Erilaisia puolijohdelaitteita käytetään monenlaisissa sovelluksissa aina peruslaitteista edistyneimpiin viestintäjärjestelmiin. Niiden toimintojen ymmärtäminen auttaa meitä valitsemaan oikeat komponentit mihin tahansa projektiin tai sovellukseen.
Mutta mitä puolijohdelaite tarkalleen ottaen on? Tässä artikkelissa emme ainoastaan selitä, mitä se on, vaan myös analysoimme kuutta päätyyppiä ja korostamme niiden käyttötarkoituksia esimerkein.
Tämä antaa sinulle yleiskuvan siitä, miten nämä komponentit tukevat nykyteknologiaa, ja auttaa sinua valitsemaan oikeat komponentit projekteihisi.
Lue eteenpäin!
Mitä ovat puolijohdelaitteet?
Puolijohdelaitteet ovat elektronisia komponentteja, jotka on valmistettu materiaaleista, joiden sähkönjohtavuus on johtimen (kuten kuparin) ja eristeen (kuten lasin) välillä.
Nämä laitteet säätelevät sähkövirran kulkua hyödyntämällä puolijohteiden, kuten piin tai germaniumin, ainutlaatuisia ominaisuuksia.
Ne ovat välttämättömiä nykyaikaiselle elektroniikalle, sillä ne mahdollistavat vahvistuksen, kytkennän ja energianmuunnoksen piireissä.
Lyhyesti sanottuna puolijohdelaitteet ovat elektronisia komponentteja, jotka käyttävät puolijohteita.
Mitä ovat puolijohteet?
Puolijohteet ovat materiaaleja, joiden sähkönjohtavuus on johtimien ja eristeiden välimaastossa. Tämä ainutlaatuinen ominaisuus mahdollistaa niiden sähkövirran hallinnan paremmin kuin johtimet tai eristeet.
Puolijohdelaitteessa pienetkin jännitteen tai virran muutokset voivat aiheuttaa merkittäviä muutoksia laitteen käyttäytymisessä, mikä tekee niistä ihanteellisia kytkemiseen, signaalin vahvistamiseen ja tehonsäätöön elektronisissa järjestelmissä. Nämä laitteet ovat välttämättömiä kaikessa kodinkoneiden virranhallintajärjestelmästä tietokoneiden ja älypuhelimien monimutkaiseen tietojenkäsittelyyn.
Puolijohdemateriaalien kykyä johtaa sähköä muutetaan usein lisäämällä epäpuhtauksia, prosessia, jota kutsutaan dopingiksi, joka luo materiaaliin alueita, joilla on erilaiset sähköiset ominaisuudet.
Näiden alueiden avulla puolijohdelaitteet, kuten diodit ja transistorit, voivat säätää virtaa, mikä tekee niistä välttämättömiä nykyaikaisessa elektroniikassa.
6 Puolijohdelaitteiden tyypit ja niiden sovellukset
- Diskreetit laitteet
Diskreetit puolijohdelaitteet ovat yksittäisiä elektronisia komponentteja, joilla on yksi toiminto. Ne ovat kriittisiä rakennuspalikoita elektronisissa järjestelmissä ja suorittavat olennaisia toimintoja, kuten kytkemistä, vahvistamista ja tasasuuntausta. Joitakin yleisimpiä diskreettejä laitteita ovat:
- Diodit
- Transistori
- Tyristorit
- Moduulit
Otetaan selvää lisää jokaisesta näistä komponenteista:
- Diodit
Diodit Ne ovat yksisuuntaisia elektronisia venttiilejä, jotka sallivat virran kulkea vain yhteen suuntaan. Niiden yleisin sovellus on tasasuuntaus eli vaihtovirran (AC) muuntaminen tasavirraksi (DC). Niitä käytetään virtalähteissä, akkulatureissa ja signaalin demoduloinnissa.- Esimerkki: Virtapiirissä diodit estävät vastavirrat ja suojaavat herkkiä komponentteja vaurioilta.
- Transistori
Transistorit Ne ovat välttämättömiä elektronisten signaalien vahvistamisessa ja kytkemisessä. On olemassa kaksi päätyyppiä: bipolaaritransistorit (BJT) ja kenttätransistorit (FET). BJT:itä käytetään usein vahvistukseen, kun taas FET:ejä käytetään pääasiassa kytkentäsovelluksissa niiden korkean hyötysuhteen vuoksi.- Esimerkki: Transistoreita löytyy yleisesti prosessoreista, vahvistimista ja kytkimistä. Tietokoneen suorittimessa transistorit käsittelevät binääridataa toimimalla pieninä kytkiminä.
