Современные технологии стали возможными благодаря классу материалов, называемых полупроводниками. Все активные компоненты, интегральные схемы, микросхемы, транзисторы и многие датчики изготовлены из полупроводниковых материалов.
Хотя кремний является наиболее широко используемым полупроводниковым материалом в электронике, используется ряд полупроводников, включая германий, арсенид галлия, карбид кремния и органические полупроводники. Каждый материал имеет свои преимущества, такие как соотношение цены и качества, высокая скорость работы, устойчивость к высоким температурам или желаемый отклик на сигнал.
Полупроводники
Полупроводники полезны, потому что инженеры контролируют электрические свойства и поведение во время производственного процесса. Свойства полупроводников контролируются путем добавления небольшого количества примесей в полупроводник посредством процесса, называемого легированием. Различные примеси и концентрации производят различные эффекты. Управляя легированием, можно контролировать движение электрического тока через полупроводник.
В типичном проводнике, таком как медь, электроны переносят ток и действуют как носители заряда. В полупроводниках как электроны, так и дырки (отсутствие электрона) действуют как носители заряда. Управляя легированием полупроводника, проводимость и носитель заряда настраиваются либо на основе электронов, либо на основе дырок.
Допинг бывает двух видов:
- Примеси N-типа, обычно фосфор или мышьяк, имеют пять электронов, которые при добавлении в полупроводник обеспечивают дополнительный свободный электрон. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, легированный таким образом материал называется N-типом.
- Примеси P-типа, такие как бор и галлий, имеют три электрона, что приводит к отсутствию электрона в полупроводниковом кристалле. Это создает дырку или положительный заряд, отсюда и название P-типа.
Примеси как N-типа, так и P-типа, даже в незначительных количествах, делают полупроводник приличным проводником. Однако полупроводники N-типа и P-типа не являются особыми и являются лишь приличными проводниками. Когда эти типы соприкасаются друг с другом, образуя PN-переход, полупроводник приобретает различные и полезные свойства.
Диод P-N перехода
Соединение P-N, в отличие от каждого материала в отдельности, не ведет себя как проводник. Вместо того, чтобы позволить току течь в любом направлении, P-N переход позволяет току течь только в одном направлении, создавая базовый диод.
Прикладывание напряжения к PN-переходу в прямом направлении (прямое смещение) помогает электронам в области N-типа соединиться с дырками в области P-типа. Попытка изменить направление тока (обратное смещение) через диод разъединяет электроны и дырки, что препятствует протеканию тока через переход. Комбинирование P-N переходов другими способами открывает двери для других полупроводниковых компонентов, таких как транзистор.
Транзисторы
Базовый транзистор состоит из соединения трех материалов N-типа и P-типа, а не двух, используемых в диоде. Комбинация этих материалов дает транзисторы NPN и PNP, которые известны как транзисторы с биполярным переходом (BJT). Центральная или базовая область BJT позволяет транзистору действовать как переключатель или усилитель.
Транзисторы NPN и PNP выглядят как два диода, расположенных спина к спине, которые блокируют протекание всего тока в любом направлении. Когда центральный слой смещен в прямом направлении, так что небольшой ток протекает через центральный слой, свойства диода, образованного центральным слоем, изменяются, позволяя большему току течь через все устройство. Такое поведение дает транзистору возможность усиливать небольшие токи и действовать как переключатель, который включает или выключает источник тока.
Многие типы транзисторов и других полупроводниковых устройств являются результатом комбинирования P-N переходов несколькими способами, от усовершенствованных транзисторов специального назначения до управляемых диодов. Ниже приведены некоторые компоненты, сделанные из тщательно подобранных комбинаций P-N переходов:
- ДИАК
- Лазерный диод
- Светодиод (LED)
- Зинеровский диод
- Транзистор Дарлингтона
- Полевой транзистор (включая MOSFET)
- IGBT-транзистор
- Выпрямитель с кремниевым управлением
- Интегральная схема
- Микропроцессор
- Цифровая память (RAM и ROM)
Датчики
В дополнение к контролю тока, который позволяют полупроводники, полупроводники также обладают свойствами, которые делают их эффективными датчиками. Их можно сделать чувствительными к изменениям температуры, давления и света. Изменение сопротивления является наиболее распространенным типом отклика полупроводникового датчика.
Типы датчиков, которые стали возможными благодаря полупроводниковым свойствам, включают:
- Датчик Холла (датчик магнитного поля)
- Термистор (резистивный датчик температуры)
- CCD/CMOS (датчик изображения)
- Фотодиод (датчик освещенности)
- Фоторезистор (датчик освещенности)
- Пьезорезистивные (датчики давления/деформации)
