¿Por qué utilizamos semiconductores en lugar de conductores en la fabricación de productos electrónicos?

La verdad es que ambos se usan. Los semiconductores fabrican varios tipos de interruptores y amplificadores controlables. Hay conductores que son mejores que el cable de cobre estándar, pero algunos de ellos requieren temperaturas muy bajas y otros son una tecnología nueva que tiene un largo camino por recorrer antes de que se explote por completo.

Los semiconductores se utilizan donde se necesita control.

• Los diodos restringen el flujo de corriente a una sola dirección (dentro de los límites). Los diodos Zener y los diodos de absorción transitoria se aprovechan de un diodo que tiene un umbral de voltaje de ruptura inversa y a menudo se usan en la regulación de la fuente de alimentación o la protección contra rayos. Los diodos emisores de luz se encuentran en la mayoría de los televisores nuevos y durante mucho tiempo han proporcionado los indicadores de espera en muchos productos; están hechos de varios semiconductores, incluido el arseniuro de galio; diferentes emiten diferentes bandas de frecuencia de luz para hacer diferentes colores.
• Los transistores se usan para cambiar o amplificar, controlando una corriente más grande con un voltaje más pequeño. A los estudiantes de electrónica se les enseña el modelo de fuente de corriente controlada por voltaje. La mayoría de los amplificadores y chips de computadora están formados por decenas a millones de transistores.
• Los transistores bipolares, tiristores y triacs de puerta aislada se utilizan para controlar varios dispositivos de alimentación, tanto de CC como de CA.

Durante mucho tiempo se ha investigado sobre los superconductores. Muchos necesitan bajas temperaturas con nitrógeno líquido u otros gases. Aquí hay un comienzo para 10: Superconductividad

El grafeno es una sustancia que se ha descubierto relativamente recientemente. Consiste en una capa de átomos de carbono de un solo átomo de espesor. Los electrones libres lo convierten en un muy buen conductor de electricidad y también de calor. La forma más fácil de obtener una pequeña cantidad es colorear un área en un trozo de papel con un lápiz suave (grafito) y luego usar un trozo de cinta adhesiva para quitar una capa. Promete una excelente conductividad eléctrica a temperatura ambiente, que ha sido un “santo grial” de la investigación. A medida que avance la investigación, veremos qué tan bien se desempeña el grafeno en un rango de temperatura más amplio, lo que ayudará a determinar su aplicación en condiciones industriales más arduas. Un umbral será si cumple con el rango de electrónica de -55 a +125 grados Celsius, lo que le permite ser utilizado en muchas aplicaciones electrónicas, como una unidad de control de aeronaves. Las propiedades de conducción del calor del grafeno serán útiles en la industria, para el hundimiento del calor y para enfocar un patrón de calor.

Esta es una explicación un poco larga, pero confía en mí, ¡puedo abordar tu pregunta!

Hay tres “comportamientos” electrónicos fundamentales: resistencia, capacitancia e inductancia. Hemos fabricado componentes electrónicos donde estos comportamientos son el propósito principal del componente. Por supuesto, son resistencias, condensadores e inductores.

Llamamos a estos componentes “componentes pasivos” porque son en gran medida pasivos, ya que simplemente “son”, no hacen nada activamente. Otros componentes pasivos son el cable y los conectores. Un componente pasivo es muy parecido a un tenedor. Un tenedor no hace nada, simplemente se sienta allí. Una bifurcación solo es útil cuando es manipulada por algo / alguien más.

No se pueden construir circuitos muy útiles utilizando solo componentes pasivos. ¡Necesitas un componente activo!

Un componente activo es algo que amplifica una señal o conmuta una señal. En los primeros días de las computadoras, usábamos un relé. Si hace funcionar la electricidad a través de una bobina de relé, enciende o apaga un interruptor mecánico. Pero los relés tienen problemas. Son grandes Consumen mucha energía. Son lentos Ellos son ruidosos. Pero, en teoría, podría construir algo como un procesador Intel i7 que ejecuta Windows completamente sin relés. Sería dolorosamente lento, sería más que enorme, y usaría más poder que la mayoría de las ciudades, pero podría hacerlo.

