Różne typy układów półprzewodnikowych napędzają produkcję szerokiej gamy aplikacji, od prostych gadżetów po najbardziej zaawansowane systemy komunikacyjne. Zrozumienie ich funkcji pozwala nam dobrać odpowiednie komponenty do każdego projektu lub aplikacji.
Ale czym właściwie jest układ półprzewodnikowy? W tym artykule nie tylko wyjaśnimy, czym on jest, ale także przeanalizujemy sześć głównych typów i przedstawimy ich zastosowania na przykładach.
To da Ci przegląd tego, jak te komponenty napędzają dzisiejszą technologię i pomoże Ci wybrać odpowiednie dla Twoich projektów.
Czytaj dalej!
Czym są urządzenia półprzewodnikowe?
Urządzenia półprzewodnikowe to elementy elektroniczne wykonane z materiałów o przewodności elektrycznej pośredniej między przewodnikiem (takim jak miedź) a izolatorem (takim jak szkło).
Urządzenia te kontrolują przepływ prądu elektrycznego, wykorzystując unikalne właściwości półprzewodników, takich jak krzem czy german.
Są one niezbędne we współczesnej elektronice, umożliwiając wzmacnianie, przełączanie i przetwarzanie energii w obwodach.
Krótko mówiąc, urządzenia półprzewodnikowe to elementy elektroniczne wykorzystujące półprzewodniki.
Czym są półprzewodniki?
Półprzewodniki to materiały o przewodności elektrycznej pośredniej między przewodnikami a izolatorami. Ta unikalna właściwość pozwala im kontrolować prąd elektryczny w sposób, w jaki nie są to ani przewodniki, ani izolatory.
W urządzeniu półprzewodnikowym niewielkie zmiany napięcia lub prądu mogą powodować znaczące zmiany w jego działaniu, co czyni je idealnymi do przełączania, wzmacniania sygnału i sterowania mocą w systemach elektronicznych. Urządzenia te są niezbędne do wielu zastosowań, od zarządzania energią w urządzeniach gospodarstwa domowego po złożone przetwarzanie danych w komputerach i smartfonach.
Zdolność materiałów półprzewodnikowych do przewodzenia prądu jest często modyfikowana poprzez dodawanie domieszek w procesie zwanym domieszkowaniem, który tworzy w materiale obszary o różnych właściwościach elektrycznych.
Obszary te umożliwiają regulowanie prądu w urządzeniach półprzewodnikowych, takich jak diody i tranzystory, co sprawia, że są one niezbędne w nowoczesnej elektronice.
6 Rodzaje urządzeń półprzewodnikowych i ich zastosowania
- Urządzenia dyskretne.
Dyskretne urządzenia półprzewodnikowe to pojedyncze elementy elektroniczne o pojedynczej funkcji. Stanowią one kluczowe elementy konstrukcyjne w systemach elektronicznych, realizując kluczowe operacje, takie jak przełączanie, wzmacnianie i prostowanie. Do najpopularniejszych urządzeń dyskretnych należą:
- Diody
- Tranzystor
- Tyrystory
- Moduły
Dowiedzmy się więcej o każdym z tych komponentów:
- Diody
Diody To jednokierunkowe lampy elektroniczne, które umożliwiają przepływ prądu tylko w jednym kierunku. Ich najczęstszym zastosowaniem jest prostowanie, czyli zamiana prądu przemiennego (AC) na prąd stały (DC). Są one wykorzystywane w zasilaczach, ładowarkach akumulatorów oraz demodulacji sygnału.- Przykład: W obwodzie zasilania diody zapobiegają przepływowi prądu wstecznego, chroniąc wrażliwe elementy przed uszkodzeniem.
- Tranzystor
Tranzystory Są one niezbędne do wzmacniania i przełączania sygnałów elektronicznych. Istnieją dwa główne typy tranzystorów: bipolarne tranzystory złączowe (BJT) i tranzystory polowe (FET). Tranzystory BJT są często wykorzystywane do wzmacniania sygnału, natomiast tranzystory FET są wykorzystywane głównie do przełączania ze względu na swoją wysoką sprawność.- Przykład: Tranzystory powszechnie występują w procesorach, wzmacniaczach i przełącznikach. W procesorze komputera tranzystory przetwarzają dane binarne, działając jak maleńkie przełączniki.
