Основи на полупроводниците
Преглед
Модерната технология е възможна благодарение на клас материали, наречени полупроводници. Всички активни компоненти, интегрални схеми, микрочипове, транзистори, както и много сензори са изградени от полупроводникови материали. Докато силицийът е най-широко използваният и най-известен полупроводников материал, използван в електрониката, се използва широка гама от полупроводници, включително германий, галиев арсенид, силициев карбид, както и органични полупроводници. Всеки материал носи някои предимства в таблицата, като съотношение цена / производителност, работа при висока скорост, висока температура или желаната реакция към сигнал.
Полупроводници
Това, което прави полупроводниците толкова полезна, е способността да се контролират прецизно техните електрически свойства и поведение по време на производствения процес. Полупроводниковите свойства се контролират чрез добавяне на малки количества примеси в полупроводника чрез процес, наречен допинг, с различни примеси и концентрации, които произвеждат различни ефекти. Чрез контролирането на допинга може да се контролира начина, по който се движи електрически ток през полупроводник.
В типичен проводник, като мед, електроните носят тока и действат като носител на заряд. В полупроводниците както електрони, така и "дупки", отсъствието на електрони, действат като носители на заряд. Чрез контролирането на допинга на полупроводника, проводимостта и носачът на заряда могат да бъдат пригодени да бъдат или електронни, или дупки.
Има два вида допинг, N-тип и P-тип. Добавките тип N, обикновено фосфор или арсеник, имат пет електрона, които при добавяне към полупроводник осигуряват допълнителен свободен електронен елемент. Тъй като електроните имат отрицателна заряд, материал, дозиран по този начин, се нарича N-тип. Добавките тип Р, като например бор и галий, имат само три електрона, които водят до отсъствието на електронен елемент в полупроводниковия кристал, което ефективно създава дупка или положителен заряд, откъдето идва и името P-тип. И двата вида N-тип и P-тип, дори в малки количества, ще направят полупроводник приличен диригент. Но полупроводниците тип N и P не са много специални сами по себе си, тъй като са просто прилични проводници. Въпреки това, когато ги поставяте в контакт един с друг, като образуват PN кръстопът, получавате много различни и много полезни поведения.
Диодът PN Junction
Разклонение PN, за разлика от всеки отделен материал, не действа като диригент. Вместо да позволи на тока да тече в която и да е посока, връзката PN позволява само на тока да тече в една посока, създавайки основен диод. Прилагането на напрежение през PN кръстопът в посока напред (напред пристрастие) помага на електроните от типа N-тип да се комбинират с дупките в областта тип П. Опитите да се обърне потокът от ток (обратна пристрастия) през диода насища електроните и дупките, които пречат на протичането на тока през кръстовището. Комбинирането на PN кръстовища по други начини отваря вратите към други полупроводникови компоненти, като транзистора.
Транзистори
Основният транзистор е направен от комбинацията от съединението от три N-тип и P-тип материали, а не от двата, използвани в диод. Комбинирането на тези материали води до транзистори NPN и PNP, известни като биполярни транзистори или BJTs. Централният или базовият регион BJT позволява на транзистора да действа като превключвател или усилвател.
Докато транзисторите NPN и PNP могат да изглеждат като два диода, разположени обратно на гърба, което би блокирало целия ток да тече в двете посоки. Когато централният слой се приплъзва напред, така че малък ток преминава през централния слой, свойствата на диода, образуван с централния слой, се променят, за да позволят много по-голям ток да тече през цялото устройство. Това поведение дава на транзистора възможността да усилва малки токове и да действа като превключвател, който включва или изключва източник на ток.
Различни видове транзистори и други полупроводникови устройства могат да бъдат направени чрез комбиниране на PN кръстовища по редица начини, от модерни транзистори със специална функция до контролирани диоди. Следващите са само някои от компонентите, направени от внимателни комбинации от PN кръстовища.
- DIAC
- Лазерен диод
- Светодиоди (LED)
- Ценеровият диод
- Транзистор на Дарлингтън
- Теоретичен транзистор, включително MOSFETs
- IGBT транзистор
- Силикон контролиран токоизправител (SCR)
- Интегрална схема (интегрални схеми)
- Микропроцесорна
- Цифрова памет - RAM и ROM
Сензори
В допълнение към текущия контрол, който позволяват полупроводниците, те също така притежават свойства, които създават ефективни сензори. Те могат да бъдат направени да бъдат чувствителни към промени в температурата, налягането и светлината. Промяната в съпротивлението е най-често срещаният тип реакция за полупроводим сензор. Някои от видовете сензори, които са възможни чрез полупроводникови свойства, са изброени по-долу.
- Сензор за ефект на залата (магнитно поле)
- Термистор (резистивен температурен датчик)
- CCD / CMOS (сензор за изображения)
- Фотодиод (сензор за светлина)
- Фоторезистор (сензор за светлина)
- Пиезореализиращи (сензори за налягане / деформация)