Osnove poluvodiča
Pregled
Moderna tehnologija je omogućena zahvaljujući klasi materijala zvanih poluvodiča. Sve aktivne komponente, integrirani krugovi, mikročipovi, tranzistori, kao i mnogi senzori izrađeni su s poluvodičkim materijalima. Dok je silicij najčešće korišten i najpoznatiji poluvodički materijal koji se koristi u elektronici, koristi se širok spektar poluvodiča, uključujući Germanium, Gallium Arsenide, Silicon Carbide, kao i organske poluvodiče. Svaki materijal donosi određene prednosti za stol, kao što su omjer troškova i performansi, brzina rada, visoka temperatura ili željeni odgovor na signal.
Poluvodiči
Ono što čini poluvodiče tako korisnim je mogućnost precizne kontrole njihovih električnih svojstava i ponašanja tijekom proizvodnog procesa. Poluvodička svojstva se kontroliraju dodavanjem malih količina nečistoća u poluvodiču kroz proces koji se zove doping, s različitim nečistoćama i koncentracijama koje proizvode različite efekte. Kontroliranjem dopinga, može se kontrolirati način električne struje kroz poluvodič.
U tipičnom vodiču, poput bakra, elektroni nose struju i djeluju kao nosač naboja. U poluvodičima, i elektroni i "rupe", odsutnost elektrona, djeluju kao nosači naboja. Kontroliranjem dopinga poluvodiča, vodljivost i nosač naboja mogu biti prilagođeni da budu bilo elektrona ili rupa na bazi.
Postoje dvije vrste dopinga, N-tipa i P-tipa. N-tip dopaini, obično fosfor ili arsen, imaju pet elektrona koji, kada se dodaju poluvodiču, osiguravaju dodatni slobodni elektron. Budući da elektroni imaju negativan naboj, materijal dopiran na ovaj način naziva se N-tipa. P-vrste dopaina, kao što su bor i galij, imaju samo tri elektrona koji rezultiraju odsustvom elektrona u kristalu poluvodiča, učinkovito stvarajući rupu ili pozitivan naboj, pa stoga naziv P-tip. Oba tipa N i tipa P, čak iu malim količinama, čine poluvodič pristojnim dirigentom. Međutim, poluvodiči N i P tipa nisu sami po sebi posebni, samo su pristojni dirigenti. Međutim, kada ih stavite u kontakt jedni s drugima, stvarajući PN spoj, dobivate vrlo različita i vrlo korisna ponašanja.
PN dioda dioda
PN spoj, za razliku od svakog materijala odvojeno, ne djeluje kao dirigent. Umjesto da dopusti da struja teče u oba smjera, PN spajanje dopušta samo strujanje da struji u jednom smjeru, stvarajući osnovnu diodu. Primjenom napona preko PN spoja u smjeru naprijed (pomak prema naprijed) pomaže elektrone u regiji N tipa kombinirati s rupama u regiji P-tipa. Pokušaj preokrenuti strujanje struje (preokrenuti pristranost) preko diode prisiljava elektrone i rupe da se spriječi da struja teče preko spoja. Kombiniranje PN spojeva na druge načine otvara vrata ostalim dijelovima poluvodiča, poput tranzistora.
tranzistori
Osnovni tranzistor je napravljen od kombinacije spoja tri N-tipa i P-tipa materijala, a ne dva koriste u diodu. Kombiniranje tih materijala daje NPN i PNP tranzistore koji su poznati kao bipolarni spojni tranzistori ili BJTs. Središte ili baza, područje BJT omogućuje da tranzistor djeluje kao prekidač ili pojačalo.
Dok NPN i PNP tranzistori mogu izgledati kao dvije diode postavljene natrag na leđa, što bi blokiralo sav strujanje od teče u bilo kojem smjeru. Kada je središnji sloj prednapisan naprijed tako da male struje teče kroz središnji sloj, svojstva diode formirane s središnjim slojem mijenjaju se tako da omogućuju mnogo veću struju da protječe čitav uređaj. Ovo ponašanje daje tranzistoru sposobnost da pojača male struje i da djeluje kao prekidač koji pretvara strujni izvor na ili on.
Različiti tipovi tranzistora i drugih poluvodičkih uređaja mogu se izraditi kombiniranjem PN spojeva na više načina, od naprednih, specijalnih funkcijskih tranzistora do kontroliranih dioda. Sljedeće su samo neke od komponenti napravljene od pažljivih kombinacija PN veza.
- DIAC
- Laserska dioda
- Svjetleća dioda (LED)
- Zener dioda
- Darlingtonov tranzistor
- Tranzistor s terenskim efektom, uključujući MOSFET
- IGBT tranzistor
- Silicijski kontrolirani ispravljač (SCR)
- Integrirani krug (IC)
- Mikroprocesor
- Digitalna memorija - RAM i ROM
senzori
Osim trenutne kontrole koju poluvodiči omogućuju, oni također imaju svojstva koja čine učinkovite senzore. Mogu biti osjetljivi na promjene temperature, tlaka i svjetlosti. Promjena otpora najčešća je vrsta odgovora za poluvodljivi senzor. Nekoliko je vrsta senzora omogućeno poluvodičkim svojstvima navedene u nastavku.
- Hallov efekt senzora (senzor magnetskog polja)
- Termistor (brtveni osjetnik temperature)
- CCD / CMOS (senzor slike)
- Fotodioda (svjetlosni senzor)
- Fotoresistor (svjetlosni senzor)
- Piezoresistivi (senzori tlaka / naprezanja)