Después de los relés inventamos los tubos de vacío. Inicialmente, estos se usaron de la misma manera que se usaron los relés: el suministro de electricidad a través de una parte del tubo hizo que la corriente fluyera (o no fluye) a través de una parte diferente del tubo. Era como un interruptor, pero funcionaba más rápido que los relés y también era algo más confiable. Pero los tubos de vacío todavía eran grandes y consumían mucha energía.

Luego entró en los “semiconductores”. El significado exacto del término “semiconductor” realmente no es importante para nosotros, de la misma manera que Vacuum no es importante en “Vacuum Tube”. Lo importante es que estos son componentes activos que pueden funcionar como un interruptor, de la misma manera que los tubos de vacío y los relés. Hemos aprendido cómo hacer que estos dispositivos semiconductores sean realmente pequeños, realmente rápidos y en grandes cantidades. ¡Es por eso que preferimos usar semiconductores más que tubos y relés!

El objetivo de todo esto era brindarle información sobre qué es exactamente un “semiconductor”. Bueno, es un cambio! Un interruptor muy pequeño y generalmente muy rápido.

Entonces … Su pregunta era comparar semiconductores con conductores / aislantes. El problema es que realmente no se comparan. La terminología puede hacerte pensar que son comparables, pero no lo son. Es un poco como comparar una “crema agria ligera” con una “bombilla”. Realmente lo que estás haciendo es comparar el cable con un interruptor. A veces quieres un cable, y a veces quieres un interruptor, pero realmente nunca necesitas preguntarte “¿debería usar cable o debería usar un interruptor?” Al igual que no te preguntas si debes usar crema agria ligera o una bombilla.

Pero volvamos a la lección sobre los tipos de componentes electrónicos … Casi cualquier circuito electrónico útil utiliza una combinación de componentes pasivos y activos. Solo los circuitos más básicos utilizarán solo un tipo u otro. Los componentes activos y pasivos son igualmente importantes, aunque los componentes activos son los que obtienen toda la gloria.

Se trata del control de la electricidad (el flujo de electrones).

Un conductor conduce electricidad, y esta conducción es mucho mejor que la de un semiconductor. Pero, podemos cambiar las propiedades de conducción de un semiconductor. La idea básica de la electrónica proviene de esta modificación de las propiedades de conducción.

El dispositivo básico en electrónica es el diodo. En un diodo, tenemos una ‘unión’ de dos semiconductores modificados con diferentes propiedades de conducción. Ambos tienen mejor conducción que un semiconductor natural, pero ambos tienen un mecanismo diferente para la conducción. Este tipo de unión tiene una propiedad interesante: ¡permite la conducción de electricidad en una sola dirección! Tal cosa no se puede lograr utilizando solo conductores.

Su pregunta es como preguntar por qué nuestro suministro de agua tiene grifos y válvulas cuando el propósito es suministrar agua. O por qué nuestras redes de carreteras tienen semáforos cuando el propósito es llevarnos a lugares.

Cualquier pieza de electrónica no solo necesita conductores para suministrar energía eléctrica de manera eficiente, sino también semiconductores para controlar el flujo y aislantes para evitar que la electricidad vaya a donde se supone que no debe hacerlo.

Muchas de las respuestas repiten las propiedades y el funcionamiento interno de un semiconductor y cómo se aplica a la electrónica, no voy a repetirlo, sino que respondo con una historia corta.

Cuando encendemos nuestros teléfonos inteligentes, TV, computadoras o incluso las luces, la electricidad se transmite a través de algunos conectados debido a los circuitos integrados en el interior. Para nuestros teléfonos y computadoras, el software está ejecutando instrucciones que hemos programado. Sin entrar en detalles más profundos, son los circuitos digitales los que envían información binaria para las instrucciones a través de la entrada y salida eléctrica. Por lo tanto, los semiconductores son el mejor material para los circuitos integrados, ya que podemos enviar corriente en cualquier momento como conductor y dejar de enviar corriente (como aislante). Los conductores simplemente enviarían corriente a todas partes que no queríamos.

• En los aisladores , no hay absolutamente ningún flujo de corriente.
• En los conductores , hay un flujo total de corriente ( resistencia cero ).
• Los semiconductores , pueden actuar tanto como un aislante como un conductor basado en la entrada de voltaje. Por lo tanto, existe la posibilidad de controlar el flujo de corriente en semiconductores.

Esta propiedad controlable se utiliza para diseñar las necesidades de circuito en tiempo real, al construir los bloques con materiales semiconductores.

