Современная технология стала возможной благодаря классу материалов, называемых полупроводниками. Все активные компоненты, интегральные схемы, микрочипы, транзисторы, а также многие датчики построены из полупроводниковых материалов. Хотя кремний является наиболее широко используемым и самым известным полупроводниковым материалом, используемым в электронике, используется широкий спектр полупроводников, включая германий, арсенид галлия, карбид кремния, а также органические полупроводники. Каждый материал приносит определенные преимущества для таблицы, такие как соотношение цена / производительность, высокоскоростная работа, высокая температура или желаемый ответ на сигнал.
Полупроводники
Что делает полупроводники настолько полезными, так это способность точно контролировать свои электрические свойства и поведение в процессе производства. Полупроводниковые свойства контролируются добавлением небольшого количества примесей в полупроводник посредством процесса, называемого легированием, с различными примесями и концентрациями, вызывающими различные эффекты. Контролируя легирование, можно контролировать способ электрического тока через полупроводник.
В типичном проводнике, подобно меди, электроны несут ток и действуют как носитель заряда. В полупроводниках действуют как электроны, так и «дырки», отсутствие электрона, как носители заряда. Контролируя легирование полупроводника, проводимость и носитель заряда могут быть адаптированы как к электрону, так и к отверстиям.
Существует два типа допинга: N-тип и P-тип. Присадки N-типа, обычно фосфор или мышьяк, имеют пять электронов, которые при добавлении в полупроводник обеспечивают дополнительный свободный электрон. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, материал, легированный таким образом, называется N-типом. Присадки типа P, такие как бор и галлий, имеют только три электрона, которые приводят к отсутствию электрона в полупроводниковом кристалле, эффективно создавая дырку или положительный заряд, отсюда и название P-типа. Присадки N-типа и P-типа, даже в минимальных количествах, сделают полупроводник достойным проводником. Однако полупроводники N-типа и P-типа сами по себе не являются особо особенными, будучи просто приличными проводниками. Однако, когда вы размещаете их в контакте друг с другом, образуя соединение P-N, вы получаете очень разные и очень полезные поведения.
Соединительный диод P-N
Соединение P-N, в отличие от каждого материала отдельно, не действует как проводник. Вместо того, чтобы пропускать ток в любом направлении, соединение P-N допускает ток только в одном направлении, создавая базовый диод. Применение напряжения на P-N-переходе в прямом направлении (прямое смещение) помогает электронам в области N-типа объединиться с отверстиями в области P-типа. Попытка обратить поток тока (обратное смещение) через диод приводит к разрыву электронов и дырок, которые препятствуют протеканию тока через соединение. Объединение P-N-переходов другими способами открывает двери для других полупроводниковых компонентов, таких как транзистор.
Транзисторы
Базовый транзистор выполнен из комбинации соединения трех материалов типа N и P-типа, а не двух, используемых в диоде. Сочетание этих материалов дает NPN и PNP-транзисторы, которые известны как биполярные переходные транзисторы или BJT. Центр или база, область BJT, позволяет транзистору действовать как переключатель или усилитель.
В то время как транзисторы NPN и PNP могут выглядеть как два диода, размещенные спина к спине, что блокирует весь ток от потока в любом направлении. Когда центральный слой смещен вперед так, что небольшой поток течет через центральный слой, свойства диода, образованного с центральным слоем, изменяются, чтобы позволить значительно большему току проходить по всему устройству. Такое поведение дает транзистору возможность усиливать малые токи и выступать в качестве переключателя, включающего или выключая источник тока.
Различные типы транзисторов и других полупроводниковых устройств могут быть созданы путем комбинирования соединений P-N несколькими способами: от передовых специализированных транзисторов до управляемых диодов. Ниже приведены лишь некоторые из компонентов, сделанных из тщательных сочетаний соединений P-N.
- DIAC
- Лазерный диод
- Светодиод (LED)
- Стабилитрон
- Дарлингтонский транзистор
- Полевой транзистор, включая МОП-транзисторы
- IGBT-транзистор
- Силиконовый управляемый выпрямитель (SCR)
- Интегральная схема (ИС)
- Микропроцессор
- Цифровая память - ОЗУ и ПЗУ
датчиков
В дополнение к текущему контролю, который позволяют полупроводники, они также обладают свойствами, которые создают эффективные датчики. Они могут быть чувствительны к изменениям температуры, давления и света. Изменение сопротивления является наиболее распространенным типом реакции для полупроводникового датчика. Ниже перечислены некоторые типы датчиков, которые были получены благодаря свойствам полупроводника.
- Датчик эффекта Холла (датчик магнитного поля)
- Термистор (резистивный датчик температуры)
- CCD / CMOS (датчик изображения)
- Фотодиод (датчик освещенности)
- Фоторезистор (датчик освещенности)
- Пьезорезистивные (датчики давления / деформации)
