دستگاه های نیمه هادی

دستگاه های نیمه هادی (Semiconductor Devices) قطعات الکترونیکی هستند که از مواد نیمه هادی مانند سیلیکون برای کنترل و هدایت جریان الکتریسیته استفاده می کنند. آنها بلوک های سازنده الکترونیک مدرن هستند، از گیرنده های رادیویی ساده تا سیستم های پیچیده کامپیوتری. دستگاه های نیمه هادی در طیف وسیعی از کاربردها از جمله کامپیوتر، مخابرات، لوازم الکترونیکی مصرفی، تجهیزات پزشکی و سیستم های خودرو استفاده می شوند.

دستگاه نیمه هادی، جزء مدار الکترونیکی ساخته شده از ماده ای که نه هادی خوب است و نه عایق خوبی (از این رو نیمه هادی). چنین دستگاه هایی به دلیل فشرده بودن، قابلیت اطمینان و هزینه کم کاربردهای گسترده ای یافته اند.

دستگاه های نیمه هادی – مواد نیمه هادی وسیله ای است که اجازه عبور جریان الکتریکی از آن را می دهد. CPU دستگاه را در نظر بگیرید، از تعداد زیادی ترانزیستور در داخل آن تشکیل شده است و این ترانزیستورها حاوی مواد نیمه هادی هستند که اجازه عبور جریان را می دهد و همه اینها توسط یک سوئیچ کنترل می شوند. در اینجا یک ترانزیستور وجود دارد، عبور جریان الکتریکی با اعمال بر اساس وضعیت سوئیچ، چه روشن یا خاموش، کنترل می شود. از این رو، چنین وسیله ای که اجازه می دهد جریان به طور جزئی از آنها عبور کند، دستگاه نیمه هادی نامیده می شود.

اجزاء

دستگاه های نیمه هادی از دو جزء اصلی تشکیل شده اند:

•  منطقه فعال که وظیفه کنترل جریان الکتریسیته را بر عهده دارد و یک منطقه غیرفعال که برای پشتیبانی و حفاظت از منطقه فعال استفاده می شود. ناحیه فعال از یک ماده نیمه هادی مانند سیلیکون. ناحیه فعال یک دستگاه نیمه هادی با کنترل جریان الکترون ها کار می کند. هنگامی که ولتاژ به دستگاه اعمال می شود، الکترون ها از ترمینال منفی به ترمینال مثبت حرکت می کنند و جریان الکتریکی ایجاد می کنند. سپس جریان برای تغذیه دستگاه استفاده می شود.
• ناحیه غیرفعال معمولاً از یک عایق مانند شیشه، پلاستیک یا سرامیک تشکیل شده است. ناحیه غیرفعال دستگاه پشتیبانی و محافظت از ناحیه فعال را فراهم می کند. این به کاهش خطر آسیب به ناحیه فعال کمک می کند و همچنین به کاهش میزان گرمای تولید شده توسط دستگاه کمک می کند.

کاربردها

• آنها در طراحی گیت های منطقی و مدارهای دیجیتال استفاده می شوند.
• اینها در ریزپردازنده ها استفاده می شوند.
• آنها همچنین در مدارهای آنالوگ مانند نوسانگرها و تقویت کننده ها استفاده می شوند.
• در کاربردهای ولتاژ بالا استفاده می شود.

این دستگاه ها به دلیل قابلیت اطمینان، فشرده بودن و هزینه کم در بسیاری از کاربردها به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند. به عنوان یک جزء مجزا، یک نیمه هادی به عنوان حسگرهای نوری، دستگاه های قدرت، ساطع کننده های نور، و همچنین شامل لیزرهای حالت جامد استفاده می شود. آنها همچنین دارای طیف وسیعی از ظرفیت های جریان و همچنین ولتاژ هستند، با رتبه های جریان از چند نانو آمپر یعنی (10-9 آمپر) تا بیش از حدود 5000 ولتاژ و آمپر که بالاتر از 100000 ولت است.

دستگاه های نیمه هادی  به راحتی در مدارهای میکروالکترونیکی قابل ساخت هستند. آنها همچنین در آینده در شکل‌دهی اجزای کلیدی اکثر ابزار و سیستم‌های الکتریکی و الکترونیکی در زمینه‌های مختلف مانند ارتباطات، پردازش داده، مصرف‌کننده و همچنین تجهیزات کنترل صنعتی، دامنه خوبی پیدا می‌کنند.

دستگاه های نیمه هادی در طیف وسیعی از کاربردها، از گیرنده های رادیویی ساده گرفته تا سیستم های کامپیوتری پیچیده استفاده می شوند. آنها در لوازم الکترونیکی مصرفی مانند تلویزیون و تلفن های همراه و همچنین در تجهیزات پزشکی مانند ضربان سازها و دستگاه های MRI استفاده می شوند. آنها همچنین در سیستم های خودرو مانند واحدهای کنترل موتور و سیستم های کیسه هوا استفاده می شوند.

دستگاه های نیمه هادی بخش ضروری الکترونیک مدرن هستند و به طور مداوم در حال بهبود و توسعه هستند تا نیازهای دنیای همیشه در حال تغییر فناوری را برآورده کنند.

نمونه هایی از دستگاه های نیمه هادی

گفته می شود که این دستگاه ها نه عایق خوب هستند و نه هادی خوب، از این رو “نیمه هادی” نامیده می شود. نمونه های نیمه هادی شامل موارد زیر است:

تقویت کننده عملیاتی (op-amps)
مقاومت ها(resistors)
خازن ها(capacitors)
دیودها(diodes)
ترانزیستورها(transistors)

بررسی چند نمونه دستگاه  نیمه هادی

این دستگاه ها بر این اساس دسته بندی می شوند که دستگاه های دو ترمینالی یا سه ترمینالی و گاهی اوقات برای دستگاه های تک ترمینال هستند. از نمونه‌های دستگاه‌های دو ترمینال می‌توان به دیود، دیود زنر، دیود لیزر، دیود شاتکی، دیود ساطع نور (LED)، فتوسل، فوتوترانزیستور، سلول خورشیدی و غیره اشاره کرد.

برخی از نمونه های دستگاه های نیمه هادی سه ترمینال عبارتند از: ترانزیستور دوقطبی، IGBT، ترانزیستور اثر میدانی، یکسو کننده کنترل شده با سیلیکون، TRIAC، تریستور و غیره.

دیود

دیود یک دستگاه نیمه هادی است که از یک اتصال p-n تشکیل شده است. اتصالات P-n معمولاً از به هم پیوستن مواد نیمه هادی نوع p و نوع n تشکیل می شوند. این شکل‌گیری به این دلیل است که ناحیه نوع n دارای تعداد بیشتری غلظت الکترون است در حالی که ناحیه نوع p دارای تعداد حفره‌های بیشتری است، بنابراین الکترون‌ها از ناحیه نوع n به p- پخش می‌شوند. منطقه را تایپ کنید از این رو از این پدیده در تولید نور استفاده می شود.

ترانزیستورها

ترانزیستورها از دو نوع ترانزیستور اتصال دوقطبی و ترانزیستور اثر میدانی هستند. ترانزیستور پیوند دوقطبی با تشکیل دو اتصال p-n در دو پیکربندی مختلف مانند n-p-n یا p-n-p به دست می آید. در این نوع ترانزیستورها سه ناحیه تشکیل شده به نام های امیتر، کلکتور و بیس یا ناحیه میانی نامیده می شوند.

ترانزیستور اثر میدان بر اساس اصل رسانایی کار می کند و رسانایی را می توان با حضور میدان الکتریکی تغییر داد.