- Tyristorit
Tyristorit Ne ovat laitteita, jotka toimivat kaksitasoisina kytkiminä, johtaen virtaa, kun niiden hila vastaanottaa virtapulssin, ja jatkaen johtamista niin kauan kuin ne pysyvät eteenpäin suuntautuneina. Ne ovat erityisen hyödyllisiä suuritehoisissa sovelluksissa, kuten moottorien nopeudensäätimissä, valonhimmentimissä ja paineensäätöjärjestelmissä.- Esimerkki: Tyristoreita käytetään usein tehoelektroniikassa, kuten teollisuusmoottoreissa ja vaihtovirran säätöjärjestelmissä.
- Moduulit
Moduulit ovat puolijohdelaitteiden kokonaisuuksia, jotka tyypillisesti sisältävät useita komponentteja, kuten diodeja, transistoreita ja tyristoreita, yhdessä kotelossa. Niitä käytetään sovelluksissa, jotka vaativat suurta tehoa ja hyötysuhdetta, kuten inverttereissä ja energianmuunnosjärjestelmissä.- Esimerkki: Aurinkoinverttereissä käytetään tehomoduuleja muuntamaan aurinkopaneeleista tuleva tasavirta vaihtovirraksi kotikäyttöön.
2. Optiset laitteet
Optiset puolijohdelaitteet muuntavat sähköisiä signaaleja valoksi tai valoa sähköisiksi signaaleiksi. Nämä laitteet ovat välttämättömiä viestintäjärjestelmissä, antureissa ja näyttötekniikoissa. Tärkeimpiä optisia laitteita ovat:
- Valoa emittoivat laitteet (LEDit)
- Valoilmaisimet
- Komposiittioptiset laitteet
- Optiset tietoliikennelaitteet
Valoa emittoivat laitteet (LEDit)
LEDit tuottavat valoa, kun virta kulkee niiden läpi, mikä tekee niistä erittäin tehokkaita valaistus- ja näyttötekniikoissa. LEDejä käytetään laajalti niiden pitkän käyttöiän, energiatehokkuuden ja ympäristöhyötyjen vuoksi. - Esimerkki: LEDit ovat nykyaikaisten näyttöjärjestelmien perusta, mukaan lukien televisioissa, älypuhelimissa ja mainosnäytöissä käytettävät järjestelmät.
Fotodetektorit
Fotodetektorit, kuten fotodiodit ja fototransistorit, muuntavat valon sähköisiksi signaaleiksi. Ne ovat ratkaisevan tärkeitä anturisovelluksissa, kuten kameroissa, optisissa hiirissä ja aurinkokennoissa. - Esimerkki: Valoilmaisimet ovat olennainen osa valokuitutietoliikennejärjestelmiä, joissa ne muuntavat valosignaaleja sähköisiksi signaaleiksi.
Komposiittioptiset laitteet
Komposiittirakenteiset optiset laitteet yhdistävät useita toimintoja, kuten tunnistuksen ja valonsäteilyn, yhteen pakettiin. Ne ovat välttämättömiä monimutkaisissa optisissa järjestelmissä, joissa tila ja suorituskyky ovat keskeisiä tekijöitä. - Esimerkki: Optisissa tiedonsiirtojärjestelmissä komposiittilaitteet voivat lähettää ja vastaanottaa valosignaaleja, mikä varmistaa nopean ja luotettavan tiedonsiirron.
Optiset tietoliikennelaitteet
Nämä laitteet lähettävät dataa valon avulla. Ne ovat välttämättömiä nopeissa internet-järjestelmissä, datakeskuksissa ja pitkän matkan tietoliikenneverkoissa. Optisten tietoliikennelaitteiden nopeus ja tehokkuus ovat mullistaneet tiedonsiirron maailmanlaajuisesti. - Esimerkki: Kuituoptiset verkot käyttävät optisia viestintälaitteita valtavien tietomäärien siirtämiseen valonnopeudella varmistaen nopeat internetyhteydet.
