Moderne teknologi er gjort mulig på grunn av en klasse materialer som kalles halvledere. Alle aktive komponenter, integrerte kretser, mikrobrikker, transistorer og mange sensorer er bygget med halvledermaterialer.
Mens silisium er det mest brukte halvledermaterialet i elektronikk, brukes en rekke halvledere, inkludert germanium, galliumarsenid, silisiumkarbid og organiske halvledere. Hvert materiale har fordeler som kostnad-til-ytelse-forhold, høyhastighetsdrift, høytemperaturtoleranse eller ønsket respons på et signal.
Semiconductors
Halvledere er nyttige fordi ingeniører kontrollerer de elektriske egenskapene og oppførselen under produksjonsprosessen. Halvlederegenskaper kontrolleres ved å tilsette små mengder urenheter i halvlederen gjennom en prosess som kalles doping. Ulike urenheter og konsentrasjoner gir forskjellige effekter. Ved å kontrollere dopingen kan måten elektrisk strøm beveger seg gjennom en halvleder kontrolleres på.
I en typisk leder, som kobber, bærer elektroner strømmen og fungerer som ladningsbærer. I halvledere fungerer både elektroner og hull (fravær av et elektron) som ladningsbærere. Ved å kontrollere dopingen av halvlederen, skreddersys konduktiviteten og ladningsbæreren til å være enten elektron- eller hullbasert.
Det finnes to typer doping:
- N-type dopingmidler, typisk fosfor eller arsen, har fem elektroner, som, når de legges til en halvleder, gir et ekstra fritt elektron. Siden elektroner har en negativ ladning, kalles et materiale dopet på denne måten N-type.
- P-type dopingmidler, som bor og gallium, har tre elektroner, som resulterer i fravær av et elektron i halvlederkrystallen. Dette skaper et hull eller en positiv ladning, derav navnet P-type.
Både N-type og P-type dopingmidler, selv i små mengder, gjør en halvleder til en anstendig leder. Imidlertid er N-type og P-type halvledere ikke spesielle og er bare anstendige ledere. Når disse typene plasseres i kontakt med hverandre og danner et P-N-kryss, får en halvleder en annen og nyttig oppførsel.
The P-N Junction Diode
Et P-N-kryss, i motsetning til hvert materiale separat, fungerer ikke som en leder. I stedet for å la strøm flyte i begge retninger, lar et P-N-kryss strøm flyte i bare én retning, og skaper en grunnleggende diode.
Å påføre en spenning over et P-N-kryss i foroverretningen (forward bias) hjelper elektronene i N-type-regionen med å kombinere med hullene i P-type-regionen. Forsøk på å reversere strømmen av strøm (revers bias) gjennom dioden tvinger elektronene og hullene fra hverandre, noe som hindrer strømmen i å flyte over krysset. Ved å kombinere P-N-kryss på andre måter åpnes dørene til andre halvlederkomponenter, for eksempel transistoren.
Transistors
En grunnleggende transistor er laget av kombinasjonen av krysset mellom tre N-type og P-type materialer i stedet for de to som brukes i en diode. Kombinasjon av disse materialene gir NPN- og PNP-transistorene, som er kjent som bipolare junction-transistorer (BJT). Sentrum, eller base, region BJT lar transistoren fungere som en bryter eller forsterker.
NPN- og PNP-transistorer ser ut som to dioder plassert rygg mot rygg, som blokkerer all strøm fra å flyte i begge retninger. Når senterlaget er forspent slik at en liten strøm flyter gjennom senterlaget, endres egenskapene til dioden dannet med senterlaget for å tillate en større strøm å flyte over hele enheten. Denne oppførselen gir en transistor muligheten til å forsterke små strømmer og fungere som en bryter som slår en strømkilde på eller av.
Mange typer transistorer og andre halvlederenheter er resultatet av å kombinere P-N-kryss på flere måter, fra avanserte transistorer med spesialfunksjoner til kontrollerte dioder. Følgende er noen av komponentene laget av forsiktige kombinasjoner av P-N-kryss:
- DIAC
- Laserdiode
- Lysemitterende diode (LED)
- Zenerdiode
- Darlington-transistor
- Felteffekttransistor (inkludert MOSFET-er)
- IGBT-transistor
- Silisiumkontrollert likeretter
- Integrert krets
- Mikroprosessor
- Digit alt minne (RAM og ROM)
Sensorer
I tillegg til den gjeldende kontrollen som halvledere tillater, har halvledere også egenskaper som gir effektive sensorer. Disse kan gjøres for å være følsomme for endringer i temperatur, trykk og lys. En endring i motstand er den vanligste typen respons for en halvledende sensor.
Sensortypene muliggjort av halvlederegenskaper inkluderer:
- Halleffektsensor (magnetfeltsensor)
- Termistor (resistiv temperatursensor)
- CCD/CMOS (bildesensor)
- Fotodiode (lyssensor)
- Fotomotstand (lyssensor)
- Piezoresistive (trykk-/belastningssensorer)
