Modern teknik är möjlig tack vare en klass av material som kallas halvledare. Alla aktiva komponenter, integrerade kretsar, mikrochips, transistorer och många sensorer är byggda med halvledarmaterial.
Medan kisel är det mest använda halvledarmaterialet inom elektronik, används en rad halvledare, inklusive germanium, galliumarsenid, kiselkarbid och organiska halvledare. Varje material har fördelar som kostnad-till-prestanda-förhållande, höghastighetsdrift, hög temperaturtolerans eller önskad respons på en signal.
Semiconductors
Halvledare är användbara eftersom ingenjörer kontrollerar de elektriska egenskaperna och beteendet under tillverkningsprocessen. Halvledaregenskaper kontrolleras genom att tillsätta små mängder föroreningar i halvledaren genom en process som kallas doping. Olika föroreningar och koncentrationer ger olika effekter. Genom att kontrollera dopningen kan hur elektrisk ström rör sig genom en halvledare kontrolleras.
I en typisk ledare, som koppar, bär elektroner strömmen och fungerar som laddningsbärare. I halvledare fungerar både elektroner och hål (frånvaron av en elektron) som laddningsbärare. Genom att styra dopningen av halvledaren skräddarsys konduktiviteten och laddningsbäraren för att vara antingen elektron- eller hålbaserade.
Det finns två typer av dopning:
- N-typ dopmedel, vanligtvis fosfor eller arsenik, har fem elektroner, som, när de läggs till en halvledare, ger en extra fri elektron. Eftersom elektroner har en negativ laddning kallas ett material som dopats på detta sätt N-typ.
- Dopmedel av P-typ, såsom bor och gallium, har tre elektroner, vilket resulterar i frånvaron av en elektron i halvledarkristallen. Detta skapar ett hål eller en positiv laddning, därav namnet P-type.
Både dopmedel av N-typ och P-typ, även i små mängder, gör en halvledare till en anständig ledare. Halvledare av N-typ och P-typ är dock inte speciella och är bara anständiga ledare. När dessa typer placeras i kontakt med varandra och bildar en P-N-övergång, får en halvledare olika och användbara beteenden.
The P-N Junction Diode
En P-N-övergång, till skillnad från varje material separat, fungerar inte som en ledare. Istället för att tillåta ström att flyta i endera riktningen tillåter en P-N-övergång ström att flyta i endast en riktning, vilket skapar en grundläggande diod.
Att anbringa en spänning över en P-N-övergång i framåtriktningen (förspänning framåt) hjälper elektronerna i N-typsregionen att kombineras med hålen i P-typregionen. Ett försök att vända strömflödet (omvänd bias) genom dioden tvingar isär elektronerna och hålen, vilket förhindrar ström från att flöda över korsningen. Genom att kombinera P-N-övergångar på andra sätt öppnas dörrarna till andra halvledarkomponenter, såsom transistorn.
transistorer
En grundläggande transistor är gjord av kombinationen av förbindelsen mellan tre material av N-typ och P-typ snarare än de två som används i en diod. Kombinationen av dessa material ger NPN- och PNP-transistorerna, som är kända som bipolära övergångstransistorer (BJT). Mitt- eller basområdet BJT tillåter transistorn att fungera som en switch eller förstärkare.
NPN- och PNP-transistorer ser ut som två dioder placerade rygg mot rygg, vilket blockerar all ström från att flöda i endera riktningen. När mittskiktet är framåtspänt så att en liten ström flyter genom mittskiktet ändras egenskaperna hos dioden som bildas med mittskiktet för att tillåta en större ström att flyta över hela enheten. Detta beteende ger en transistor förmågan att förstärka små strömmar och fungera som en omkopplare som slår på eller av en strömkälla.
Många typer av transistorer och andra halvledarenheter är resultatet av att kombinera P-N-övergångar på flera sätt, från avancerade transistorer med specialfunktioner till styrda dioder. Följande är några av komponenterna gjorda av noggranna kombinationer av P-N-korsningar:
- DIAC
- Laserdiod
- Ljusemitterande diod (LED)
- Zenerdiod
- Darlington-transistor
- Fälteffekttransistor (inklusive MOSFETs)
- IGBT-transistor
- Siliconstyrd likriktare
- Integrerad krets
- Mikroprocessor
- Digit alt minne (RAM och ROM)
Sensorer
Utöver den nuvarande styrningen som halvledare tillåter, har halvledare också egenskaper som ger effektiva sensorer. Dessa kan göras för att vara känsliga för förändringar i temperatur, tryck och ljus. En förändring i resistans är den vanligaste typen av respons för en halvledande sensor.
De typer av sensorer som möjliggörs av halvledaregenskaper inkluderar:
- Halleffektsensor (magnetfältsensor)
- Termistor (resistiv temperatursensor)
- CCD/CMOS (bildsensor)
- Fotodiod (ljussensor)
- Fotoresistor (ljussensor)
- Piezoresistiv (tryck-/töjningssensorer)