Porque en algunas circunstancias queremos que la electricidad se entregue continuamente (por lo que usamos cables) y en otras situaciones queremos poder controlar eléctricamente cuándo fluye la electricidad y cuándo no. Ergo, semiconductores utilizados para teléfonos celulares, sensores, amplificadores, computadoras, radios, etc.

Todos los dispositivos semiconductores se basan en la formación de la unión PN que no es posible implementar utilizando un conductor.

Todos sabemos por qué la unión PN es necesaria en cualquier dispositivo semiconductor, pero para responder a su pregunta, esta es la razón, los materiales tipo P y tipo N no se pueden fabricar utilizando conductores, sino solo dopando los semiconductores.

Nunca lo cuestioné porque un estudiante daba por sentado que el control de I / V usando dopante a través del tipo p / n, la variación en los componentes distribuidos R y C (L es reciente) se basa principalmente en circuitos. Se estaban utilizando tubos de vacío para el procesamiento – Amplificador de válvula

Supongo que el procesamiento lógico y la estandarización del proceso de fabricación (Fab / Foundry) que es $$$ (hasta la fecha) también es una razón.

Las propiedades del material están involucradas – Aleaciones de aluminio-silicio

Cambio reciente de polisilicio a metal para interconexiones pero transistor en silicio.

El grafeno es un material nuevo, se usan materiales de tierras raras, SiC, GaAs, InGaAs para mencionar algunos que se usan en frecuencias más altas …

Debido a que los semiconductores, el silicio en particular, se pueden ajustar por su conductividad basada en el dopaje. Los conductores y los aislantes son extremos y no se pueden sintonizar para comportarse como otra cosa, excepto si hay un problema.

Además, las características eléctricas del silicio ayudan a crear dispositivos que nos proporcionan interruptores lógicos básicos que pueden usarse para crear una lógica más compleja.

Estoy seguro de que esta respuesta no es exhaustiva, pero tenía la intención de escribirla como punto de partida. Physics of Semiconductor Devices de Simon Sze es un excelente libro sobre el tema, ya que estoy seguro de que son otros. ¡Feliz aprendizaje!

En electrónica, no requerimos que el conductor conduzca electricidad cuando se suministra el suministro.

Necesitamos semiconductores que no conduzcan incluso si se suministra suministro, sino solo dando suministro a la puerta para encenderlo.

Por ejemplo, SCR que se puede usar como interruptor estático.

Piense en un circuito como fluido que bombea desde el área de alta presión al área de baja presión. Si todo es metal (que no puede controlar el flujo de corriente de manera efectiva), ¿cómo vamos a diseñar un buen sistema que distribuya agua de un lugar a otro de manera selectiva? El semiconductor es útil debido al hecho de que podemos controlar las condiciones que le permiten conducir. El metal, por otro lado, puede pensarse en un sistema de canalización que solo conduce la corriente a donde queremos ser entregados. Además, algunas de las dosis de semiconductores (puertas en MOSFET, por ejemplo) pueden hacer que se comporte como el metal.

En resumen, es la selectividad del semiconductor lo que lo hace diferente del aislante y los conductores. Necesitamos ambos, pero sin las “válvulas” de semiconductores que imponen algunas condiciones para la conducción, no tendremos la selectividad.

Antes de que el semiconductor se utilizara para la fabricación de productos electrónicos, el tubo de vacío (de metal y vidrio) era el dispositivo principal en la fabricación de productos electrónicos. Pero el tamaño del tubo de vacío es demasiado grande en comparación con los diodos y transistores basados ​​en semiconductores. Y la vida útil del tubo de vacío es muy corta. Ver este enlace: Tubo de vacío.

Una diferencia básica simple es que en los conductores no tenemos la capacidad de control actual, mientras que en los semiconductores tenemos eso. En electrónica, necesitamos tanto la conducción como el control de la corriente (puede entenderse a partir de la construcción de un diodo pn ordinario), por lo que utilizamos materiales semiconductores en electrónica.

Porque son cosas diferentes. Ambos se utilizan en la fabricación de productos electrónicos. Los semiconductores son componentes electrónicos utilizados para controlar y conductores para conectar componentes electrónicos.

Con semiconductores puedes crear circuitos lógicos. Con los conductores no puedes.