- Tyrystory
Tyrystory Są to urządzenia działające jak przełączniki bistabilne, które przewodzą, gdy ich bramka otrzymuje impuls prądowy i kontynuują przewodzenie, dopóki pozostają spolaryzowane w kierunku przewodzenia. Są szczególnie przydatne w zastosowaniach dużej mocy, takich jak regulatory prędkości silników, ściemniacze oświetlenia i systemy kontroli ciśnienia.- Przykład: Tyrystory są często stosowane w elektronice mocy, np. w silnikach przemysłowych i systemach sterowania prądem przemiennym.
- Moduły
Moduły to zespoły urządzeń półprzewodnikowych, zazwyczaj zawierające wiele elementów, takich jak diody, tranzystory i tyrystory, umieszczonych w jednej obudowie. Są one stosowane w aplikacjach wymagających dużej mocy i wydajności, takich jak inwertery i systemy przetwarzania energii.- Przykład: Moduły mocy są stosowane w inwerterach słonecznych w celu przekształcenia prądu stałego z paneli słonecznych na prąd zmienny do użytku domowego.
2. Urządzenia optyczne
Optyczne urządzenia półprzewodnikowe przetwarzają sygnały elektryczne na światło lub światło na sygnały elektryczne. Urządzenia te są niezbędne w systemach komunikacyjnych, czujnikach i technologiach wyświetlania. Główne typy urządzeń optycznych obejmują:
- Urządzenia emitujące światło (diody LED)
- Fotodetektory
- Urządzenia optyczne kompozytowe
- Urządzenia komunikacji optycznej
LED (diody elektroluminescencyjne)
generują światło pod wpływem przepływu prądu, co czyni je wysoce wydajnymi w technologiach oświetleniowych i wyświetlaczach. Diody LED są szeroko stosowane ze względu na swoją długą żywotność, energooszczędność i korzyści dla środowiska. - Przykład: Diody LED stanowią podstawę nowoczesnych systemów wyświetlania, w tym tych stosowanych w telewizorach, smartfonach i ekranach reklamowych.
Fotodetektory
, takie jak fotodiody i fototranzystory, przekształcają światło na sygnały elektryczne. Są one kluczowe w zastosowaniach czujnikowych, takich jak aparaty fotograficzne, myszy optyczne i ogniwa słoneczne. - Przykład: Fotodetektory stanowią integralną część systemów komunikacji światłowodowej, w których zamieniają sygnały świetlne na sygnały elektryczne.
Urządzenia optyczne kompozytowe
Kompozytowe urządzenia optyczne łączą w sobie wiele funkcji, takich jak wykrywanie i emisja światła, w jednym pakiecie. Są niezbędne w złożonych systemach optycznych, w których przestrzeń i wydajność mają kluczowe znaczenie. - Przykład: W systemach optycznej transmisji danych urządzenia kompozytowe mogą wysyłać i odbierać sygnały świetlne, zapewniając szybką i niezawodną komunikację.
Urządzenia komunikacji optycznej
przesyłają dane za pomocą światła. Są one niezbędne w szybkich systemach internetowych, centrach danych i sieciach komunikacji dalekosiężnej. Szybkość i wydajność urządzeń komunikacji optycznej zrewolucjonizowały globalny sposób przesyłania danych. - Przykład: Sieci światłowodowe wykorzystują urządzenia komunikacji optycznej do przesyłania ogromnych ilości danych z prędkością światła, zapewniając w ten sposób szybkie połączenia internetowe.
3. Urządzenia mikrofalowe.
Mikrofalowe urządzenia półprzewodnikowe działają w bardzo wysokich częstotliwościach (powyżej 1 GHz) i są wykorzystywane w takich zastosowaniach jak radary, komunikacja bezprzewodowa i transmisja satelitarna. 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 wykorzystywane w radarach policyjnych do pomiaru prędkości pojazdów poprzez generowanie sygnałów mikrofalowych odbijających się od poruszających się obiektów.
Mikrofalowe układy scalone
integrują wiele funkcji, takich jak generowanie, wzmacnianie i filtrowanie sygnału, w jednym układzie scalonym. Są one stosowane w telefonach komórkowych, systemach komunikacji satelitarnej i wojskowych systemach radarowych. - Przykład: Układy scalone mikrofalowe w telefonach komórkowych umożliwiają przesyłanie i odbiór sygnałów o wysokiej częstotliwości, zapewniając niezawodną komunikację bezprzewodową.
Moduły mikrofalowe
Moduły mikrofalowe to zespoły łączące wiele komponentów mikrofalowych, często zawierających zarówno elementy pasywne, jak i aktywne, w jedną obudowę. Moduły te są stosowane w złożonych systemach komunikacyjnych, gdzie oszczędność miejsca i wysoka wydajność są kluczowe. - Przykład: Transpondery satelitarne wykorzystują moduły mikrofalowe do wzmacniania i przesyłania sygnałów z Ziemi w przestrzeń kosmiczną i odwrotnie, zapewniając wyraźną, nieprzerwaną komunikację.
