Základy polovodičů
Přehled
Moderní technologie je možné díky třídě materiálů, které se nazývají polovodiče. Všechny aktivní součásti, integrované obvody, mikročipy, tranzistory, stejně jako mnoho senzorů jsou zhotoveny z polovodičových materiálů. Zatímco křemík je nejrozšířenějším a nejznámějším polovodičovým materiálem používaným v elektronice, používá se široká škála polovodičů včetně germania, gallium arsenidu, křemíku karbidu a organických polovodičů. Každý materiál přináší určité výhody, jako je poměr nákladů / výkonu, vysokorychlostní provoz, vysoká teplota nebo požadovaná odezva na signál.
Polovodiče
Co dělá polovodiče tak užitečné, je schopnost přesně řídit jejich elektrické vlastnosti a chování během výrobního procesu. Polovodičové vlastnosti jsou řízeny přidáním malých množství nečistot do polovodičů procesem nazývaným doping, s různými nečistotami a koncentracemi, které produkují různé efekty. Řízením dopingu lze řídit způsob, jakým proudí elektrický proud přes polovodič.
V typickém dirigentu, jako je měď, elektrony nesou proud a působí jako nosič náboje. V polovodičích působí jak elektrony, tak "otvory", nepřítomnost elektronu, jako nosiče náboje. Řízením dopingu polovodičů může být vodivost a nosič náboje přizpůsobeny tak, aby byly buď na bázi elektronů nebo na díry.
Existují dva typy dopingu, typu N a typu P. Přípravky typu N, typicky fosfor nebo arsen, mají pět elektronů, které při přidání k polovodiči poskytují další volné elektrony. Protože elektrony mají záporný náboj, materiál dopovaný tímto způsobem se nazývá typ N. Příměsi typu P, jako je například bór a gálie, mají jen tři elektrony, které vedou k nepřítomnosti elektronu v polovodičovém krystalu, což účinně vytváří otvor nebo kladný náboj, a proto se jmenuje P-typ. Jak příměsi typu N, tak P-typu, dokonce i v minutových množstvích, činí z polovodičů slušný vodič. Nicméně, N-typu a P-typu polovodičů nejsou velmi zvláštní samy o sobě, být prostě slušné vodiče. Nicméně, když je mezi sebou navzájem kontaktuje a vytváří PN křižovatku, dostanete velmi odlišné a velmi užitečné chování.
PN dioda spojení
PN spojka, na rozdíl od každého materiálu zvlášť, se neprojevuje jako dirigent. Spíše než to, aby proud mohl proudit v obou směrech, propojení PN umožňuje pouze tok proudem v jednom směru, čímž vznikne základní dioda. Použití napětí napříč PN křižovatkou v dopředném směru (forward bias) pomáhá elektronům v oblasti typu N kombinovat s otvory v oblasti typu P. Pokus o zvrácení toku proudu (reverzní zkreslení) diodou vyvine elektrony a otvory od sebe, které brání protékání proudu přes křižovatku. Kombinací PN spojení jinými způsoby otevírá dveře jiným polovodičovým komponentům, jako je tranzistor.
Tranzistory
Základní tranzistor je vyroben z kombinace spojení tří materiálů typu N a typu P spíše než dvou použitých v diodě. Kombinace těchto materiálů vede k tranzistorům NPN a PNP, které jsou známé jako tranzistory bipolárních spojů nebo BJT. Centrální nebo základní oblast BJT umožňuje, aby tranzistor fungoval jako spínač nebo zesilovač.
Zatímco tranzistory NPN a PNP mohou vypadat jako dvě diody umístěné dozadu, což by zabránilo tomu, aby všechny proudy proudily v obou směrech. Když je středová vrstva dopředu zkreslena tak, že protéká malým proudem středovou vrstvou, vlastnosti diody vytvořené se středovou vrstvou se změní tak, aby umožňovalo protékání mnohem většího proudu po celém zařízení. Toto chování dává tranzistoru schopnost zesilovat malé proudy a fungovat jako přepínač zapnutí nebo vypnutí zdroje proudu.
Různé typy tranzistorů a dalších polovodičových zařízení lze vyrobit kombinací PN spojení mnoha způsoby, od pokročilých tranzistorů se speciálními funkcemi až po řízené diody. Níže jsou jen některé z komponentů vyrobené z pečlivé kombinace PN křižovatek.
- DIAC
- Laserová dioda
- Světelná dioda (LED)
- Zenerova dioda
- Darlingtonův tranzistor
- Polohový tranzistor, včetně MOSFET
- IGBT tranzistor
- Usměrňovač usměrňovaný křemíkem (SCR)
- Integrovaný obvod (IO)
- Mikroprocesor
- Digitální paměť - RAM a ROM
Senzory
Vedle současného řízení, které polovodiče dovolí, mají také vlastnosti, které činí efektivní senzory. Mohou být vyrobeny tak, aby byly citlivé na změny teploty, tlaku a světla. Změna odporu je nejběžnější typ odezvy pro polovodivý snímač. Několik typů snímačů umožňovaných pomocí polovodičových vlastností je uvedeno níže.
- Snímač Hall Effect (snímač magnetického pole)
- Termistor (odporový snímač teploty)
- CCD / CMOS (obrazový snímač)
- Fotodióda (světelný senzor)
- Fotorezistor (světelný senzor)
- Piezoresistivní (snímače tlaku / deformace)