Η σύγχρονη τεχνολογία είναι δυνατή χάρη σε μια κατηγορία υλικών που ονομάζονται ημιαγωγοί. Όλα τα ενεργά εξαρτήματα, τα ολοκληρωμένα κυκλώματα, τα μικροτσίπ, τα τρανζίστορ και πολλοί αισθητήρες είναι κατασκευασμένα με υλικά ημιαγωγών.
Ενώ το πυρίτιο είναι το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο υλικό ημιαγωγών στην ηλεκτρονική, χρησιμοποιείται μια σειρά ημιαγωγών, όπως το γερμάνιο, το αρσενίδιο του γαλλίου, το καρβίδιο του πυριτίου και οι οργανικοί ημιαγωγοί. Κάθε υλικό έχει πλεονεκτήματα όπως η αναλογία κόστους προς απόδοση, η λειτουργία υψηλής ταχύτητας, η ανοχή σε υψηλή θερμοκρασία ή η επιθυμητή απόκριση σε ένα σήμα.
Ημιαγωγοί
Οι ημιαγωγοί είναι χρήσιμοι επειδή οι μηχανικοί ελέγχουν τις ηλεκτρικές ιδιότητες και τη συμπεριφορά κατά τη διαδικασία κατασκευής. Οι ιδιότητες των ημιαγωγών ελέγχονται με την προσθήκη μικρών ποσοτήτων ακαθαρσιών στον ημιαγωγό μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται ντόπινγκ. Διαφορετικές ακαθαρσίες και συγκεντρώσεις παράγουν διαφορετικά αποτελέσματα. Με τον έλεγχο του ντόπινγκ, μπορεί να ελεγχθεί ο τρόπος με τον οποίο το ηλεκτρικό ρεύμα κινείται μέσω ενός ημιαγωγού.
Σε έναν τυπικό αγωγό, όπως ο χαλκός, τα ηλεκτρόνια μεταφέρουν το ρεύμα και λειτουργούν ως φορέας φορτίου. Στους ημιαγωγούς, τόσο τα ηλεκτρόνια όσο και οι οπές (η απουσία ηλεκτρονίου) λειτουργούν ως φορείς φορτίου. Με τον έλεγχο του ντόπινγκ του ημιαγωγού, η αγωγιμότητα και ο φορέας φορτίου είναι προσαρμοσμένοι ώστε να βασίζονται είτε σε ηλεκτρόνια είτε σε οπές.
Υπάρχουν δύο τύποι ντόπινγκ:
- Οι προσμίξεις τύπου Ν, συνήθως φώσφορος ή αρσενικό, έχουν πέντε ηλεκτρόνια, τα οποία, όταν προστεθούν σε έναν ημιαγωγό, παρέχουν ένα επιπλέον ελεύθερο ηλεκτρόνιο. Δεδομένου ότι τα ηλεκτρόνια έχουν αρνητικό φορτίο, ένα υλικό που εμποτίζεται με αυτόν τον τρόπο ονομάζεται N-τύπου.
- Οι προσμίξεις τύπου Ρ, όπως το βόριο και το γάλλιο, έχουν τρία ηλεκτρόνια, τα οποία έχουν ως αποτέλεσμα την απουσία ηλεκτρονίου στον κρύσταλλο ημιαγωγών. Αυτό δημιουργεί μια τρύπα ή ένα θετικό φορτίο, εξ ου και το όνομα P-type.
Τόσο οι προσμίξεις τύπου N όσο και τύπου P, ακόμη και σε μικρές ποσότητες, κάνουν έναν ημιαγωγό έναν αξιοπρεπή αγωγό. Ωστόσο, οι ημιαγωγοί τύπου N και τύπου P δεν είναι ειδικοί και είναι μόνο αξιοπρεπείς αγωγοί. Όταν αυτοί οι τύποι έρχονται σε επαφή μεταξύ τους, σχηματίζοντας μια σύνδεση P-N, ένας ημιαγωγός αποκτά διαφορετικές και χρήσιμες συμπεριφορές.
Η δίοδος σύνδεσης P-N
Μια διασταύρωση P-N, σε αντίθεση με κάθε υλικό ξεχωριστά, δεν λειτουργεί σαν αγωγός. Αντί να επιτρέπει στο ρεύμα να ρέει προς οποιαδήποτε κατεύθυνση, μια διασταύρωση P-N επιτρέπει στο ρεύμα να ρέει μόνο προς μία κατεύθυνση, δημιουργώντας μια βασική δίοδο.
