كيف تعمل الإلكترونيات: أساسيات أشباه الموصلات
أصبحت التكنولوجيا الحديثة ممكنة بسبب فئة من المواد تسمى أشباه الموصلات. جميع المكونات النشطة ، متكاملة الدوائروالرقائق الدقيقة والترانزستورات والعديد من أجهزة الاستشعار مصنوعة من مواد شبه موصلة.
في حين أن السيليكون هو مادة أشباه الموصلات الأكثر استخدامًا في الإلكترونيات ، يتم استخدام مجموعة من أشباه الموصلات ، بما في ذلك الجرمانيوم وزرنيخيد الغاليوم وكربيد السيليكون وأشباه الموصلات العضوية. تتمتع كل مادة بمزايا مثل نسبة التكلفة إلى الأداء ، أو التشغيل عالي السرعة ، أو تحمل درجات الحرارة العالية ، أو الاستجابة المرغوبة للإشارة.
أشباه الموصلات
تعتبر أشباه الموصلات مفيدة لأن المهندسين يتحكمون في الخصائص الكهربائية والسلوك أثناء عملية التصنيع. يتم التحكم في خصائص أشباه الموصلات عن طريق إضافة كميات صغيرة من الشوائب في أشباه الموصلات من خلال عملية تسمى منشطات. تنتج الشوائب والتركيزات المختلفة تأثيرات مختلفة. من خلال التحكم في المنشطات ، يمكن التحكم في الطريقة التي يتحرك بها التيار الكهربائي عبر أشباه الموصلات.
في موصل نموذجي ، مثل النحاس ، تحمل الإلكترونات التيار وتعمل كحامل شحنة. في أشباه الموصلات ، تعمل كل من الإلكترونات والثقوب (عدم وجود إلكترون) كحاملات شحنة. من خلال التحكم في تعاطي المنشطات لأشباه الموصلات ، تم تصميم الموصلية وحامل الشحنة ليكونا إما إلكترونًا أو قائمًا على الثقب.
هناك نوعان من المنشطات:
- تحتوي المنشطات من النوع N ، عادةً الفوسفور أو الزرنيخ ، على خمسة إلكترونات ، والتي ، عند إضافتها إلى أشباه الموصلات ، توفر إلكترونًا مجانيًا إضافيًا. نظرًا لأن الإلكترونات لها شحنة سالبة ، فإن المادة المخدرة بهذه الطريقة تسمى النوع N.
- تحتوي المواد المشبعة من النوع P ، مثل البورون والغاليوم ، على ثلاثة إلكترونات ، مما يؤدي إلى عدم وجود إلكترون في بلورة أشباه الموصلات. هذا يخلق ثقبًا أو شحنة موجبة ، ومن هنا جاء اسم النوع P.
كلا النوعين N و P-type ، حتى بكميات دقيقة ، يجعل من أشباه الموصلات موصلًا لائقًا. ومع ذلك ، فإن أشباه الموصلات من النوع N و P ليست خاصة وهي فقط موصلات جيدة. عندما يتم وضع هذه الأنواع على اتصال مع بعضها البعض ، وتشكيل تقاطع PN ، تحصل أشباه الموصلات على سلوكيات مختلفة ومفيدة.
الصمام الثنائي PN مفرق
أ السندات الإذنية تقاطع، على عكس كل مادة على حدة ، لا يعمل كموصل. بدلاً من السماح للتيار بالتدفق في أي اتجاه ، يسمح تقاطع PN للتيار بالتدفق في اتجاه واحد فقط ، مما يؤدي إلى إنشاء الصمام الثنائي الأساسي.
يساعد تطبيق الجهد عبر تقاطع PN في الاتجاه الأمامي (التحيز الأمامي) الإلكترونات في المنطقة من النوع N على الاندماج مع الثقوب الموجودة في منطقة النوع P. محاولة عكس تدفق التيار (التحيز العكسي) عبر الصمام الثنائي يفرض الإلكترونات والثقوب بعيدًا ، مما يمنع التيار من التدفق عبر التقاطع. الجمع بين تقاطعات PN بطرق أخرى يفتح الأبواب لمكونات أشباه الموصلات الأخرى ، مثل الترانزستور.
الترانزستورات
يتكون الترانزستور الأساسي من مزيج من تقاطع ثلاث مواد من النوع N و P بدلاً من الاثنين المستخدمين في الصمام الثنائي. ينتج عن الجمع بين هذه المواد ترانزستورات NPN و PNP ، والتي تُعرف باسم ترانزستورات الوصلة ثنائية القطب (BJT). يسمح المركز أو المنطقة الأساسية BJT للترانزستور بالعمل كمفتاح أو مكبر للصوت.
تبدو ترانزستورات NPN و PNP وكأنها صمامان ثنائيان يوضعان من الخلف إلى الخلف ، مما يمنع كل التيار من التدفق في أي اتجاه. عندما تكون الطبقة المركزية منحازة للأمام بحيث يتدفق تيار صغير عبر الطبقة المركزية ، فإن تتشكل خصائص الصمام الثنائي مع تغيير الطبقة المركزية للسماح بتدفق تيار أكبر عبر الجهاز بأكمله. يمنح هذا السلوك الترانزستور القدرة على تضخيم التيارات الصغيرة والعمل كمفتاح يعمل على تشغيل أو إيقاف تشغيل المصدر الحالي.
تنتج العديد من أنواع الترانزستورات وأجهزة أشباه الموصلات الأخرى من الجمع بين تقاطعات PN بعدة طرق ، من الترانزستورات المتقدمة ذات الوظائف الخاصة إلى الثنائيات الخاضعة للرقابة. فيما يلي بعض المكونات المصنوعة من توليفات دقيقة لتقاطعات PN:
- DIAC
- الصمام الثنائي بالليزر
- الصمام الثنائي الباعث للضوء (قاد)
- الصمام الثنائي زينر
- دارلينجتون الترانزستور
- ترانزستور تأثير المجال (بما في ذلك MOSFETs)
- الترانزستور IGBT
- السيليكون المعدل للرقابة
- دارة متكاملة
- معالج دقيق
- ذاكرة رقمية (الرامات "الذاكرة العشوائية في الهواتف والحواسيب و ROM)
مجسات
بالإضافة إلى التحكم الحالي الذي تسمح به أشباه الموصلات ، فإن لأشباه الموصلات أيضًا خصائص تجعل أجهزة الاستشعار فعالة. يمكن جعلها حساسة للتغيرات في درجة الحرارة والضغط والضوء. التغيير في المقاومة هو أكثر أنواع الاستجابة شيوعًا لأجهزة الاستشعار شبه الموصلة.
تشمل أنواع المستشعرات التي تتيحها خصائص أشباه الموصلات ما يلي:
- مستشعر تأثير القاعة (مستشعر المجال المغناطيسي)
- الثرمستور (مستشعر درجة حرارة مقاومة)
- CCD / CMOS (مستشعر الصورة)
- الثنائي الضوئي (مستشعر الضوء)
- المقاوم الضوئي (مستشعر الضوء)
- مقاوم للضغط (مستشعرات الضغط / الانفعال)