Nowoczesna technologia jest możliwa dzięki klasie materiałów nazywanych półprzewodnikami. Wszystkie aktywne komponenty, układy scalone, mikroprocesory, tranzystory, a także wiele czujników zbudowane są z materiałów półprzewodnikowych. Podczas gdy krzem jest najszerzej stosowanym i najlepiej znanym materiałem półprzewodnikowym stosowanym w elektronice, stosuje się szeroką gamę półprzewodników, w tym german, arsenek galu, węglik krzemu, a także organiczne półprzewodniki. Każdy materiał ma pewne zalety, takie jak stosunek kosztów do wydajności, szybka praca, wysoka temperatura lub pożądana reakcja na sygnał.
Półprzewodniki
Tym, co sprawia, że półprzewodniki są tak przydatne, jest możliwość precyzyjnej kontroli ich właściwości elektrycznych i zachowania podczas procesu produkcyjnego. Właściwości półprzewodników są kontrolowane przez dodanie niewielkich ilości zanieczyszczeń w półprzewodniku poprzez proces zwany domieszkowaniem, z różnymi zanieczyszczeniami i stężeniami wywołującymi różne efekty. Kontrolując doping można kontrolować sposób poruszania się prądu elektrycznego przez półprzewodnik.
W typowym przewodniku, takim jak miedź, elektrony przenoszą prąd i działają jako nośnik ładunku. W półprzewodnikach elektrony i "dziury", czyli brak elektronu, działają jako nośniki ładunku. Kontrolując domieszkowanie półprzewodnika, przewodnictwo i nośnik ładunku mogą być dostosowane do elektronów lub do otworów.
Istnieją dwa typy domieszkowania, typu N i typu P. Domieszki typu N, zazwyczaj fosforowe lub arsenowe, mają pięć elektronów, które po dodaniu do półprzewodnika zapewniają dodatkowy wolny elektron. Ponieważ elektrony mają ładunek ujemny, materiał domieszkowany w ten sposób jest nazywany typem N. Domieszki typu P, takie jak bor i galu, mają tylko trzy elektrony, co skutkuje brakiem elektronu w krysztale półprzewodników, skutecznie tworząc dziurę lub ładunek dodatni, stąd nazwa P-type. Zarówno domieszki typu N, jak i typu P, nawet w niewielkich ilościach, sprawią, że półprzewodnik będzie przyzwoitym przewodnikiem. Jednakże, półprzewodniki typu N i typu P nie są same w sobie wyjątkowe, ponieważ są po prostu przyzwoitymi przewodnikami. Jednak gdy umieścisz je w kontakcie ze sobą tworząc skrzyżowanie P-N, otrzymasz bardzo różne i bardzo użyteczne zachowania.
Dioda złącza P-N
Złącze P-N, w przeciwieństwie do każdego materiału osobno, nie działa jak dyrygent. Zamiast zezwalania na przepływ prądu w obu kierunkach, połączenie P-N pozwala tylko na przepływ prądu w jednym kierunku, tworząc podstawową diodę. Nałożenie napięcia na złącze P-N w kierunku do przodu (odchylenie do przodu) pomaga elektronom w regionie typu N połączyć się z otworami w regionie typu P. Próba odwrócenia przepływu prądu (odwrócenie kierunku) przez diodę, wymusza rozdzielenie elektronów i otworów, które zapobiegają przepływowi prądu przez złącze. Łączenie połączeń P-N w inny sposób otwiera drzwi do innych elementów półprzewodnikowych, takich jak tranzystor.
Tranzystory
Podstawowy tranzystor wykonany jest z połączenia skrzyżowania trzech materiałów typu N i typu P zamiast dwóch stosowanych w diodzie. Połączenie tych materiałów daje tranzystory NPN i PNP, które są znane jako tranzystory bipolarne lub BJT. Centrum lub baza BJT pozwala tranzystorowi działać jako przełącznik lub wzmacniacz.
Podczas gdy tranzystory NPN i PNP mogą wyglądać jak dwie diody umieszczone z powrotem do tyłu, co blokowałoby przepływ prądu w dowolnym kierunku. Kiedy środkowa warstwa jest przesunięta do przodu tak, że niewielki prąd przepływa przez środkową warstwę, właściwości diody utworzonej wraz z centralną warstwą zmieniają się, aby umożliwić przepływ znacznie większego prądu w całym urządzeniu. Takie zachowanie daje tranzystorowi możliwość wzmacniania małych prądów i działania jako przełącznik włączający lub wyłączający obecne źródło.
Różnorodne typy tranzystorów i innych urządzeń półprzewodnikowych można wytwarzać łącząc złącza P-N na wiele sposobów, od zaawansowanych tranzystorów specjalnych do diod kontrolowanych. Poniżej przedstawiono tylko niektóre elementy wykonane z ostrożnych kombinacji połączeń P-N.
- DIAC
- Dioda laserowa
- Dioda emitująca światło (LED)
- Dioda Zenera
- Tranzystor Darlington
- Tranzystor polowy, w tym tranzystory MOSFET
- Tranzystor IGBT
- Sterowany krzemem prostownik (SCR)
- Układ scalony (układy scalone)
- Mikroprocesor
- Pamięć cyfrowa - RAM i ROM
Czujniki
Oprócz aktualnej kontroli, na którą pozwalają półprzewodniki, mają one również właściwości, które sprawiają, że skuteczne czujniki. Można je uczynić wrażliwymi na zmiany temperatury, ciśnienia i światła. Zmiana rezystancji jest najczęstszym typem odpowiedzi dla czujnika półprzewodnikowego. Kilka rodzajów czujników, które są możliwe dzięki właściwościom półprzewodników, podano poniżej.
- Czujnik Halla (czujnik pola magnetycznego)
- Termistor (rezystancyjny czujnik temperatury)
- CCD / CMOS (czujnik obrazu)
- Fotodioda (czujnik światła)
- Fotorezystor (czujnik światła)
- Piezorezystywne (czujniki nacisku / odkształcenia)
