Современные технологии стали возможными благодаря классу материалов, называемых полупроводниками . Все активные компоненты, интегральные схемы, микросхемы, транзисторы, а также многие датчики изготовлены из полупроводниковых материалов. В то время как 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 в таблицу определенные преимущества, такие как соотношение цены и качества, высокоскоростная работа, высокотемпературный допуск или требуемый отклик на сигнал.
Полупроводники
Что делает полупроводники настолько полезными, так это то, что инженеры контролируют их электрические свойства и поведение в процессе производства. Свойства полупроводника контролируются путем добавления небольших количеств примесей в полупроводнике посредством процесса, называемого легированием , при этом различные примеси и концентрации вызывают различные эффекты. Управляя легированием, можно управлять тем, как электрический ток проходит через полупроводник.
В типичном проводнике, таком как медь, электроны переносят ток и действуют как носители заряда. В полупроводниках и электроны, и дырки — отсутствие электрона — действуют как носители заряда. Управляя легированием полупроводника, проводимость и носитель заряда устанавливаются на основе электронов или дырок.
Существует два типа допинга: N-тип и P-тип., Добавки N-типа, обычно фосфор или мышьяк, имеют пять электронов, которые при добавлении в полупроводник дают дополнительный свободный электрон. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, материал, легированный таким образом, называется N-типом. Присадки P-типа, такие как бор и галлий, имеют только три электрона, что приводит к отсутствию электрона в кристалле полупроводника, эффективно создавая дырку или положительный заряд, отсюда и название P-тип. Легирующие примеси как N-типа, так и P-типа, даже в незначительных количествах, сделают полупроводник достойным проводником. Однако полупроводники N-типа и P-типа сами по себе не очень особенные, просто являются приличными проводниками. Однако, когда вы размещаете их в контакте друг с другом, образуя PN-соединение, вы получаете очень разные и очень полезные поведения.
Диод соединения PN
-Перехода , в отличие от каждого материала в отдельности, не действует как проводник. Вместо того, чтобы позволить току течь в любом направлении, PN-переход позволяет току течь только в одном направлении, создавая основной диод. Приложение напряжения к PN-переходу в прямом направлении (прямое смещение) помогает электронам в области N-типа соединяться с отверстиями в области P-типа. Попытка реверсировать поток тока (обратное смещение) через диод заставляет электроны и дырки разъединяться, что препятствует прохождению тока через соединение. Объединение PN-переходов другими способами открывает двери для других полупроводниковых компонентов, таких как транзистор.
Транзисторы
Основной транзистор сделан из комбинации соединения трех материалов N-типа и P-типа, а не двух, используемых в диоде. Объединение этих материалов приводит к появлению NPN- и PNP-транзисторов, которые известны как транзисторы с биполярным переходом или BJT. Центральная или базовая область BJT позволяет транзистору действовать как переключатель или усилитель.
В то время как NPN и PNP транзисторы могут выглядеть как два диода, размещенных друг за другом, которые блокируют весь ток в любом направлении. Когда центральный слой смещен в прямом направлении, так что через центральный слой протекает небольшой ток, свойства диода, образованного с центральным слоем, изменяются, что позволяет намного большему току течь через все устройство. Такое поведение дает транзистору возможность усиливать малые токи и действовать как переключатель, который включает или выключает источник тока.
Различные типы транзисторов и других полупроводниковых устройств являются результатом объединения PN-соединений различными способами — от усовершенствованных транзисторов специального назначения до управляемых диодов. Ниже приведены лишь некоторые из компонентов, составленных из тщательных комбинаций PN-переходов:
датчиков
В дополнение к текущему контролю, который позволяют полупроводники, они также обладают свойствами, которые делают эффективными датчики. Их можно сделать чувствительными к изменениям температуры, давления и света. Изменение сопротивления является наиболее распространенным типом реакции для полупроводящего датчика. Несколько типов датчиков, которые стали возможными благодаря свойствам полупроводников, перечислены ниже.
- Датчик Холла (датчик магнитного поля)
- Термистор (резистивный датчик температуры)
- CCD / CMOS (датчик изображения)
- Фотодиод (датчик освещенности)
- Фоторезистор (датчик света)
- Пьезорезистивные (датчики давления / деформации)