3. Mikroaaltolaitteet
Mikroaaltopuolijohdelaitteet toimivat erittäin korkeilla taajuuksilla (yli 1 GHz) ja niitä käytetään sovelluksissa, kuten tutkassa, langattomassa viestinnässä ja satelliittilähetyksissä. Nämä laitteet voidaan luokitella seuraavasti :
- Diskreetit mikroaaltolaitteet
- Mikroaaltointegroidut piirit (IC)
- Mikroaaltomoduulit
Erilliset mikroaaltolaitteet
Erillisiä mikroaaltolaitteita, kuten Gunn-diodeja ja IMPATT-diodeja, käytetään korkeataajuisten mikroaaltosignaalien tuottamiseen ja vahvistamiseen. Nämä ovat välttämättömiä tutkajärjestelmissä ja langattomissa viestintätekniikoissa. - Esimerkki: Gunn-diodeja käytetään poliisin tutkassa ajoneuvon nopeuden mittaamiseen tuottamalla mikroaaltosignaaleja, jotka heijastuvat liikkuvista esineistä.
Mikroaaltopiirit
integroivat useita toimintoja, kuten signaalin tuottamisen, vahvistamisen ja suodatuksen, yhdelle sirulle. Niitä käytetään matkapuhelimissa, satelliittiviestintäjärjestelmissä ja sotilastutkajärjestelmissä. - Esimerkki: Matkapuhelimien mikroaaltopiirit mahdollistavat korkeataajuisten signaalien lähettämisen ja vastaanottamisen, mikä varmistaa luotettavan langattoman viestinnän.
Mikroaaltomoduulit
Mikroaaltomoduulit ovat kokoonpanoja, jotka yhdistävät useita mikroaaltokomponentteja, usein sekä passiivisia että aktiivisia elementtejä, yhdeksi paketiksi. Näitä moduuleja käytetään monimutkaisissa viestintäjärjestelmissä, joissa tilansäästö ja korkea suorituskyky ovat olennaisia. - Esimerkki: Satelliittitransponderit käyttävät mikroaaltomoduuleja signaalien vahvistamiseen ja lähettämiseen Maasta avaruuteen ja päinvastoin varmistaen selkeän ja keskeytymättömän viestinnän.
4. Anturit
Anturit ovat puolijohdelaitteita, jotka havaitsevat ympäristöolosuhteiden muutoksia ja muuntavat ne sähköisiksi signaaleiksi. Anturit ovat ratkaisevan tärkeitä autoteollisuuden, terveydenhuollon, teollisuusautomaation ja kulutuselektroniikan sovelluksissa.
- Esimerkki: Autoissa anturit mittaavat parametreja, kuten lämpötilaa, painetta ja nopeutta, ja tarjoavat ajoneuvon ohjausjärjestelmille olennaisia tietoja sujuvan toiminnan varmistamiseksi.
Anturityypit
- Lämpötila-anturit : Käytetään LVI-järjestelmissä lämpötilan valvontaan ja säätöön.
- Paineanturit : Käytetään teollisissa sovelluksissa nesteiden tai kaasujen paineenmuutosten havaitsemiseen.
- Lähestymisanturit : Käytetään kulutuselektroniikassa, kuten älypuhelimissa, käyttäjän läheisyyden havaitsemiseen ja toimintojen, kuten näytön himmennyksen, automaattiseen säätämiseen.
5. Integroidut piirit (IC)
Integroidut piirit (IC) ovat puolijohdelaitteita, jotka integroivat useita elektronisia komponentteja, kuten transistoreita, diodeja, kondensaattoreita ja vastuksia, yhdelle sirulle. Ne ovat mullistaneet modernin elektroniikan mahdollistamalla monimutkaisempia ja kompaktimpia rakenteita. Tärkeimpiä IC-tyyppejä ovat:
- Muistot
- Mikroprosessorit (MPU)
- Logiikkapiirit
- Analogiset IC:t
Muistot
Muistipiirit vastaavat tiedon tallentamisesta. Tähän sisältyy haihtuva muisti (kuten RAM) ja haihtumaton muisti (kuten flash-muisti). Nämä piirit ovat välttämättömiä tietokoneissa, mobiililaitteissa ja kaikissa muissa järjestelmissä, jotka vaativat tiedontallennusta.
- Esimerkki : Flash-muistipiirejä käytetään USB-asemissa ja SSD-levyissä tiedon nopeaan tallennukseen ja hakuun.
