半導体デバイスおよび回路、アプリケーション

半導体デバイスは、優れた導体でも絶縁体でもない材料で構成されており、半導体と呼ばれます。このようなデバイスは、その信頼性、コンパクトさ、および低コストにより、幅広いアプリケーションを確立しています。これらは、パワーデバイス、コンパクトな光学センサー、および固体レーザーを含む発光体で使用されるディスクリートコンポーネントです。それらは、5,000アンペアを超える電流定格と100,000ボルトを超える電圧定格を備えた、幅広い電流および電圧処理機能を備えています。さらに重要なことには、 半導体デバイス 複雑であるが容易に構築できる超小型電子回路への統合に役立ちます。それらは、データ処理、消費者、および産業用制御機器との通信を含む大多数の電子システムの重要な要素である可能性のある未来を持っています。

半導体デバイスとは？

半導体デバイスは他に何もありません 電子部品 シリコン、ゲルマニウム、ガリウムヒ素などの半導体材料や有機半導体の電子特性を利用しています。半導体デバイスは、多くのアプリケーションで真空管に取って代わりました。それらは、高真空での熱電子放出とは対照的に、固体状態で電子伝導を使用します。半導体デバイスは、ディスクリートデバイスと 集積回路 、単一の半導体基板またはウェーハ上で製造および相互接続された数十億のデバイスで構成されています。

半導体デバイス

半導体材料は、不純物の添加によって簡単に操作できる動作によって有用であり、ドーピングとして知られています。半導体の導電率は、電界または磁界、光または熱への暴露、またはドープされた単結晶グリッドの機械的変形によって制御できるため、半導体は優れたセンサーを作成できます。半導体の電流伝導は、電荷キャリアと総称される電子と正孔がない状態で発生します。シリコンのドーピングは、少量の不純物原子を追加することによって行われ、リンまたはホウ素の場合も、半導体内の電子または正孔の数が大幅に増加します。

ドープされた半導体に過剰な正孔が含まれている場合は「p型」（正孔に対して正）半導体と呼ばれ、自由電子がいくらか過剰に含まれている場合は「n型」（電子に対して負）半導体と呼ばれます。大多数のモバイル充電キャリアの充電の兆候。 n型とp型の半導体が結合した場所に形成された接合は、p-n接合と呼ばれます。

ダイオード

半導体 ダイオードはデバイスです 通常、単一のp-n接合で構成されます。 p型とn型の半導体の接合部は、可動電荷キャリアの欠如によって電流伝導が確保される空乏領域を形成します。デバイスが順方向にバイアスされると、この空乏領域が減少し、大幅な導通が可能になります。ダイオードが逆方向にバイアスされると、達成できる電流が少なくなり、空乏領域を拡張できます。半導体を光にさらすと、電子正孔対が生成され、自由キャリアの数が増え、それによって導電率が増加します。この現象を利用するために最適化されたダイオードは、フォトダイオードとして知られています。化合物半導体ダイオードは、光、発光ダイオード、レーザーダイオードの生成にも使用されています。

ダイオード

トランジスタ

バイポーラ接合トランジスタ p-n-pまたはn-p-n構成の2つのp-n接合によって形成されます。中間またはベース、ジャンクション間の領域は通常非常に狭いです。他の領域、およびそれらに関連する端子は、エミッターおよびコレクターとして知られています。ベースとエミッタ間の接合部から注入される小さな電流は、ベースコレクタ接合部の特性を変化させるため、逆バイアスされていても電流を流すことができます。これにより、コレクタとエミッタの間に大きな電流が生成され、ベース-エミッタ電流によって制御されます。

トランジスタ

と名付けられた別のタイプのトランジスタ 電界効果トランジスタ 、それは、半導体の導電率が電界の存在によって増加または減少する可能性があるという原理に基づいて動作します。電界は半導体内の電子と正孔の数を増やし、その結果、半導体の導電率を変化させる可能性があります。電界は、逆バイアスされたp-n接合によって印加される場合があり、接合型電界効果トランジスタ（JFET）を形成するか、酸化物層によってバルク材料から絶縁された電極によって形成されます。 金属酸化物半導体電界効果トランジスタ （MOSFET）。

