Moderne teknologi er muliggjort takket være en klasse av materialer som kalles halvledere. Alle aktive komponenter, integrerte kretser, mikrochips, transistorer, samt mange sensorer er bygget med halvledermaterialer. Mens silisium er det mest brukte og mest kjente halvledermaterialet som brukes i elektronikk, er et bredt spekter av halvledere brukt, inkludert Germanium, Gallium Arsenide, Silicon Carbide, samt organiske halvledere. Hvert materiale gir visse fordeler til bordet, for eksempel kostnad / ytelsesforhold, høyhastighetsoperasjon, høy temperatur eller ønsket respons på et signal.
halvledere
Det som gjør halvledere så nyttige, er evnen til å presist kontrollere deres elektriske egenskaper og oppførsel under produksjonsprosessen. Halvlederegenskaper styres ved å legge små mengder urenheter i halvlederen gjennom en prosess som kalles doping, med forskjellige urenheter og konsentrasjoner som gir forskjellige effekter. Ved å kontrollere dopingen kan måten en elektrisk strøm beveger seg gjennom en halvleder, styres.
I en typisk dirigent, som kobber, bærer elektroner strømmen og fungerer som ladningsbærer. I halvledere fungerer både elektroner og "hull", fraværet av et elektron, som ladetransportører. Ved å kontrollere doping av halvleder, ledningsevne og ladningsbærer kan det skreddersys for å være enten elektron eller hullbasert.
Det finnes to typer doping, N-type og P-type. Dopanter av typen N, typisk fosfor eller arsen, har fem elektroner, som ved tilsetning til en halvleder gir en ekstra fri elektron. Siden elektroner har en negativ ladning, kalles en materiale dopet på denne måten N-type. P-type dopanter, slik som bor og gallium, har kun tre elektroner som resulterer i fravær av en elektron i halvlederkrystallen, som effektivt lager et hull eller en positiv ladning, derav navnet P-typen. Både N-type og P-type dopanter, selv i små mengder, vil gjøre en halvleder en anstendig leder. Imidlertid er halvledere av typen N-type og P-type ikke spesielt spesielle, de er bare anstendige ledere. Men når du plasserer dem i kontakt med hverandre, danner en P-N krysset, får du noen veldig forskjellige og veldig nyttige oppføringer.
P-N Junction Diode
Et P-N kryss, i motsetning til hvert materiale separat, virker ikke som en leder. I stedet for at strømmen kan strømme i begge retninger, tillater en P-N krysset bare strømmen i én retning, og danner en grunndiode. Ved å bruke spenning over et P-N-kryss i fremoverretningen (fremoverforspenning), hjelper elektronene i regionen N-typen med hullene i P-typen regionen. Forsøk på å reversere strømmen av strømmen (revers bias) gjennom dioden tvinger elektronene og hullene fra hverandre som hindrer strømmen fra å strømme over krysset. Kombinere P-N krysser på andre måter åpner dørene til andre halvlederkomponenter, for eksempel transistoren.
transistorer
En grunnleggende transistor er laget av kombinasjonen av krysset av tre typer av N-type og P-type i stedet for de to som brukes i en diode. Kombinering av disse materialene gir NPN- og PNP-transistorer som er kjent som bipolære kryss-transistorer eller BJTer. Senteret eller basen, regionen BJT, gjør at transistoren kan fungere som en bryter eller forsterker.
Mens NPN og PNP transistorer kan se ut som to dioder plassert tilbake til baksiden, noe som ville blokkere alle strømmer fra å strømme i begge retninger. Når midtlaget er forspent slik at en liten strøm strømmer gjennom senterlaget, endres egenskapene til dioden som er dannet med senterlaget, slik at en mye større strøm kan strømme over hele enheten. Denne oppførelsen gir en transistor muligheten til å forsterke små strømmer og å fungere som en bryter som setter en strømkilde på eller av.
En rekke typer transistorer og andre halvledere kan gjøres ved å kombinere P-N-kryss på flere måter, fra avanserte, spesialfunksjonstransistorer til kontrollerte dioder. Følgende er bare noen få av komponentene laget av forsiktige kombinasjoner av P-N kryss.
- DIAC
- Laser diode
- Lysdiode (LED)
- Zener diode
- Darlington transistor
- Felt-effekt transistor, inkludert MOSFETs
- IGBT transistor
- Silikonstyrt likeretter (SCR)
- Integrert krets (IC)
- mikroprosessor
- Digitalt minne - RAM og ROM
sensorer
I tillegg til den nåværende kontrollen som halvledere tillater, har de også egenskaper som gir effektive sensorer. De kan gjøres for å være følsomme for endringer i temperatur, trykk og lys. En modstandsendring er den vanligste typen respons for en halvledende sensor. Noen av de typene sensorer som er mulig ved hjelp av halvlederegenskaper, er oppført nedenfor.
- Hall effekt sensor (magnetfelt sensor)
- Termistor (resistiv temperatursensor)
- CCD / CMOS (bildesensor)
- Fotodiode (lyssensor)
- Fotoresistor (lyssensor)
- Piezoresistive (trykk / belastningssensorer)