Mikroprosessorit (MPU)
Mikroprosessorit ovat nykyaikaisen elektroniikan aivot ja ohjaavat tietokoneiden ja älypuhelimien toimintaa. Ne suorittavat aritmeettisia ja loogisia operaatioita, joiden avulla laitteet voivat suorittaa ohjelmia ja tehtäviä.
- Esimerkki : Intel Core -sarjan mikroprosessorit toimivat useimpien tietokoneiden ja kannettavien tietokoneiden voimanlähteenä ja hoitavat kaiken verkkoselailusta monimutkaisiin laskutoimituksiin.
Logiikkapiirit
Logiikkapiirit suorittavat Boolen laskutoimituksia ja niitä käytetään laitteissa, jotka vaativat digitaalista päätöksentekoa. Ne ovat välttämättömiä järjestelmissä, kuten digitaalikelloissa, laskimissa ja monimutkaisemmissa digitaalisissa järjestelmissä, kuten tietokoneissa.
- Esimerkki : Logiikkapiirejä käytetään tietokonejärjestelmissä tiedonkäsittely- ja prosessinohjaustehtävien suorittamiseen.
Analogiset IC:t
Analogiset integroidut piirit käsittelevät jatkuvia signaaleja ja niitä käytetään äänenkäsittelyssä ja radiotaajuuksilla. Näitä integroituja piirejä käytetään usein äänijärjestelmissä, radiolaitteissa ja antureissa.
- Esimerkki : Äänenvahvistimien analogiset integroidut piirit käsittelevät äänisignaaleja tuottaakseen selkeän, vahvistetun äänen kotiteatterijärjestelmissä.
6. Hybridi-IC:t
Hybridi-IC:t yhdistävät useiden puolijohdetekniikoiden edut integroimalla erityyppisiä komponentteja (kuten transistoreita, vastuksia ja kondensaattoreita) yhteen moduuliin. Nämä IC:t sopivat ihanteellisesti sovelluksiin, joissa standardi-IC:t eivät pysty täyttämään tiettyjä suorituskyky- tai suunnitteluvaatimuksia. Hybridi-IC:itä on kahta päämuotoa:
- Ohutkalvoiset hybridi-IC:t
- Paksukalvoiset hybridi-IC:t
Ohutkalvoiset hybridi-IC:t
Nämä integroidut piirit käyttävät ohutta johtavaa materiaalia, joka levitetään sputteroimalla, piirien muodostamiseen. Niitä käytetään usein suurtaajuussovelluksissa, ja ne ovat erittäin muokattavissa.
- Esimerkki : Ohutkalvoisia hybridi-IC-piirejä käytetään ilmailu- ja avaruusjärjestelmissä, joissa kompakti koko ja korkea luotettavuus ovat olennaisia.
Paksukalvoiset hybridi-IC:t
Paksukalvoisissa integroiduissa piireissä käytetään silkkipainatusta johtavan materiaalin levittämiseen. Niitä käytetään yleisesti tehoelektroniikassa ja muissa sovelluksissa, joissa vaaditaan kustannustehokkuutta ja kestävyyttä.
- Esimerkki : Paksukalvoisia integroituja piirejä käytetään autoelektroniikassa virranjakelun ja -ohjauksen hallintaan.
Löydä laaja valikoima elektronisia komponentteja projekteihisi PC Components Europelta
Tutustu laajaan valikoimaan diodeja, transistoreita, tyristoreita, optisia laitteita, mikroaaltolaitteita, antureita, integroituja piirejä, kondensaattoreita, vastuksia, liittimiä, tehomoduuleja ja releitä, jotka kaikki ovat saatavilla PC Components Europelta elektroniikka- ja sähkömekaanisiin tarpeisiisi.
