Základy polovodičov
Prehľad
Moderná technológia je možná vďaka triede materiálov nazývaných polovodiče. Všetky aktívne komponenty, integrované obvody, mikročipy, tranzistory, ako aj mnohé senzory sú vyrobené z polovodičových materiálov. Zatiaľ čo kremík je najpoužívanejším a najznámejším polovodičovým materiálom používaným v elektronike, používa sa široká škála polovodičov vrátane germánium, gallium arsenid, silikónový karbid, ako aj organické polovodiče. Každý materiál prináša do tabuľky určité výhody, ako je pomer nákladov a výkonu, vysokorýchlostný chod, vysoká teplota alebo požadovaná odozva na signál.
Semiconductors
To, čo robia polovodiče takou užitočnou, je schopnosť presne kontrolovať ich elektrické vlastnosti a správanie počas výrobného procesu. Polovodičové vlastnosti sú kontrolované pridaním malých množstiev nečistôt do polovodiča procesom nazývaným doping, s rôznymi nečistotami a koncentráciami, ktoré produkujú rôzne účinky. Ovládaním dopingu možno riadiť spôsob pohybu elektrického prúdu cez polovodič.
V typickom vodiči, ako je meď, elektróny nesú prúd a pôsobia ako nosič náboja. V polovodičích pôsobia ako nosiče náboja aj elektróny a "otvory", neprítomnosť elektrónu. Kontrolou dopingu polovodiča môže byť vodivosť a nosič náboja prispôsobený na to, aby bol buď elektrónovým alebo dierovým.
Existujú dva typy dopingu, typu N a typu P. Adaptéry typu N, typicky fosfor alebo arzén, majú päť elektrónov, ktoré pri pridaní do polovodiča poskytujú extra voľný elektrón. Keďže elektróny majú záporný náboj, materiál dopovaný týmto spôsobom sa nazýva N-typ. Doplnky typu P, ako je bór a gália, majú iba tri elektróny, ktoré vedú k neprítomnosti elektrónu v polovodičovom kryštáli, čím sa účinne vytvára otvor alebo pozitívny náboj, teda názov P-typu. Prípravky typu N, ako aj P-typu, dokonca aj v nepatrných množstvách, urobia z polovodiča slušný vodič. Avšak polovodiče N-typu a P-typu nie sú samy osebe veľmi zvláštne, sú to len slušné vodiče. Ak ich však navzájom nadviažete a vytvoríte PN spojenie, dostanete veľmi odlišné a veľmi užitočné správanie.
Dióda PN Junction
PN spojenie, na rozdiel od každého materiálu samostatne, sa nepôsobí ako vodič. Namiesto toho, aby prúd mohol prúdiť v obidvoch smeroch, prepojenie PN umožňuje iba tok prúdu v jednom smere a vytvorí základnú diódu. Použitie napätia naprieč PN prepojením v smere dopredu (forward bias) pomáha elektrónom v oblasti typu N v kombinácii s otvormi v oblasti typu P. Pokus o zvrátenie prúdu prúdu (reverznej odchýlky) cez diódu spôsobuje oddelenie elektrónov a otvorov, ktoré zabraňujú prúdeniu prúdu cez spojenie. Spojenie PN spojov inými spôsobmi otvára dvere iným polovodičovým komponentom, ako je tranzistor.
tranzistory
Základný tranzistor je vyrobený z kombinácie spojenia troch typov typu N a typu P skôr ako dve použité v dióde. Kombinácia týchto materiálov prináša tranzistory NPN a PNP, ktoré sú známe ako bipolárne spojovacie tranzistory alebo BJT. Stredový alebo základný región BJT umožňuje, aby tranzistor pôsobil ako spínač alebo zosilňovač.
Zatiaľ čo tranzistory NPN a PNP môžu vyzerať ako dve diódy umiestnené späť dozadu, čo by zabránilo tomu, aby všetok prúd pretekal v oboch smeroch. Keď je stredová vrstva posunutá dopredu tak, že cez strednú vrstvu preteká malý prúd, vlastnosti diódy vytvorenej so stredovou vrstvou sa menia tak, aby umožňoval tok oveľa väčšieho prúdu cez celé zariadenie. Toto správanie dáva tranzistoru schopnosť zosilniť malé prúdy a pôsobiť ako prepínač, ktorý zapína alebo vypína zdroj prúdu.
Rôzne typy tranzistorov a iných polovodičových zariadení sa dajú kombinovať PN spojmi rôznymi spôsobmi, od pokročilých tranzistorov so špeciálnou funkciou až po kontrolované diódy. Nasledujú len niektoré komponenty vyrobené z dôkladných kombinácií PN spojov.
- DIAC
- Laserová dióda
- Svetlo dióda (LED)
- Zenerova dióda
- Darlingtonov tranzistor
- Tranzistor s efektom poľa, vrátane MOSFET
- IGBT tranzistor
- Kremík riadený usmerňovač (SCR)
- Integrovaný obvod (IO)
- mikroprocesor
- Digitálna pamäť - RAM a ROM
senzory
Okrem súčasnej kontroly, ktorú umožňujú polovodiče, majú tiež vlastnosti, ktoré umožňujú efektívne snímače. Môžu byť citlivé na zmeny teploty, tlaku a svetla. Zmena odporu je najbežnejší typ odozvy pre polovodivý snímač. Niekoľko typov senzorov, ktoré umožňujú vlastnosti polovodičov, sú uvedené nižšie.
- Snímač Hall Effect (snímač magnetického poľa)
- Termistor (odporový snímač teploty)
- CCD / CMOS (obrazový snímač)
- Fotodióda (svetelný senzor)
- Fotorezistor (svetelný senzor)
- Piezoelektrické (snímače tlaku / deformácie)