Modern teknik är möjlig tack vare en klass av material som kallas halvledare. Alla aktiva komponenter, integrerade kretsar, mikrochips, transistorer, liksom många sensorer är byggda med halvledarmaterial. Medan kisel är det mest använda och mest kända halvledarmaterialet som används i elektronik, används ett brett spektrum av halvledare, inklusive Germanium, Gallium Arsenide, Silicon Carbide, samt organiska halvledare. Varje material ger vissa fördelar till bordet, såsom kostnad / prestanda förhållande, höghastighetsoperation, hög temperatur eller önskat svar på en signal.
halvledare
Vad som gör halvledarna så användbara är möjligheten att exakt styra deras elektriska egenskaper och beteende under tillverkningsprocessen. Halvledaregenskaper styrs genom att lägga små mängder föroreningar i halvledaren genom en process som kallas dopning, med olika föroreningar och koncentrationer som ger olika effekter. Genom att styra dopningen kan sättet som en elektrisk ström rör sig genom en halvledare styras.
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 kan ledningsförmågan och laddningsbäraren skräddarsys för att vara antingen elektron eller hålbaserad.
Det finns två typer av dopning, N-typ och P-typ. Dopmedel av typ N, typiskt fosfor eller arsenik, har fem elektroner, som vid tillsättning till en halvledare ger en extra fri elektron. Eftersom elektroner har en negativ laddning kallas en materialdopad på detta sätt N-typ. Dopmedel av P-typ, såsom bor och gallium, har bara tre elektroner som resulterar i frånvaro av en elektron i halvledarkristalen, vilket effektivt skapar ett hål eller en positiv laddning, därav namnet P-typ. Både dopmedel av typen N-typ och P-typ, även i små kvantiteter, kommer att göra en halvledare till en anständig ledare. Halvledare av typen N-typ och P-typ är dock inte särskilt speciella, det är bara anständiga ledare. När du placerar dem i kontakt med varandra, bildar du en P-N-korsning, men du får några väldigt olika och mycket användbara beteenden.
P-N-kopplingsdioden
En P-N-korsning, till skillnad från varje material separat, fungerar inte som en ledare. Snarare än att tillåta ström att strömma i båda riktningarna, tillåter en P-N-korsning endast ström att flöda i en riktning, vilket skapar en grundläggande diod. Att applicera en spänning över ett P-N-knutpunkt i framåtriktningen (framåtriktad bias) hjälper elektronerna i regionen N-typen att kombinera med hålen i P-typregionen. Försök att vända strömflödet (omvänd bias) genom dioden tvingar elektronerna och hålen från varandra som förhindrar ström från att strömma över korsningen. Kombinera P-N-korsningar på andra sätt öppnar dörrarna till andra halvledarkomponenter, såsom transistorn.
transistorer
En grundläggande transistor tillverkas av kombinationen av korsningen av tre material av typen N-typ och P-typ i stället för de två som används i en diod. Kombinering av dessa material ger NPN- och PNP-transistorerna, vilka är kända som bipolära sammankopplingstransistorer eller BJT. Centret eller basen, regionen BJT, tillåter transistorn att fungera som en strömbrytare eller förstärkare.
Medan NPN och PNP-transistorer kan se ut som två dioder placerade bakåt, vilket skulle blockera all ström från att flöda i båda riktningarna. När mittskiktet är framåtförspänt så att en liten ström strömmar genom mittskiktet ändras egenskaperna hos dioden som bildas med mittskiktet för att tillåta en mycket större ström att strömma över hela enheten. Detta beteende ger en transistor förmågan att förstärka små strömningar och att fungera som en strömbrytare som sätter en strömkälla på eller av.
En mängd olika transistorer och andra halvledaranordningar kan tillverkas genom att kombinera P-N-korsningar på flera sätt, från avancerade specialfunktionstransistorer till kontrollerade dioder. Följande är bara några av komponenterna tillverkade av noggranna kombinationer av P-N-kryssningar.
- DIAC
- Laserdiod
- Lysdioder (LED)
- Zener diode
- Darlington transistor
- Fälteffekttransistor, inklusive MOSFET
- IGBT-transistor
- Silikonstyrd likriktare (SCR)
- Integrerad krets (IC)
- Mikroprocessor
- Digitalt minne - RAM och ROM
sensorer
Förutom den nuvarande kontrollen som halvledarna tillåter, har de också egenskaper som gör det möjligt för effektiva sensorer. De kan göras för att vara känsliga för temperatur-, tryck- och ljusförändringar. En modståndsändring är den vanligaste typen av respons för en halvledande sensor. Några av de typer av sensorer som möjliggörs av halvledaregenskaper listas nedan.
- Hall effekt sensor (magnetfält sensor)
- Termistor (resistiv temperatursensor)
- CCD / CMOS (bildsensor)
- Fotodiod (ljussensor)
- Photoresistor (ljussensor)
- Piezoresistive (tryck / spänningssensorer)
