Модерната технология е възможна благодарение на клас материали, наречени полупроводници. Всички активни компоненти, интегрални схеми, микрочипове, транзистори и много сензори са изградени от полупроводникови материали.
Докато силицийът е най-широко използваният полупроводников материал в електрониката, се използва набор от полупроводници, включително германий, галиев арсенид, силициев карбид и органични полупроводници. Всеки материал има предимства като съотношение цена-производителност, висока скорост на работа, толерантност към висока температура или желания отговор на сигнал.
Полупроводници
Полупроводниците са полезни, защото инженерите контролират електрическите свойства и поведение по време на производствения процес. Полупроводниковите свойства се контролират чрез добавяне на малки количества примеси в полупроводника чрез процес, наречен допинг. Различните примеси и концентрации предизвикват различни ефекти. Чрез контролиране на допинга може да се контролира начинът, по който електрическият ток преминава през полупроводника.
В типичен проводник, като медния, електроните пренасят тока и действат като носител на заряд. В полупроводниците както електроните, така и дупките (отсъствието на електрон) действат като носители на заряд. Чрез контролиране на допинга на полупроводника, проводимостта и носителят на заряда са пригодени да бъдат базирани на електрони или дупки.
Има два вида допинг:
- Добавките от N-тип, обикновено фосфор или арсен, имат пет електрона, които, когато се добавят към полупроводник, осигуряват допълнителен свободен електрон. Тъй като електроните имат отрицателен заряд, материал, легиран по този начин, се нарича N-тип.
- Добавките от тип P, като бор и галий, имат три електрона, което води до липса на електрон в полупроводниковия кристал. Това създава дупка или положителен заряд, оттук и името P-тип.
Добавките от N-тип и P-тип, дори в минимални количества, правят полупроводника приличен проводник. Полупроводниците от N-тип и P-тип обаче не са специални и са само прилични проводници. Когато тези типове са поставени в контакт един с друг, образувайки P-N преход, полупроводникът получава различно и полезно поведение.
P-N съединителен диод
P-N съединението, за разлика от всеки материал поотделно, не действа като проводник. Вместо да позволява на тока да тече в двете посоки, P-N преходът позволява токът да тече само в една посока, създавайки основен диод.
Прилагането на напрежение върху P-N преход в посока напред (предно отклонение) помага на електроните в областта от N-тип да се комбинират с дупките в областта от P-тип. Опитът да се обърне потока на тока (обратно отклонение) през диода принуждава електроните и дупките да се разделят, което предотвратява протичането на ток през кръстовището. Комбинирането на P-N преходи по други начини отваря вратите към други полупроводникови компоненти, като например транзистора.
Транзистори
Основният транзистор е направен от комбинацията на три материала тип N и тип P, а не двата, използвани в диод. Комбинирането на тези материали дава NPN и PNP транзисторите, които са известни като биполярни транзистори (BJT). Централният или базов регион BJT позволява на транзистора да действа като превключвател или усилвател.
NPN и PNP транзисторите изглеждат като два диода, разположени гръб един до друг, което блокира целия ток да протича в двете посоки. Когато централния слой е предубеден, така че малък ток да тече през централния слой, свойствата на диода, образуван с централния слой, се променят, за да позволят на по-голям ток да тече през цялото устройство. Това поведение дава на транзистора способността да усилва малки токове и да действа като превключвател, който включва или изключва източник на ток.
Много видове транзистори и други полупроводникови устройства са резултат от комбиниране на P-N преходи по няколко начина, от модерни транзистори със специална функция до контролирани диоди. По-долу са някои от компонентите, направени от внимателни комбинации от P-N преходи:
- DIAC
- лазерен диод
- Светодиод (LED)
- Ценеров диод
- транзистор Дарлингтън
- Транзистор с полеви ефекти (включително MOSFET)
- IGBT транзистор
- Силиконов управляван токоизправител
- Интегрална схема
- Микропроцесор
- Цифрова памет (RAM и ROM)
Сензори
В допълнение към текущия контрол, който полупроводниците позволяват, полупроводниците също имат свойства, които правят ефективни сензори. Те могат да бъдат направени така, че да бъдат чувствителни към промените в температурата, налягането и светлината. Промяната в съпротивлението е най-честият тип реакция за полупроводников сензор.
Видовете сензори, станали възможни благодарение на свойствата на полупроводниците, включват:
- Сензор за ефект на Хол (сензор за магнитно поле)
- Термистор (резистивен температурен сензор)
- CCD/CMOS (сензор за изображения)
- Фотодиод (сензор за светлина)
- Фоторезистор (сензор за светлина)
- Пиезорезистивен (сензори за налягане/опция)
