محصولات نیمه هادی همه چیز را از دیودها و ترانزیستورهای پایه گرفته تا مدارهای مجتمع پیچیده و ریزپردازنده ها پوشش می دهند. این محصولات در دستگاه های الکترونیکی از جمله ترانزیستورها برای تقویت و کلیدزنی جریان، دیودها برای اصلاح و تثبیت ولتاژ و دستگاه های حافظه مانند DRAM و فلش مموری برای ذخیره و پردازش داده ها نقش اساسی دارند. مدارهای مجتمع، مانند ریزپردازنده ها و تراشه های ارتباطی، هسته اصلی فناوری الکترونیکی مدرن هستند که پردازش داده ها و عملکردهای ارتباطی پیچیده را امکان پذیر می کنند. پیشرفت فناوری تولید و بسته بندی نیمه هادی ها، این محصولات را کارآمدتر و کوچک تر کرده است و باعث پیشرفت کل صنعت الکترونیک می شود.
دستگاه نیمه هادی
ترانزیستور
ترانزیستورها اجزای اصلی فناوری نیمه هادی هستند که به طور گسترده در مدارهای تقویت و سوئیچینگ استفاده می شوند. انواع اصلی شامل ترانزیستورهای اثر میدانی (FET) و ترانزیستورهای دوقطبی (BJTs) می باشد. ترانزیستورهای اثر میدانی به دلیل امپدانس ورودی بالا و ویژگی‌های مصرف انرژی کم بر مدارهای دیجیتال و آنالوگ غالب هستند. به عنوان مثال، ترانزیستورهای اثر میدانی نیمه هادی اکسید فلز (MOSFET) پایه و اساس مدارهای مجتمع مدرن هستند. ترانزیستورهای دوقطبی به دلیل قابلیت سوئیچینگ با سرعت بالا و ظرفیت حمل جریان بالا همچنان در تقویت توان و کاربردهای فرکانس بالا مهم هستند.
دیود
دیودها اساسی ترین وسایل نیمه هادی هستند که عمدتاً برای هدایت جریان یک طرفه استفاده می شوند. انواع متداول شامل دیودهای یکسو کننده و تنظیم کننده های ولتاژ است. دیودهای یکسو کننده معمولاً برای تبدیل جریان متناوب به جریان مستقیم استفاده می شوند، در حالی که تنظیم کننده های ولتاژ برای حفظ سطح ولتاژ پایدار و جلوگیری از اضافه ولتاژ مدار استفاده می شوند. پارامترهای کلیدی این دیودها شامل جریان رو به جلو، ولتاژ شکست معکوس، مصرف برق و سرعت سوئیچینگ است.
دستگاه های الکترونیکی نوری
دستگاه های الکترونیک نوری شاخه مهمی از فناوری نیمه هادی ها هستند که عمدتاً شامل دیودهای ساطع کننده نور (LED) و دستگاه های حساس به نور می شود. LED به دلیل کارایی بالا، طول عمر بالا و قابلیت اطمینان، به طور گسترده در فناوری روشنایی و نمایشگر استفاده می شود. دستگاه های حساس به نور مانند دیودهای نوری و ترانزیستورهای نوری نقش مهمی در کنترل خودکار و سیستم های ارتباطی دارند.
دستگاه های ذخیره سازی
دستگاه های حافظه هسته اصلی فناوری ذخیره سازی داده ها از جمله حافظه با دسترسی تصادفی پویا (DRAM) و حافظه فلش هستند. DRAM به دلیل مزیت عملکرد سرعت بالا به طور گسترده ای به عنوان حافظه اصلی در سیستم های کامپیوتری استفاده می شود. فلش مموری با ویژگی های غیر فرار و چگالی بالا، در دستگاه های تلفن همراه و درایوهای حالت جامد غالب است. پارامترهای کلیدی این دستگاه های ذخیره سازی شامل ظرفیت ذخیره سازی، سرعت خواندن و نوشتن، مصرف انرژی و طول عمر می باشد.
هنگام طراحی دستگاه های نیمه هادی، انتخاب مواد، فرآیند تولید و عملکرد الکتریکی ملاحظات کلیدی هستند. به عنوان مثال، مواد سیلیکونی به دلیل مقرون به صرفه بودن و فرآیندهای تولید بالغ بر دستگاه های نیمه هادی غالب هستند. با این حال، با توسعه فناوری، مواد دیگری مانند آرسنید گالیم عملکرد بسیار خوبی در کاربردهای خاص از خود نشان داده اند. هنگام انتخاب دستگاه های نیمه هادی، علاوه بر پارامترهای فنی ذکر شده در بالا، هزینه، اندازه و قابلیت اطمینان نیز باید در نظر گرفته شود.