4. Czujniki.
Czujniki to urządzenia półprzewodnikowe, które wykrywają zmiany warunków środowiskowych i przetwarzają je na sygnały elektryczne. Czujniki mają kluczowe znaczenie w zastosowaniach w systemach motoryzacyjnych, opiece zdrowotnej, automatyce przemysłowej i elektronice użytkowej.
- Przykład: W samochodach czujniki mierzą takie parametry, jak temperatura, ciśnienie i prędkość, dostarczając systemom sterowania pojazdu niezbędnych danych, aby zapewnić jego płynną pracę.
Rodzaje czujników
- Czujniki temperatury : stosowane w systemach HVAC do monitorowania i kontrolowania temperatury.
- Czujniki ciśnienia : stosowane w zastosowaniach przemysłowych w celu wykrywania zmian ciśnienia cieczy lub gazów.
- Czujniki zbliżeniowe : stosowane w urządzeniach elektronicznych powszechnego użytku, takich jak smartfony, w celu 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, na jednym chipie. Zrewolucjonizowały one współczesną elektronikę, umożliwiając tworzenie bardziej złożonych i kompaktowych projektów. Główne typy układów scalonych obejmują:
- Wspomnienia
- Mikroprocesory (MPU)
- Układy logiczne
- Układy scalone analogowe
Wspomnienia
Układy scalone pamięci odpowiadają za przechowywanie danych. Obejmuje to pamięć ulotną (taką jak RAM) i nieulotną (taką jak pamięć flash). Te układy scalone są niezbędne w komputerach, urządzeniach mobilnych i każdym innym systemie wymagającym przechowywania danych.
- Przykład : Układy scalone pamięci flash są stosowane w dyskach USB i dyskach SSD do szybkiego przechowywania i pobierania danych.
Mikroprocesory (MPU)
Mikroprocesory są mózgami współczesnej elektroniki i sterują pracą komputerów i smartfonów. Wykonują operacje arytmetyczne i logiczne, umożliwiając urządzeniom uruchamianie programów i wykonywanie zadań.
- Przykład : Seria mikroprocesorów Intel Core stanowi podstawę większości komputerów i laptopów, umożliwiając wykonywanie wszelkich zadań, od przeglądania stron internetowych po złożone obliczenia.
Układy logiczne
Układy scalone logiczne wykonują operacje Boola i są stosowane w urządzeniach wymagających cyfrowego podejmowania decyzji. Są niezbędne w systemach takich jak zegary cyfrowe, kalkulatory i bardziej złożonych systemach cyfrowych, takich jak komputery.
- Przykład : Układy scalone logiczne są stosowane w systemach komputerowych do przetwarzania danych i sterowania procesami.
Układy scalone analogowe
Analogowe układy scalone przetwarzają sygnały ciągłe i są wykorzystywane w przetwarzaniu dźwięku oraz w częstotliwościach radiowych. Te układy scalone są często stosowane w systemach audio, sprzęcie radiowym i czujnikach.
- Przykład : Układy scalone analogowe we wzmacniaczach audio przetwarzają sygnały dźwiękowe w celu uzyskania czystego, wzmocnionego dźwięku w domowych systemach audio.
6. Układy scalone hybrydowe
Hybrydowe układy scalone łączą zalety wielu technologii półprzewodnikowych, integrując różne typy komponentów (takich jak tranzystory, rezystory i kondensatory) w jednym module. Te układy scalone idealnie nadają się do zastosowań, w których standardowe układy scalone nie spełniają określonych wymagań wydajnościowych lub konstrukcyjnych. Hybrydowe układy scalone występują w dwóch głównych formach:
- Hybrydowe układy scalone z cienką membraną
- Hybrydowe układy scalone z grubą membraną
Hybrydowe układy scalone z cienką membraną
Te układy scalone wykorzystują cienką warstwę materiału przewodzącego, nakładaną w procesie zwanym rozpylaniem, do tworzenia obwodów. Są często stosowane w aplikacjach o wysokiej częstotliwości i charakteryzują się dużą elastycznością.
- Przykład : Hybrydowe układy scalone z cienką membraną są stosowane w systemach aeronautycznych, gdzie kompaktowe rozmiary i wysoka niezawodność mają kluczowe znaczenie.
Hybrydowe układy scalone z grubą membraną
Układy scalone z grubą membraną wykorzystują sitodruk do nanoszenia materiału przewodzącego. Są one powszechnie stosowane w elektronice mocy i innych zastosowaniach, w których wymagana jest opłacalność i wytrzymałość.
