Poluprovodničke osnove
Pregled
Moderna tehnologija je omogućena zahvaljujući klasi materijala zvanih poluprovodnici. Sve aktivne komponente, integrisana kola, mikročipovi, tranzistori, kao i mnogi senzori su izgrađeni sa poluprovodničkim materijalima. Dok je silicijum najčešće korišćen i najpoznatiji poluprovodnički materijal koji se koristi u elektronici, koristi se širok spektar poluprovodnika, uključujući germanijum, galijum-arsenid, silikonski karbid, kao i organske poluprovodnike. Svaki materijal donosi određene prednosti tabelama, kao što su odnos troškova / učinka, brzih operacija, visoke temperature ili željenog odgovora na signal.
Poluprovodnici
Ono što čini poluprovodnike tako korisnim je mogućnost preciznog upravljanja električnim svojstvima i ponašanjem tokom procesa proizvodnje. Poluprovodničke osobine se kontrolišu dodavanjem malih količina nečistoća u poluprovodniku kroz postupak koji se zove doping, sa različitim nečistoćima i koncentracijama koje proizvode različite efekte. Kontrolom dopinga, može se kontrolisati način na koji se električna struja kreće kroz poluprovodnik.
U tipičnom provodniku, poput bakra, elektroni prenose struju i deluju kao nosač punjenja. U poluprovodnici i elektroni i "rupe", odsustvo elektrona, deluju kao nosioci punjenja. Kontrolirajući doping poluprovodnika, provodljivost i nosač punjenja mogu biti prilagođeni tako da budu bazirani na elektronu ili rupu.
Postoje dve vrste dopinga, N-tipa i P-tipa. N-tipa dopanti, obično fosfor ili arsen, imaju pet elektrona, koji kada se doda poluprovodniku obezbeđuje dodatni slobodni elektron. S obzirom da elektroni imaju negativan naelektrisan materijal, ovakav materijal doprinosi N-tipu. P-tip dopanti, kao što su bor i galijum, imaju samo tri elektrona, što rezultira u odsustvu elektrona u poluprovodničkom kristalu, stvarajući efekat rupa ili pozitivnog naboja, stoga ime P-tipa. I dopanti tipa N-tipa i P-tipa, čak i u malim količinama, čine poluprovodnik pristojnim provodnikom. Međutim, poluprovodnici tipa N-tipa i P-tipa nisu sasvim posebni, budući da su samo pristojni provodnici. Međutim, kada ih postavite u kontakt jedni s drugima, formirajući PN spoj, dobijate veoma različita i vrlo korisna ponašanja.
DN spojnica
PN spoj, za razliku od svakog materijala posebno, ne deluje kao provodnik. Umesto da dozvoljavaju struji da teče u bilo kojem pravcu, PN spoj samo omogućuje strujanje struje u jednom pravcu, stvarajući osnovnu diodu. Nanošenje napona preko PN spoja u pravcu naprijed (prednja prednjača) pomaže da se elektroni u području N-tipa kombinuju sa rupama u regionu tipa P. Pokušaj obrnutog toka struje (obrnutog pristrasnosti) preko diode prisiljava elektronima i rupama koji rastu koji sprečavaju struju da teče preko raskrsnice. Kombinovanje PN spojnica na druge načine otvara vrata drugim poluprovodničkim komponentama, kao što je tranzistor.
Tranzistori
Osnovni tranzistor je napravljen iz kombinacije spoja tri N-tipa i P-tipa materijala, a ne dva koja se koriste u diodi. Kombinovanje ovih materijala daje NPN i PNP tranzistore koji su poznati kao tranzistori bipolarnih spojeva ili BJT. Centar, ili baza, region BJT dozvoljava tranzistoru da deluje kao prekidač ili pojačavač.
Iako NPN i PNP tranzistori mogu izgledati kao dve diode koje se vraćaju nazad, što bi blokiralo sve tokove u bilo kom smjeru. Kada je srednji sloj nagnut napred, tako da se kroz centralni sloj protiče mala struja, promjenjuje se osobina diode formirane s srednjim slojem, kako bi se omogućilo mnogo veći struja kroz čitav uređaj. Ovo ponašanje daje tranzistoru mogućnost amplifikacije malih struja i da djeluje kao prekidač koji uključuje ili isključuje strujni izvor.
Razne vrste tranzistora i drugih poluprovodničkih uređaja mogu se napraviti kombinovanjem PN spojnica na više načina, od naprednih tranzistora specijalnih funkcija do kontrolisanih dioda. Slijedi samo nekoliko komponenti napravljenih od pažljivih kombinacija PN križanja.
- DIAC
- Laserska dioda
- Svetleća dioda (LED)
- Zener diode
- Darlington tranzistor
- Tranzistor sa efektom polja, uključujući MOSFET
- IGBT tranzistor
- Silikonski kontrolisani ispravljač (SCR)
- Integrisano kolo (IC)
- Mikroprocesor
- Digitalna memorija - RAM i ROM
Senzori
Pored trenutne kontrole koju dopuštaju poluprovodnici, oni takođe imaju svojstva koja čine efektivne senzore. Može biti osjetljiv na promjene temperature, pritiska i svjetlosti. Promjena otpornosti je najčešća vrsta odgovora za poluvodljivi senzor. Nekoliko tipova senzora omogućenih karakteristikama poluprovodnika navedene su u nastavku.
- Senzor efekta snopa (senzor magnetnog polja)
- Termistor (otporni temperaturni senzor)
- CCD / CMOS (senzor slike)
- Photodiode (senzor svjetlosti)
- Fotoresistor (senzor svetlosti)
- Piezoresistivni (senzori pritiska / naprezanja)