Nowoczesna technologia jest możliwa dzięki klasie materiałów zwanych półprzewodnikami. Wszystkie aktywne komponenty, układy scalone, mikroukłady, tranzystory i wiele czujników zbudowanych jest z materiałów półprzewodnikowych.
Podczas gdy krzem jest najczęściej używanym materiałem półprzewodnikowym w elektronice, stosowany jest szereg półprzewodników, w tym german, arsenek galu, węglik krzemu i półprzewodniki organiczne. Każdy materiał ma zalety, takie jak stosunek kosztów do wydajności, szybkie działanie, tolerancja na wysokie temperatury lub pożądana reakcja na sygnał.
Półprzewodniki
Półprzewodniki są przydatne, ponieważ inżynierowie kontrolują właściwości elektryczne i zachowanie podczas procesu produkcyjnego. Właściwości półprzewodników są kontrolowane przez dodawanie niewielkich ilości zanieczyszczeń do półprzewodnika w procesie zwanym domieszkowaniem. Różne zanieczyszczenia i stężenia powodują różne efekty. Kontrolując domieszkowanie, można kontrolować sposób, w jaki prąd elektryczny przepływa przez półprzewodnik.
W typowym przewodniku, takim jak miedź, elektrony przenoszą prąd i działają jako nośnik ładunku. W półprzewodnikach jako nośniki ładunku działają zarówno elektrony, jak i dziury (brak elektronu). Kontrolując domieszkowanie półprzewodnika, przewodność i nośnik ładunku są dostosowywane tak, aby były oparte na elektronach lub dziurach.
Istnieją dwa rodzaje dopingu:
- Domieszki typu N, zazwyczaj fosforu lub arsenu, mają pięć elektronów, które po dodaniu do półprzewodnika zapewniają dodatkowy wolny elektron. Ponieważ elektrony mają ładunek ujemny, materiał domieszkowany w ten sposób nazywany jest typem N.
- Domieszki typu P, takie jak bor i gal, mają trzy elektrony, co skutkuje brakiem elektronu w krysztale półprzewodnika. Tworzy to dziurę lub ładunek dodatni, stąd nazwa typu P.
Zarówno domieszki typu N, jak i P, nawet w niewielkich ilościach, czynią z półprzewodnika przyzwoity przewodnik. Jednak półprzewodniki typu N i P nie są wyjątkowe i są tylko przyzwoitymi przewodnikami. Kiedy te typy stykają się ze sobą, tworząc złącze P-N, półprzewodnik uzyskuje różne i użyteczne zachowania.
Dioda złącza P-N
Złącze P-N, w przeciwieństwie do każdego materiału z osobna, nie działa jak przewodnik. Zamiast zezwalać na przepływ prądu w dowolnym kierunku, złącze P-N umożliwia przepływ prądu tylko w jednym kierunku, tworząc podstawową diodę.
Przyłożenie napięcia na złączu P-N w kierunku do przodu (przesunięcie w przód) pomaga elektronom w obszarze typu N połączyć się z dziurami w obszarze typu P. Próba odwrócenia przepływu prądu (reverse bias) przez diodę powoduje rozsunięcie elektronów i dziur, co zapobiega przepływowi prądu przez złącze. Łączenie złączy P-N w inny sposób otwiera drzwi do innych elementów półprzewodnikowych, takich jak tranzystor.
Tranzystory
Podstawowy tranzystor jest wykonany z połączenia trzech materiałów typu N i P, a nie dwóch użytych w diodzie. Połączenie tych materiałów daje tranzystory NPN i PNP, znane jako bipolarne tranzystory złączowe (BJT). Środkowy lub bazowy obszar BJT pozwala tranzystorowi działać jako przełącznik lub wzmacniacz.
Tranzystory NPN i PNP wyglądają jak dwie diody umieszczone tyłem do siebie, które blokują przepływ prądu w dowolnym kierunku. Gdy warstwa środkowa jest spolaryzowana do przodu, tak że mały prąd przepływa przez warstwę środkową, właściwości diody utworzonej z warstwą środkową zmieniają się, aby umożliwić przepływ większego prądu przez całe urządzenie. Takie zachowanie daje tranzystorowi możliwość wzmacniania małych prądów i działania jako przełącznik, który włącza lub wyłącza źródło prądu.
Wiele typów tranzystorów i innych urządzeń półprzewodnikowych powstaje w wyniku łączenia złączy P-N na kilka sposobów, od zaawansowanych tranzystorów o specjalnych funkcjach po sterowane diody. Oto kilka elementów wykonanych ze starannych kombinacji złączy P-N:
- DIAC
- Dioda laserowa
- Dioda elektroluminescencyjna (LED)
- Dioda Zenera
- Tranzystor Darlington
- Tranzystor polowy (w tym MOSFET)
- Tranzystor IGBT
- Prostownik sterowany silikonem
- Układ scalony
- Mikroprocesor
- Pamięć cyfrowa (RAM i ROM)
Czujniki
Oprócz bieżącej kontroli, na którą pozwalają półprzewodniki, półprzewodniki mają również właściwości, które zapewniają efektywne czujniki. Mogą być one wrażliwe na zmiany temperatury, ciśnienia i światła. Zmiana rezystancji jest najczęstszym rodzajem odpowiedzi czujnika półprzewodnikowego.
Rodzaje czujników możliwych dzięki właściwościom półprzewodników obejmują:
- Czujnik efektu Halla (czujnik pola magnetycznego)
- Termistor (rezystancyjny czujnik temperatury)
- CCD/CMOS (przetwornik obrazu)
- Fotodioda (czujnik światła)
- Fotorezystor (czujnik światła)
- Piezorezystancyjny (czujniki ciśnienia/odkształcenia)