- Przykład : Układy scalone o grubej membranie są stosowane w elektronice samochodowej do zarządzania rozdziałem mocy i sterowania.
Znajdź szeroką gamę komponentów elektronicznych do swoich projektów w PC Components Europe
Odkryj szeroki wybór diod, tranzystorów, tyrystorów, urządzeń optycznych, mikrofalowych, czujników, układów scalonych, kondensatorów, rezystorów, złączy, modułów zasilania i przekaźników – wszystkie dostępne w PC Components Europe, aby zaspokoić Twoje potrzeby w zakresie elektroniki i elektromechaniki.
Wśród komponentów dostępnych w PCE znajdują się m.in.:
- Diody
- 1N4148 – Szybka dioda przełączająca (ogólnego przeznaczenia)
- 1N5408 – Dioda prostownicza wysokoprądowa
- BAS16 – Dioda przełączająca do montażu powierzchniowego
- BYV27-200 – prostownik szybkiego odzyskiwania
2. Tranzystor
- 2N2222 – Tranzystor NPN ogólnego przeznaczenia
- 2N2907 – Tranzystor PNP ogólnego przeznaczenia
- IRF540N – z kanałem N
- BC547 – Tranzystor NPN małego sygnału
3.Tyrystory
- BT136 – triak 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 (diody LED, fotodetektory)
- CREE-XTEAWT-00-0000-000000H51 – Biała dioda LED o 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 – GaAs MMIC (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 mikrokontrolera (8-bitowy, seria AVR)
- LM358 – Układ scalony podwójnego wzmacniacza operacyjnego
- 74HC595 – Układ scalony rejestru przesuwnego
- 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 – 256 MB pamięci SDRAM
- IS25LP064A – Szeregowa pamięć Flash (64Mb)
9. Kondensatory
- C3225X7R1E106K250AB – Wielowarstwowy kondensator ceramiczny, 10 µF
- EEU-FR1V102 – Kondensator elektrolityczny, 1000 µF, 35 V
- B43504A5477M000 – Kondensator elektrolityczny wtykowy, 470 µF, 450 V
10. Rezystory
- CRCW080510K0FKEA – Rezystor SMD, 10 kΩ, 1%
- RS1/4-1K – Rezystor przepustowy z folii węglowej, 1 kΩ
- Y ageo RC0402FR-071KL – Rezystor SMD 1kΩ, tolerancja 1%, 0402
- Vishay VR68000001005FA100 – precyzyjny rezystor drutowy, 100Ω
11. Złącza
- TE 282836-4 – Złącze 4-pinowe typu przewód-płytka
- Molex 39-30-3040 – Złącze nagłówkowe 4-pozycyjne
- JST XH-2P – złącze 2-pinowe
- Amphenol 97-3106A-14S-6 P – Złącze okrągłe
12. Moduły mocy
- IRAMS10UP60B – Inteligentny moduł zasilania (IPM), 600 V
- FOD8316 – Sterownik optoizolatora dla IGBT
- SPM3A60D – Moduł zasilania silnika, 600 V
- PM25CLB060 – moduł IGBT, 25A
13. Przekaźnik
- G2R-1-E-DC24 – Przekaźnik uniwersalny, SPDT, 24 V DC
- G6A-234P-ST-US-DC12 – Przekaźnik sygnałowy, 12 V DC
- HF115F – przekaźnik mocy, 12 V DC, 30 A
- Omron LY2-DC12 – przekaźnik 12 V DC, DPDT
Urządzenia półprzewodnikowe są sercem nowoczesnej technologii
Umożliwiają one wszystko, od smartfonów po eksplorację kosmosu. Zrozumienie sześciu głównych typów urządzeń dyskretnych – urządzeń optycznych, mikrofalowych, czujników, układów scalonych i hybrydowych – pomoże Ci podejmować świadome decyzje przy wyborze komponentów do Twoich projektów.
Jak przeczytałeś w tym artykule, każde z tych urządzeń ma unikalne cechy i zastosowania, co czyni je niezbędnymi w wielu branżach.
Masz pytania lub chcesz znaleźć konkretny element półprzewodnikowy?
Skontaktuj się z zespołem PC Components już dziś!
Odniesienia :
„Urządzenia półprzewodnikowe: fizyka i technologia” autorstwa SM Sze
„Wprowadzenie do urządzeń półprzewodnikowych” autorstwa Kevina F. Brennana
Toshiba Electronic Devices & Storage Corporation
