycznych systemach transmisji danych urządzenia kompozytowe mogą wysyłać i odbierać sygnały świetlne, zapewniając szybką i niezawodną komunikację.
Optyczne urządzenia komunikacyjne
Urządzenia te przesyłają dane za pomocą światła. Mają kluczowe znaczenie w szybkich systemach internetowych, centrach danych i sieciach komunikacji na duże odległości. Szybkość i wydajność optycznych urządzeń komunikacyjnych zrewolucjonizowały sposób przesyłania danych na całym świecie. - Przykład: Sieci światłowodowe wykorzystują optyczne urządzenia komunikacyjne do przesyłania ogromnych ilości danych z prędkością światła, zapewniając szybkie połączenia internetowe.
3 . Urządzenia mikrofalowe
Mikrofalowe urządzenia półprzewodnikowe działają na bardzo wysokich częstotliwościach (powyżej 1 GHz) i są wykorzystywane w takich zastosowaniach, jak radary, komunikacja bezprzewodowa i transmisje satelitarne. Urządzenia te można podzielić na:
- Dyskretne urządzenia mikrofalowe
- Mikrofalowe układy scalone (IC)
- Moduły mikrofalowe
Dyskretne
urządzenia mikrofalowe Dyskretne urządzenia mikrofalowe, takie jak diody Gunna i diody IMPATT, służą do generowania i wzmacniania sygnałów mikrofalowych o wysokiej częstotliwości. Są one niezbędne w systemach radarowych i technologiach komunikacji bezprzewodowej. - Przykład: Diody Gunna są używane w radarach policyjnych do pomiaru prędkości pojazdów poprzez generowanie sygnałów mikrofalowych, które odbijają się od poruszających się obiektów.
Mikrofalowe układy scalone
Mikrofalowe układy scalone integrują wiele funkcji, takich jak generowanie sygnału, wzmacnianie i filtrowanie, w jednym chipie. Są one stosowane w telefonach komórkowych, systemach łączności satelitarnej i wojskowych systemach radarowych. - Przykład: Mikrofalowe układy scalone w telefonach komórkowych umożliwiają transmisję i odbiór sygnałów o wysokiej częstotliwości, zapewniając niezawodną komunikację bezprzewodową.
Moduły mikrofalowe
Moduły mikrofalowe to zespoły, które łączą w jednym pakiecie wiele elementów mikrofalowych, często zawierających zarówno elementy pasywne, jak i aktywne. Moduły te znajdują zastosowanie w złożonych systemach komunikacyjnych, gdzie istotna jest oszczędność miejsca i wysoka wydajność. - Przykład: Transpondery satelitarne wykorzystują moduły mikrofalowe do wzmacniania i przesyłania sygnałów z Ziemi do przestrzeni kosmicznej i odwrotnie, zapewniając wyraźną i nieprzerwaną komunikację.
4. Czujniki
to urządzenia półprzewodnikowe, które wykrywają zmiany warunków środowiskowych i przetwarzają je na sygnały elektryczne. Czujniki mają kluczowe znaczenie w zastosowaniach w systemach motoryzacyjnych, służbie zdrowia, automatyce przemysłowej i elektronice użytkowej.
- Przykład: W samochodach czujniki wykrywają takie parametry, jak temperatura, ciśnienie i prędkość, dostarczając niezbędne dane do systemów sterujących pojazdu w celu zapewnienia płynnego działania.
Rodzaje czujników
- Czujniki temperatury : stosowane w systemach HVAC do monitorowania i kontrolowania temperatury.
- Czujniki ciśnienia : stosowane w zastosowaniach przemysłowych do wykrywania zmian ciśnienia cieczy lub gazów.
- Czujniki zbliżeniowe : stosowane w elektronice użytkowej, takiej jak smartfony, do wykrywania bliskości użytkownika i automatycznego dostosowywania funkcji, takich jak przyciemnianie ekranu.
5. Układy scalone (IC)
Układy scalone (IC) to urządzenia półprzewodnikowe, które integrują wiele elementów elektronicznych, takich jak tranzystory, diody, kondensatory i rezystory, w jednym chipie. Zrewolucjonizowali współczesną elektronikę, umożliwiając bardziej złożone i kompaktowe konstrukcje. Główne typy układów scalonych obejmują:
- Pamiętniki
- Mikroprocesory (MPU)
- Układy logiczne
- Analogowe układy scalone
Pamiętniki
Układy scalone pamięci są odpowiedzialne za przechowywanie danych. Obejmuje to pamięć ulotną (np. RAM) i pamięć nieulotną (np. pamięć Flash). Te układy scalone są niezbędne w komputerach, urządzeniach mobilnych i każdym innym systemie wymagającym przechowywania danych.