Η εφαρμογή τάσης σε μια διασταύρωση P-N στην προς τα εμπρός κατεύθυνση (προώθηση πόλωσης) βοηθά τα ηλεκτρόνια στην περιοχή τύπου Ν να συνδυαστούν με τις οπές στην περιοχή τύπου P. Η προσπάθεια αντιστροφής της ροής του ρεύματος (αντίστροφη προκατάληψη) μέσω της διόδου αναγκάζει τα ηλεκτρόνια και τις οπές να χωρίσουν, γεγονός που εμποδίζει το ρεύμα να ρέει κατά μήκος της διασταύρωσης. Ο συνδυασμός των συνδέσεων P-N με άλλους τρόπους ανοίγει τις πόρτες σε άλλα εξαρτήματα ημιαγωγών, όπως το τρανζίστορ.
Τρανζίστορ
Ένα βασικό τρανζίστορ κατασκευάζεται από το συνδυασμό τριών υλικών τύπου Ν και τύπου P αντί των δύο που χρησιμοποιούνται σε μια δίοδο. Ο συνδυασμός αυτών των υλικών δίνει τα τρανζίστορ NPN και PNP, τα οποία είναι γνωστά ως διπολικά τρανζίστορ διασταύρωσης (BJT). Η κεντρική, ή η βάση, περιοχή BJT επιτρέπει στο τρανζίστορ να λειτουργεί ως διακόπτης ή ενισχυτής.
Τα τρανζίστορ NPN και PNP μοιάζουν με δύο δίοδοι τοποθετημένες πλάτη με πλάτη, γεγονός που εμποδίζει όλο το ρεύμα να ρέει προς οποιαδήποτε κατεύθυνση. Όταν το κεντρικό στρώμα είναι πολωμένο προς τα εμπρός έτσι ώστε ένα μικρό ρεύμα να ρέει μέσω του κεντρικού στρώματος, οι ιδιότητες της διόδου που σχηματίζεται με το κεντρικό στρώμα αλλάζουν για να επιτρέψουν σε μεγαλύτερο ρεύμα να ρέει σε ολόκληρη τη συσκευή. Αυτή η συμπεριφορά δίνει σε ένα τρανζίστορ την ικανότητα να ενισχύει μικρά ρεύματα και να λειτουργεί ως διακόπτης που ενεργοποιεί ή απενεργοποιεί μια πηγή ρεύματος.
Πολλοί τύποι τρανζίστορ και άλλες συσκευές ημιαγωγών προκύπτουν από το συνδυασμό των συνδέσεων P-N με διάφορους τρόπους, από προηγμένα τρανζίστορ ειδικής λειτουργίας έως ελεγχόμενες διόδους. Τα παρακάτω είναι μερικά από τα εξαρτήματα που κατασκευάζονται από προσεκτικούς συνδυασμούς συνδέσεων P-N:
- DIAC
- Δίοδος λέιζερ
- Δίοδος εκπομπής φωτός (LED)
- Δίοδος Zener
- Τρανζίστορ Darlington
- Τρανζίστορ εφέ πεδίου (συμπεριλαμβανομένων των MOSFET)
- Τρανζίστορ IGBT
- Ελεγχόμενος ανορθωτής πυριτίου
- Ολοκληρωμένο κύκλωμα
- Μικροεπεξεργαστής
- Ψηφιακή μνήμη (RAM και ROM)
Αισθητήρες
Εκτός από τον τρέχοντα έλεγχο που επιτρέπουν οι ημιαγωγοί, οι ημιαγωγοί έχουν επίσης ιδιότητες που δημιουργούν αποτελεσματικούς αισθητήρες. Αυτά μπορούν να γίνουν ώστε να είναι ευαίσθητα σε αλλαγές θερμοκρασίας, πίεσης και φωτός. Μια αλλαγή στην αντίσταση είναι ο πιο συνηθισμένος τύπος απόκρισης για έναν ημιαγώγιμο αισθητήρα.
Οι τύποι αισθητήρων που καθίστανται δυνατοί χάρη στις ιδιότητες ημιαγωγών περιλαμβάνουν:
- Αισθητήρας εφέ Hall (αισθητήρας μαγνητικού πεδίου)
- Θερμίστορ (αισθητήρας θερμοκρασίας αντίστασης)
- CCD/CMOS (αισθητήρας εικόνας)
- Φωτοδίοδος (αισθητήρας φωτός)
- Φωτοαντίσταση (αισθητήρας φωτός)
- Piezoresistive (αισθητήρες πίεσης/καταπόνησης)