Joitakin PCE:ltä löytyviä komponentteja ovat:
- Diodit
- 1N4148 – Nopeakytkentädiodi (yleiskäyttöinen)
- 1N5408 – Suurvirran tasasuuntausdiodi
- BAS16 – Pinta-asennettava kytkentädiodi
- BYV27-200 – Nopeasti palautuva tasasuuntaaja
2. Transistori
- 2N2222 – Yleiskäyttöinen NPN-transistori
- 2N2907 – Yleiskäyttöinen PNP-transistori
- IRF540N – N-kanavainen
- BC547 – Piensignaalinen NPN-transistori
3.Tyristorit
- BT136 – TRIAC AC-kytkentään
- 2N5060 – Piipohjainen tasasuuntaaja (SCR)
- TYN612 – SCR keskitehoiseen kytkentään
- BTA41-600B – TRIAC suuritehoisiin sovelluksiin
4. Optiset laitteet (LEDit, valoilmaisimet)
- CREE-XTEAWT-00-0000-000000H51 – Suuritehoinen valkoinen LED
- LDR-5530 – Valoilmaisin Valoanturi
- SFH320 – Fototransistori
- OSRAM-LW-W5SM – Valkoinen LED valaistukseen
5. Mikroaaltouunit
- MA4E1317 – GaAs-mikroaaltodiodi
- MRF947 – Mikroaaltotransistori
- MAAL-011078 – Mikroaaltovahvistimen IC
- HMC630LP3E – GaAs MMIC (monoliittinen mikroaaltointegroitu piiri)
6. Anturit
- MPX5010DP – Paineanturi
- TMP36 – Lämpötila-anturi
- HC-SR04 – Ultraääninen etäisyysanturi
- BH1750 – Ympäristön valoanturi
7. Integroidut piirit (IC)
- ATmega328P – Mikrokontrolleripiiri (8-bittinen, AVR-sarja)
- LM358 – Kaksoisoperaatiovahvistin-IC
- 74HC595 – Vaihtorekisteri-IC
- AD8232 – Sykemittausanturin mikropiiri
Klikkaa tästä ja lue lisää markkinoiden 13 parhaasta mikrokontrollerista
8. Muisti-IC
- W25Q64JVSSIQ – 64 Mt Flash-muisti
- AT24C256 – 256 kb:n EEPROM
- MT48LC16M16A2 – 256 Mt SDRAM-muistia
- IS25LP064A – sarjaväylämuisti (64 Mt)
9. Kondensaattorit
- C3225X7R1E106K250AB – Monikerroksinen keraaminen kondensaattori, 10 µF
- EEU-FR1V102 – Elektrolyyttikondensaattori, 1000 µF, 35V
- B43504A5477M000 – Pistokeliitäntäinen elektrolyyttikondensaattori, 470 µF, 450V
10. Vastukset
- CRCW080510K0FKEA – SMD-vastus, 10kΩ, 1%
- RS1/4-1K – Hiilikalvon läpivientivastus, 1kΩ
- Y ageo RC0402FR-071KL – 1kΩ SMD-vastus, 1 % toleranssi, 0402
- Vishay VR68000001005FA100 – Tarkkuuslankavastus, 100Ω
11. Liittimet
- TE 282836-4 – 4-napainen johdin-piirilevyliitin
- Molex 39-30-3040 – 4-paikkainen liitinrima
- JST XH-2P – 2-nastainen liitin
- Amphenol 97-3106A-14S-6 P – Pyöreä liitin
12. Tehomoduulit
- IRAMS10UP60B – Älykäs tehomoduuli (IPM), 600 V
- FOD8316 – IGBT-ohjainoptoeristin
- SPM3A60D – Moottorin tehomoduuli, 600 V
- PM25CLB060 – IGBT-moduuli, 25A
13. Rele
- G2R-1-E-DC24 – Yleiskäyttöinen rele, SPDT, 24V DC
- G6A-234P-ST-US-DC12 – Signaalirele, 12 V DC
- HF115F – Tehorele, 12 V DC, 30 A
- Omron LY2-DC12 – 12 V DC -rele, DPDT
Puolijohdelaitteet ovat modernin teknologian ydin
Ne mahdollistavat kaiken älypuhelimista avaruustutkimukseen. Kuuden erillislaitteen päätyypin – optiset laitteet, mikroaaltolaitteet, anturit, integroidut piirit ja hybridi-integroidut piirit – ymmärtäminen auttaa sinua tekemään tietoon perustuvia päätöksiä valitessasi komponentteja projekteihisi.
Kuten olet lukenut tässä artikkelissa, jokaisella näistä laitteista on ainutlaatuiset ominaisuudet ja sovellukset, mikä tekee niistä korvaamattomia monilla eri teollisuudenaloilla.
Onko sinulla kysyttävää tai haluatko löytää tietyn puolijohdelaitteen?
Ota yhteyttä PC Components -tiimiin jo tänään!
Viitteet :
”Semiconductor Devices: Physics and Technology”, kirjoittanut SM Sze;
”Introduction to Semiconductor Devices”, kirjoittanut Kevin F. Brennan;
Toshiba Electronic Devices & Storage Corporation.