- Przykład : Układy scalone pamięci flash są używane w dyskach USB i dyskach SSD do szybkiego przechowywania i odtwarzania danych.
Mikroprocesory (MPU)
Mikroprocesory są mózgami współczesnej elektroniki i kontrolują działanie komputerów i smartfonów. Wykonują operacje arytmetyczne i logiczne, umożliwiając urządzeniom uruchamianie programów i wykonywanie zadań.
- Przykład : Seria mikroprocesorów Intel Core zasila większość komputerów i laptopów, obsługując wszystko, od przeglądania stron internetowych po złożone obliczenia.
Układy logiczne
Układy logiczne wykonują operacje logiczne i są używane w urządzeniach wymagających cyfrowego podejmowania decyzji. Mają kluczowe znaczenie w systemach takich jak zegary cyfrowe, kalkulatory i bardziej złożone systemy cyfrowe, takie jak komputery.
- Przykład : Układy logiczne są używane w systemach komputerowych do obsługi zadań manipulacji danymi i kontroli procesów.
Analogowe układy scalone
Analogowe układy scalone obsługują sygnały ciągłe i są wykorzystywane w przetwarzaniu dźwięku i częstotliwościach radiowych. Te układy scalone są często używane w systemach audio, sprzęcie radiowym i czujnikach.
- Przykład : Analogowe układy scalone we wzmacniaczach audio przetwarzają sygnały dźwiękowe w celu uzyskania wyraźnego, wzmocnionego sygnału wyjściowego w domowych systemach audio.
6. Hybrydowe układy scalone
Hybrydowe układy scalone łączą zalety wielu technologii półprzewodnikowych poprzez integrację różnych typów komponentów (takich jak tranzystory, rezystory i kondensatory) w jednym module. Te układy scalone są idealne do zastosowań, w których standardowe układy scalone nie mogą spełnić określonych wymagań dotyczących wydajności lub projektu. Hybrydowe układy scalone występują w dwóch głównych postaciach:
- Hybrydowe układy scalone z cienką membraną
- Hybrydowe układy scalone o grubej membranie
Hybrydowe układy scalone z cienką membraną
Te układy scalone wykorzystują cienką warstwę materiału przewodzącego, nakładaną w procesie zwanym rozpylaniem, w celu utworzenia obwodów. Są one często używane w zastosowaniach wymagających wysokiej częstotliwości i można je w dużym stopniu dostosowywać.
- Przykład : Hybrydowe układy scalone z cienką membraną są stosowane w systemach lotniczych i kosmicznych, gdzie istotne są niewielkie rozmiary i wysoka niezawodność.
Hybrydowe układy scalone o grubej membranie
Układy scalone z grubą membraną wykorzystują sitodruk do nałożenia materiału przewodzącego. Są powszechnie stosowane w energoelektronice i innych zastosowaniach, w których wymagana jest oszczędność i solidność.
- Przykład : Układy scalone z grubą membraną są stosowane w elektronice samochodowej do zarządzania dystrybucją i sterowaniem mocą.
Znajdź szeroką gamę komponentów elektronicznych do swoich projektów w PC Components Europe
Odkryj duży wybór diod, tranzystorów, tyrystorów, urządzeń optycznych, urządzeń mikrofalowych, czujników, układów scalonych, kondensatorów, rezystorów, złączy, modułów mocy i przekaźników, wszystkich dostępnych w PC Components Europe, aby spełnić Twoje potrzeby elektroniczne i elektromechaniczne.
