Polprevodniške osnove
Pregled
Moderna tehnologija je omogočena zaradi vrste materialov, imenovane polprevodniki. Vse aktivne komponente, integrirana vezja, mikročipi, tranzistorji in številni senzorji so izdelani iz polprevodniških materialov. Medtem ko je silikon najbolj razširjen in najbolj znan polprevodniški material, ki se uporablja v elektroniki, se uporablja širok spekter polprevodnikov, vključno z nemilijskim, galijevim arzenidom, silicijevim karbidom in organskimi polprevodniki. Vsak material prinaša določene prednosti tabeli, kot so razmerje med stroški in zmogljivostjo, hitri operaciji, visoki temperaturi ali želeni odziv na signal.
Polprevodniki
Kaj je tako koristno za polprevodnike je sposobnost natančnega nadzora njihovih električnih lastnosti in vedenja med proizvodnim procesom. Polprevodniške lastnosti se nadzirajo z dodajanjem majhnih količin nečistoč v polprevodniku skozi proces, imenovan doping, z različnimi nečistotami in koncentracijami, ki proizvajajo različne učinke. Z nadzorovanjem dopinga se lahko nadzoruje način, kako se električni tok premika skozi polprevodnik.
V tipičnem prevodniku, kot baker, elektroni nosijo tok in delujejo kot nosilec polnjenja. V polprevodnikih tako elektrone kot tudi "luknje", odsotnost elektronov, delujejo kot nosilci polnjenja. Z nadzorom dopinga polprevodnika se lahko prevodnost in nosilec polnjenja prilagodita bodisi na osnovi elektronov ali lukenj.
Obstajata dve vrsti dopinga, N-tipa in P-tipa. N-tipi dopiranosti, tipično fosforja ali arzena, imajo pet elektronov, ki pa, ko so dodani polprevodniku, zagotavljajo dodaten prosti elektron. Ker imajo elektroni negativen naboj, se tako dopuščajo snovi, imenovane N-tipa. P-tipa dopanti, kot so bor in galij, imajo le tri elektrone, kar povzroči odsotnost elektronov v polprevodniškem kristalu, kar ustvarja luknjo ali pozitivno naboj, torej ime P-tipa. Tako dopingi tipa N in tipa tipa P, tudi v majhnih količinah, naredijo polprevodnik dostojnega prevodnika. Vendar polprevodniki N-tipa in P-tipa niso zelo posebni, saj so le dostojni vodniki. Vendar, ko jih postavite med seboj v stik, oblikujete PN spoj, dobite nekaj zelo različnega in zelo uporabnega vedenja.
DN povezovalna dioda
PN spoj, za razliko od vsakega posameznega materiala, ne deluje kot vodnik. Namesto da bi tok lahko potekal v obe smeri, PN stik samo omogoča tok, da teče v eni smeri, tako da se ustvari osnovna dioda. Uporaba napetosti preko PN-spajanja v smeri naprej (naprej pristranskost) pomaga elektronom v območju N-tipa, da se kombinirajo z luknjami v območju P-tipa. Poskušanje obrniti tok toka (povratne predsodke) skozi diode sili elektronov in lukenj, ki preprečujejo tok, da teče čez križišče. Združevanje PN križanj na druge načine odpira vrata drugim polprevodniškim komponentam, kot je tranzistor.
Tranzistorji
Osnovni tranzistor je izdelan iz kombinacije stičišča treh materialov vrste N in tipa P, namesto dveh, uporabljenih v diodi. Kombinacija teh materialov daje NPN in PNP tranzistorje, ki so znani kot tranzistorji bipolarne povezave ali BJT. Središče ali podnožje BJT omogoča tranzistorju, da deluje kot stikalo ali ojačevalnik.
Medtem ko sta tranzistorji NPN in PNP lahko videti kot dve diodi, nameščenih nazaj na hrbet, kar bi blokiralo vse tokove, ki tečejo v obe smeri. Ko je osrednji sloj usmerjen naprej, tako da majhen tok teče skozi središčno plast, se spremenijo lastnosti diode, oblikovane s središčnim slojem, ki omogoča precej večji tok skozi celotno napravo. To vedenje daje tranzistoru zmožnost ojačanja majhnih tokov in deluje kot stikalo, ki vklaplja ali izklaplja trenutni vir.
Različne vrste tranzistorjev in drugih polprevodniških naprav lahko izdelamo z združevanjem PN križanj na različne načine, od naprednih tranzistorjev s posebnimi funkcijami do kontroliranih diode. Sledi le nekaj komponent, izdelanih iz skrbnih kombinacij PN križišč.
- DIAC
- Laserska dioda
- Svetleča dioda (LED)
- Zener diode
- Darlingtonov tranzistor
- Tranzistor na polju, vključno s MOSFET-i
- IGBT tranzistor
- Silikonski usmerjeni usmernik (SCR)
- Integrirano vezje (IC)
- Mikroprocesor
- Digitalni pomnilnik - RAM in ROM
Senzorji
Poleg trenutnega nadzora, ki ga omogočajo polprevodniki, imajo tudi lastnosti, ki omogočajo učinkovite senzorje. Lahko so občutljivi na spremembe temperature, pritiska in svetlobe. Sprememba odpornosti je najpogostejša vrsta odziva za polprevodniški senzor. Spodaj so navedene nekatere vrste senzorjev, ki jih omogočajo polprevodniške lastnosti.
- Senzor dvoranskega učinka (senzor magnetnega polja)
- Termistor (uporovni temperaturni senzor)
- CCD / CMOS (senzor slike)
- Fotodioda (svetlobni senzor)
- Fotoresistor (svetlobni senzor)
- Piezoresistivni (senzorji tlaka / senzorja)