Semiconductor de bază
Prezentare generală
Tehnologia modernă este posibilă datorită unei clase de materiale numite semiconductori. Toate componentele active, circuitele integrate, microcipurile, tranzistoarele, precum și multe senzori sunt construite cu materiale semiconductoare. În timp ce siliciul este cel mai utilizat și cel mai cunoscut material semiconductor utilizat în electronică, se utilizează o gamă largă de semiconductori, inclusiv germaniu, arsenid de galiu, carbură de siliciu, precum și semiconductori organici. Fiecare material aduce anumite avantaje la masă, cum ar fi raportul cost / performanță, funcționarea de mare viteză, temperatura ridicată sau răspunsul dorit la un semnal.
Semiconductori
Ceea ce face semiconductorii atât de utile este capacitatea de a controla cu precizie proprietățile lor electrice și comportamentul în timpul procesului de fabricație. Proprietățile semiconductoare sunt controlate prin adăugarea de mici cantități de impurități în semiconductor printr-un proces numit dopaj, cu diferite impurități și concentrații care produc efecte diferite. Prin controlul dopajului, modul în care un curent electric se deplasează printr-un semiconductor poate fi controlat.
Într-un dirijor tipic, cum ar fi cuprul, electronii poartă curentul și acționează ca purtător de sarcină. În semiconductori, atât electronii cât și "găurile", absența unui electron, acționează ca purtători de sarcină. Prin controlul dopajului semiconductorului, conductivitatea și purtătorul de sarcină pot fi adaptate fie pentru a fi bazate pe electroni, fie pe găuri.
Există două tipuri de dopaj, tip N și tip P. Nodurile de tip N, în mod tipic fosfor sau arsenic, au cinci electroni, care, atunci când sunt adăugați la un semiconductor, oferă un electron suplimentar liber. Deoarece electronii au o sarcină negativă, un material dopat în acest fel se numește N-tip. Amortizoarele de tip P, cum ar fi borul și galiul, au doar trei electroni care au ca rezultat absența unui electron în cristalul semiconductor, creând efectiv o gaură sau o încărcătură pozitivă, deci numele de tip P. Atât dopanții tip N, cât și cei de tip P, chiar și în cantități mici, vor face un semiconductor un conducător decent. Cu toate acestea, semiconductorii de tip N și P nu sunt foarte speciali, fiind doar conductori decenți. Cu toate acestea, atunci când le puneți în contact unul cu celălalt, formând o joncțiune PN, veți obține niște comportamente foarte diferite și foarte utile.
Dioda PN Junction
O joncțiune PN, spre deosebire de fiecare material separat, nu se comportă ca un dirijor. În loc să permită curentului să curgă în ambele direcții, o joncțiune PN permite doar curentului să curgă într-o direcție, creând o diodă de bază. Aplicarea unei tensiuni pe o joncțiune PN în direcția înainte (bias înainte) ajută electronii din regiunea de tip N să se combine cu găurile din regiunea tip P. Încercarea de a inversa curgerea curentului (inversarea inversă) prin dioda forțează separarea electronilor și a găurilor, care împiedică trecerea curentului peste joncțiune. Combinarea joncțiunilor PN în alte moduri deschide porțile către alte componente semiconductoare, cum ar fi tranzistorul.
tranzistori
Un tranzistor de bază este realizat din combinația joncțiunii a trei tipuri de tip N și a unui tip P, mai degrabă decât cele două utilizate într-o diodă. Combinarea acestor materiale generează tranzistoarele NPN și PNP cunoscute ca tranzistori de joncțiune bipolară sau BJTs. Centrul sau baza, regiunea BJT, permite tranzistorului să acționeze ca un comutator sau un amplificator.
În timp ce tranzistoarele NPN și PNP pot arăta ca două diode plasate înapoi în spate, ceea ce ar împiedica toate curentul să curgă în ambele direcții. Când stratul central este înclinat înainte, astfel încât un mic curent curge prin stratul central, proprietățile diodei formate cu schimbarea stratului central pentru a permite unui curent mult mai mare să curgă peste întregul dispozitiv. Acest comportament conferă unui tranzistor capacitatea de a amplifica curenții mici și de a acționa ca un comutator de pornire sau oprire a unei surse de curent.
O varietate de tipuri de tranzistori și alte dispozitive semiconductoare pot fi realizate prin combinarea joncțiunilor PN în mai multe moduri, de la tranzistoare cu funcții speciale, la diode controlate. Următoarele sunt doar câteva dintre componentele realizate din combinații atente de joncțiuni PN.
- DIAC
- Diodă laser
- Dioda de lumina (LED)
- diodă Zener
- Tranzistor Darlington
- Field-effect tranzistor, inclusiv MOSFET-uri
- Tranzistor IGBT
- Aparatul redresat comandat cu siliciu (SCR)
- Circuite integrate (IC)
- cu microprocesor
- Memorie digitală - RAM și ROM
senzori
În plus față de controlul curent pe care semiconductorii îl permit, ele au, de asemenea, proprietăți care fac ca senzorii să fie eficienți. Ele pot fi făcute pentru a fi sensibile la schimbările de temperatură, presiune și lumină. O schimbare a rezistenței este cel mai comun tip de răspuns pentru un senzor semi-conductiv. Cateva dintre tipurile de senzori facute posibile de proprietatile semiconductoare sunt enumerate mai jos.
- Hall senzor de efect (senzor de câmp magnetic)
- Termistor (senzor de temperatură rezistiv)
- CCD / CMOS (senzor de imagine)
- Fotodiodă (senzor de lumină)
- Fotorezistor (senzor de lumină)
- Piezoelectric (senzori de presiune / tensiune)