Niektóre komponenty, które można znaleźć w PCE:
- Diody
- 1N4148 – Dioda szybkiego przełączania (ogólnego przeznaczenia)
- 1N5408 – Dioda prostownicza wysokoprądowa
- BAS16 – Dioda przełączająca natynkowa
- BYV27-200 – Prostownik szybkiego odzyskiwania
2. Tranzystor
- 2N2222 – Tranzystor NPN ogólnego przeznaczenia
- 2N2907 – Tranzystor PNP ogólnego przeznaczenia
- IRF540N – N-kanałowy
- BC547 – Tranzystor NPN małosygnałowy
3.Tyrystory
- BT136 – TRIAC do przełączania prądu przemiennego
- 2N5060 – Prostownik sterowany krzemem (SCR)
- TYN612 – SCR do przełączania średniej mocy
- BTA41-600B – TRIAK do zastosowań o dużej mocy
4. Urządzenia optyczne (LED, fotodetektory)
- CREE-XTEAWT-00-0000-000000H51 – Biała dioda LED dużej mocy
- LDR-5530 – Fotodetektor czujnika światła
- SFH320 – Fototranzystor
- OSRAM-LW-W5SM – Biała dioda LED do oświetlenia
5. Urządzenia mikrofalowe
- MA4E1317 – Dioda mikrofalowa GaAs
- MRF947 – Tranzystor mikrofalowy
- MAAL-011078 – Układ scalony wzmacniacza mikrofalowego
- HMC630LP3E – MMIC GaAs (monolityczny układ scalony mikrofalowy)
6. Czujniki
- MPX5010DP – Czujnik ciśnienia
- TMP36 – Czujnik temperatury
- HC-SR04 – Ultradźwiękowy czujnik odległości
- BH1750 – Czujnik światła otoczenia
7. Układy scalone (IC)
- ATmega328P – Układ scalony mikrokontrolera (8-bitowy, seria AVR)
- LM358 – Układ scalony podwójnego wzmacniacza operacyjnego
- 74HC595 – Rejestr przesuwny IC
- AD8232 – Układ scalony czujnika monitorowania tętna
Kliknij tutaj i dowiedz się więcej o 13 najlepszych mikrokontrolerach na rynku
8. Układ scalony pamięci
- W25Q64JVSSIQ – 64MB pamięci Flash
- AT24C256 – 256 KB pamięci EEPROM
- MT48LC16M16A2 – SDRAM 256MB
- IS25LP064A – Szeregowa pamięć Flash (64Mb)
9. Kondensatory
- C3225X7R1E106K250AB – Wielowarstwowy kondensator ceramiczny, 10 µF
- EEU-FR1V102 – Kondensator elektrolityczny, 1000 µF, 35V
- B43504A5477M000 – Kondensator elektrolityczny wtykowy, 470 µF, 450V
10. Rezystory
- CRCW080510K0FKEA – Rezystor SMD, 10kΩ, 1%
- RS1/4-1K – Rezystor przelotowy z warstwą węglową, 1 kΩ
- Y ageo RC0402FR-071KL – Rezystor SMD 1kΩ, tolerancja 1%, 0402
- Vishay VR68000001005FA100 – Precyzyjny rezystor drutowy, 100Ω
11. Złącza
- TE 282836-4 – 4-pozycyjne złącze przewodu do płytki
- Molex 39-30-3040 – głowica 4-pozycyjna
- JST XH-2P – złącze 2-pinowe
- Amphenol 97-3106A-14S-6 P – Złącze okrągłe
12. Moduły mocy
- IRAMS10UP60B – Inteligentny moduł zasilania (IPM), 600V
- FOD8316 – Transoptor sterownika dla IGBT
- SPM3A60D – Moduł zasilania silnika, 600V
- PM25CLB060 – moduł IGBT, 25A
13. Przekaźnik
- G2R-1-E-DC24 – Przekaźnik ogólnego przeznaczenia, SPDT, 24V DC
- G6A-234P-ST-US-DC12 – Przekaźnik sygnałowy, 12V DC
- HF115F – Przekaźnik mocy, 12V DC, 30A
- Omron LY2-DC12 – przekaźnik 12V DC, DPDT
Urządzenia półprzewodnikowe znajdują się w centrum nowoczesnej technologii
Umożliwiają wszystko, od smartfonów po eksplorację kosmosu. Zrozumienie sześciu głównych typów urządzeń dyskretnych, urządzeń optycznych, urządzeń mikrofalowych, czujników, układów scalonych i hybrydowych układów scalonych pomoże Ci podejmować świadome decyzje przy wyborze komponentów do swoich projektów.
Jak przeczytałeś w tym artykule, każde z tych urządzeń ma unikalne funkcje i zastosowania, co czyni je niezastąpionymi w wielu gałęziach przemysłu.
Masz pytania lub chcesz znaleźć konkretne urządzenie półprzewodnikowe?
Skontaktuj się z zespołem PC Components już dziś!
Literatura :
„Urządzenia półprzewodnikowe: fizyka i technologia” SM Sze
„Wprowadzenie do urządzeń półprzewodnikowych” Kevin F. Brennan
Toshiba Electronic Devices & Storage Corporation