مدار مجتمع
ریزپردازنده
ریزپردازنده ها مغز دستگاه های محاسباتی مدرن هستند که وظیفه پردازش دستورالعمل ها و کنترل سایر سخت افزارها را بر عهده دارند. عملکرد آنها معمولاً با تعداد هسته‌ها، سرعت ساعت (معمولاً در محدوده گیگاهرتز)، مصرف انرژی (از چند وات تا ده‌ها وات) و فناوری فرآیند (مانند 7 نانومتر، 5 نانومتر) اندازه‌گیری می‌شود. ریزپردازنده‌های با کارایی بالا با چالش‌هایی در مصرف انرژی و خنک‌سازی مواجه هستند که به راه‌حل‌های خنک‌کننده کارآمد نیاز دارند.
تراشه ذخیره سازی
تراشه های ذخیره سازی اجزای کلیدی ذخیره سازی داده ها هستند، از جمله حافظه دسترسی تصادفی استاتیک (SRAM) و حافظه دسترسی تصادفی پویا (DRAM). SRAM دارای مزایای سرعت بالا و تاخیر کم است، اما هزینه آن بالا و ظرفیت آن کم است. DRAM ظرفیت ذخیره سازی بزرگتر و هزینه کمتر را فراهم می کند، اما با سرعت کمتر و مصرف انرژی بالاتر. پارامترهای کلیدی یک تراشه ذخیره سازی شامل ظرفیت ذخیره سازی (از چند مگابایت تا چند گیگابایت)، زمان دسترسی (در نانوثانیه) و مصرف انرژی (از چند میلی وات تا چند وات) است.
تراشه ارتباطی
تراشه ارتباطی برای پردازش سیگنال های ارتباطی بی سیم یا سیمی استفاده می شود و کلید آن پشتیبانی از استانداردهای ارتباطی مختلف مانند 5G، وای فای، بلوتوث و غیره است. شاخص های عملکرد این تراشه ها شامل سرعت انتقال (Mbps یا Gbps)، فرکانس می باشد. محدوده، نسبت بهره وری انرژی (اندازه گیری شده در مصرف انرژی در هر بیت)، و همچنین استانداردها و پروتکل های ارتباطی پشتیبانی شده.
تراشه آنالوگ
تراشه های آنالوگ بین سیگنال های دیجیتال و آنالوگ، از جمله مبدل های آنالوگ به دیجیتال (ADC) و مبدل دیجیتال به آنالوگ (DAC) تبدیل می شوند. کلید عملکرد آنها در سرعت تبدیل (تعداد نمونه در ثانیه)، دقت (تعداد بیت)، مصرف انرژی (معمولاً بر حسب میلی وات) و سطح نویز (معمولاً در نسبت سیگنال به نویز بیان می شود) نهفته است. تراشه های آنالوگ نقش مهمی در پردازش سیگنال و رابط های حسگر ایفا می کنند.
تراشه سیگنال مختلط
تراشه سیگنال مختلط مدارهای آنالوگ و دیجیتال را ترکیب می کند که قادر به پردازش سیگنال های آنالوگ و استفاده از آنها در سیستم های دیجیتال است. این نوع تراشه به ویژه در تلفن های همراه، لوازم الکترونیکی مصرفی و لوازم الکترونیکی خودرو اهمیت دارد. پارامترهای کلیدی آنها شامل سطح یکپارچه‌سازی، مصرف انرژی و اندازه (معمولاً بر حسب میلی‌متر) ² محاسبه و هزینه است. یک تراشه سیگنال مختلط به طراحی دقیق نیاز دارد تا اطمینان حاصل شود که قطعات آنالوگ و دیجیتال با یکدیگر تداخل ندارند.
طراحی و ساخت مدارهای مجتمع فرآیندهای بسیار پیچیده و پرهزینه ای هستند که به مواد پیشرفته ای مانند سیلیکون و آرسنید گالیم و همچنین فناوری های پیشرفته تولید مانند لیتوگرافی عمیق فرابنفش نیاز دارند. با توسعه فناوری، اندازه مدارهای مجتمع کماکان کاهش می‌یابد و عملکرد همچنان بهبود می‌یابد، اما در عین حال، آنها با چالش‌هایی مانند هزینه، پیچیدگی طراحی و محدودیت‌های فیزیکی نیز مواجه هستند.
