A modern technológiát a félvezetőknek nevezett anyagok osztálya teszi lehetővé. Minden aktív alkatrész, integrált áramkör, mikrochip, tranzisztor és sok érzékelő félvezető anyagokból készül.
Míg a szilícium a legszélesebb körben használt félvezető anyag az elektronikában, számos félvezetőt használnak, köztük germániumot, gallium-arzenidet, szilícium-karbidot és szerves félvezetőket. Mindegyik anyagnak megvannak az előnyei, például a költség-teljesítmény arány, a nagy sebességű működés, a magas hőmérséklet tolerancia vagy a jelre adott kívánt válasz.
Félvezetők
A félvezetők hasznosak, mert a mérnökök szabályozzák az elektromos tulajdonságokat és viselkedést a gyártási folyamat során. A félvezető tulajdonságait úgy szabályozzák, hogy kis mennyiségű szennyeződést adnak a félvezetőhöz az úgynevezett dopping eljárással. A különböző szennyeződések és koncentrációk eltérő hatást váltanak ki. Az adalékolás szabályozásával szabályozható, hogy az elektromos áram hogyan halad át a félvezetőn.
Egy tipikus vezetőben, például a rézben, az elektronok viszik az áramot, és töltéshordozóként működnek. A félvezetőkben az elektronok és a lyukak (elektron hiánya) egyaránt töltéshordozóként működnek. A félvezető adalékolásának szabályozásával a vezetőképesség és a töltéshordozó elektron- vagy lyukalapúra van szabva.
Kétféle dopping létezik:
- Az N-típusú adalékanyagok, jellemzően foszfor vagy arzén, öt elektronból állnak, amelyek egy félvezetőhöz hozzáadva extra szabad elektront biztosítanak. Mivel az elektronok negatív töltésűek, az így adalékolt anyagot N-típusnak nevezzük.
- A P-típusú adalékanyagok, mint például a bór és a gallium, három elektronból állnak, ami azt eredményezi, hogy a félvezető kristályban nincs elektron. Ez lyukat vagy pozitív töltést hoz létre, innen a P-típus elnevezés.
Mind az N-típusú, mind a P-típusú adalékanyag, még kis mennyiségben is, tisztességes vezetővé varázsol egy félvezetőt. Az N-típusú és P-típusú félvezetők azonban nem különlegesek, és csak tisztességes vezetők. Ha ezek a típusok érintkezésbe kerülnek egymással, P-N átmenetet képezve, a félvezetők eltérő és hasznos viselkedést kapnak.
A P-N csatlakozási dióda
A P-N csomópont, az egyes anyagokkal külön-külön, nem úgy működik, mint egy vezető. Ahelyett, hogy az áramot bármelyik irányba engedné, a P-N átmenet csak egy irányba engedi az áramot, és egy alapdiódát hoz létre.
A P-N átmeneten előrefelé történő feszültség alkalmazása (előfeszítés) elősegíti, hogy az N-típusú tartomány elektronjai egyesüljenek a P-típusú régióban lévő lyukakkal. Ha megpróbálják megfordítani az áram áramlását (fordított előfeszítés) a diódán keresztül, az elektronokat és a lyukakat széthúzza, ami megakadályozza, hogy az áram átfolyjon a csomóponton. A P-N átmenetek más módon történő kombinálása megnyitja az ajtókat más félvezető alkatrészek, például a tranzisztor előtt.
Tranzisztorok
Egy alaptranzisztor három N-típusú és P-típusú anyag összekapcsolásából készül, nem pedig a kettő diódában használt anyagból. Ezeket az anyagokat kombinálva NPN és PNP tranzisztorokat kapunk, amelyeket bipoláris junction tranzisztoroknak (BJT) neveznek. A középső vagy alapterület BJT lehetővé teszi, hogy a tranzisztor kapcsolóként vagy erősítőként működjön.
Az NPN és a PNP tranzisztorok úgy néznek ki, mint két, egymás mellett elhelyezett dióda, ami megakadályozza, hogy minden áram folyjon bármelyik irányba. Ha a középső réteget előre előfeszítik, így egy kis áram folyik át a középső rétegen, a középső réteggel kialakított dióda tulajdonságai megváltoznak, és lehetővé teszik nagyobb áram áramlását az egész eszközön. Ez a viselkedés lehetővé teszi a tranzisztorok számára, hogy kis áramokat erősítsenek, és kapcsolóként működjenek, amely be- vagy kikapcsolja az áramforrást.
Sokféle tranzisztor és más félvezető eszköz származik a P-N átmenetek többféle kombinációjából, a fejlett, speciális funkciójú tranzisztoroktól a vezérelt diódákig. Íme néhány a P-N csomópontok gondos kombinációjából készült alkatrészek közül:
- DIAC
- Lézerdióda
- Light-emitting diode (LED)
- Zener dióda
- Darlington tranzisztor
- Térhatású tranzisztor (beleértve a MOSFET-eket)
- IGBT tranzisztor
- Szilícium vezérlésű egyenirányító
- Integrált áramkör
- Mikroprocesszor
- Digitális memória (RAM és ROM)
Érzékelők
A félvezetők által lehetővé tett jelenlegi vezérlésen kívül a félvezetőknek olyan tulajdonságai is vannak, amelyek hatékony érzékelőket tesznek lehetővé. Ezeket érzékenysé lehet tenni a hőmérséklet, nyomás és fényváltozásokra. Az ellenállás változása a félvezető érzékelők leggyakoribb választípusa.
A félvezető tulajdonságok által lehetővé tett érzékelők típusai a következők:
- Hall-effektus érzékelő (mágneses térérzékelő)
- Termisztor (rezisztív hőmérséklet-érzékelő)
- CCD/CMOS (képérzékelő)
- Fotódióda (fényérzékelő)
- Fotóellenállás (fényérzékelő)
- Piezorezisztív (nyomás-/nyúlásérzékelők)