現在、MOSFET、ソリッドステートデバイス、および半導体デバイスで最もよく使用されています。ゲート電極は、2つの端子間の「チャネル」の導電率を制御できる電界を生成するために充電されます。これはソースおよびドレインと呼ばれます。チャネル内のキャリアのタイプに応じて、デバイスはnチャネル（電子の場合）またはpチャネル（正孔の場合）のMOSFETになります。

半導体デバイス材料

シリコン（Si）は、半導体デバイスで最も広く使用されている材料です。原材料コストが低く、プロセスが比較的簡単です。その有用な温度範囲により、現在、さまざまな競合材料の中で最良の妥協点となっています。半導体デバイスの製造に使用されるシリコンは、現在、300 mm（12インチ）のウェーハの製造を可能にするのに十分な直径のボウルに製造されています。

ゲルマニウム（Ge）は初期の半導体材料で広く使用されていましたが、その熱感度はシリコンほど有用ではありません。今日、ゲルマニウムは、超高速SiGeデバイスで使用するために（Si）シリコンと合金化されることがよくあります。IBMはそのようなデバイスの主な生産者です。

ガリウム砒素（GaAs）も高速デバイスで広く使用されていますが、これまでこの材料で大径のボウルを形成することは困難であり、ウェーハの直径サイズがシリコンウェーハよりも大幅に小さいため、ガリウム砒素が大量生産されています（GaAs）デバイスはシリコンよりも大幅に高価です。

一般的な半導体デバイスのリスト

一般的な半導体デバイスのリストには、主に2端子、3端子、4端子デバイスが含まれています。

一般的な半導体デバイス

2端子デバイスは

• ダイオード（整流ダイオード）
• ガンダイオード
• IMPACTダイオード
• レーザーダイオード
• ツェナーダイオード
• ショットキーダイオード
• PINダイオード
• トンネルダイオード
• 発光ダイオード（LED）
• フォトトランジスタ
• フォトセル
• 太陽電池
• 過渡電圧抑制ダイオード
• VCSEL

3端子デバイスは

• バイポーラトランジスタ
• 電界効果トランジスタ
• ダーリントントランジスタ
• 絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）
• ユニジャンクショントランジスタ
• シリコン制御整流器
• サイリスタ
• トライアック

4端子デバイスは

• フォトカプラ（オプトカプラー）
• ホール効果センサー（磁界センサー）

半導体デバイスアプリケーション

すべてのタイプのトランジスタをとして使用できます 論理ゲートのビルディングブロック 、デジタル回路の設計に役立ちます。マイクロプロセッサのようなデジタル回路では、たとえば、MOSFETのスイッチ（オンオフ）として機能するトランジスタは、ゲートに印加される電圧によって、スイッチがオンかオフかが決まります。

トランジスタはアナログ回路に使用され、比較的スイッチ（オン/オフ）として機能せず、連続範囲の出力で連続範囲の入力に応答します。一般的なアナログ回路には、発振器と増幅器が含まれます。アナログ回路とデジタル回路の間でインターフェースまたは変換を行う回路は、ミックスドシグナル回路として知られています。

半導体デバイスの利点

• 半導体デバイスにはフィラメントがないため、電子を放出するためにそれらを加熱するための電力は必要ありません。
• 加熱が不要なため、回路がオンになるとすぐに半導体デバイスが動作します。
• 動作中、半導体デバイスはハミングノイズを発生しません。
• 半導体デバイスは、真空管と比較して低電圧動作を必要とします。
• サイズが小さいため、半導体デバイスを含む回路は非常にコンパクトです。
• 半導体デバイスは耐衝撃性があります。
• 半導体デバイスは、真空管に比べて安価です。
• 半導体デバイスの寿命はほぼ無制限です。
• 半導体デバイスは真空を発生させる必要がないため、真空劣化の問題がありません。

半導体デバイスのデメリット

• ノイズレベルは、真空管に比べて半導体デバイスの方が高くなっています。
• 通常の半導体デバイスは、通常の真空管ほど多くの電力を処理できません。
• 高周波域では、応答性が悪くなります。

したがって、これはすべて、2端子、3端子、4端子デバイスを含むさまざまなタイプの半導体デバイスに関するものです。この概念をよりよく理解していただければ幸いです。さらに、このコンセプトまたは電気および電子プロジェクトに関する疑問がある場合は、以下のコメントセクションにコメントしてフィードバックをお寄せください。ここにあなたへの質問があります、半導体デバイスのアプリケーションは何ですか？

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