Jak funguje elektronika: Základy polovodičů

Moderní technologie je umožněna díky třídě materiálů nazývaných polovodiče. Všechny aktivní komponenty, integrované obvody, mikročipy, tranzistory a mnoho senzorů je vyrobeno z polovodičových materiálů.

Zatímco křemík je nejrozšířenějším polovodičovým materiálem v elektronice, používá se řada polovodičů, včetně germania, arsenidu galia, karbidu křemíku a organických polovodičů. Každý materiál má výhody, jako je poměr ceny a výkonu, vysokorychlostní provoz, tolerance vysokých teplot nebo požadovaná odezva na signál.

Polovodiče

Polovodiče jsou užitečné, protože inženýři řídí elektrické vlastnosti a chování během výrobního procesu. Vlastnosti polovodičů jsou řízeny přidáváním malých množství nečistot do polovodiče prostřednictvím procesu tzv doping. Různé nečistoty a koncentrace vyvolávají různé účinky. Řízením dopingu lze řídit způsob, jakým se elektrický proud pohybuje polovodičem.

V typickém vodiči, jako je měď, přenášejí elektrony proud a fungují jako nosič náboje. V polovodičích působí elektrony i díry (nepřítomnost elektronu) jako nosiče náboje. Řízením dotování polovodiče jsou vodivost a nosič náboje přizpůsobeny tak, aby byly založeny buď na elektronu nebo na díře.

Existují dva druhy dopingu:

• Dopanty typu N, typicky fosfor nebo arsen, mají pět elektronů, které po přidání do polovodiče poskytují další volný elektron. Protože elektrony mají záporný náboj, materiál dopovaný tímto způsobem se nazývá N-typ.
• Dopanty typu P, jako je bor a galium, mají tři elektrony, což vede k nepřítomnosti elektronu v krystalu polovodiče. Vznikne tak díra nebo kladný náboj, odtud název P-type.

Jak příměsi typu N, tak i typu P, dokonce i v nepatrném množství, dělají z polovodiče slušný vodič. Polovodiče typu N a P však nejsou speciální a jsou to pouze slušné vodiče. Když jsou tyto typy umístěny ve vzájemném kontaktu a tvoří P-N přechod, získá polovodič odlišné a užitečné chování.

Dioda P-N Junction

A P-N křižovatka, na rozdíl od každého materiálu zvlášť, nepůsobí jako vodič. Spíše než umožnit proudění proudu v obou směrech, P-N přechod umožňuje proudění proudu pouze jedním směrem, čímž se vytvoří základní dioda.

Aplikace napětí přes P-N přechod v dopředném směru (dopředné předpětí) pomáhá elektronům v oblasti typu N spojit se s otvory v oblasti typu P. Pokus o obrácení toku proudu (reverzní předpětí) skrz dioda nutí elektrony a díry od sebe, což zabraňuje proudu protékat přes přechod. Kombinace P-N přechodů jinými způsoby otevírá dveře dalším polovodičovým součástkám, jako je tranzistor.

Tranzistory

Základní tranzistor je vyroben z kombinace tří materiálů typu N a P, nikoli dvou použitých v diodě. Kombinací těchto materiálů vznikají tranzistory NPN a PNP, které jsou známé jako bipolární tranzistory (BJT). Středová nebo základní oblast BJT umožňuje tranzistoru fungovat jako spínač nebo zesilovač.

Tranzistory NPN a PNP vypadají jako dvě diody umístěné zády k sobě, které blokují tok veškerého proudu v obou směrech. Když je střední vrstva nakloněna dopředu, takže střední vrstvou protéká malý proud vlastnosti diody vytvořené se střední vrstvou se mění, aby umožnily větší proud protékat skrz celé zařízení. Toto chování dává tranzistoru schopnost zesilovat malé proudy a fungovat jako spínač, který zapíná nebo vypíná zdroj proudu.

Mnoho typů tranzistorů a dalších polovodičových zařízení je výsledkem kombinace P-N přechodů několika způsoby, od pokročilých tranzistorů se speciální funkcí až po řízené diody. Následuje několik komponent vyrobených z pečlivých kombinací P-N přechodů:

• DIAC
• Laserová dioda
• Světelná dioda (VEDENÝ)
• Zenerova dioda
• Darlingtonův tranzistor
• Tranzistor s efektem pole (včetně MOSFETů)
• IGBT tranzistor
• Silikonem řízený usměrňovač
• Integrovaný obvod
• Mikroprocesor
• Digitální paměť (RAM a ROM)

Senzory

Kromě kontroly proudu, kterou polovodiče umožňují, mají polovodiče také vlastnosti, které tvoří efektivní senzory. Mohou být vyrobeny tak, aby byly citlivé na změny teploty, tlaku a světla. Změna odporu je nejběžnějším typem odezvy polovodičového senzoru.

Typy senzorů, které umožňují vlastnosti polovodičů, zahrnují:

• Hallův senzor (senzor magnetického pole)
• termistor (odporový teplotní senzor)
• CCD/CMOS (obrazový snímač)
• Fotodioda (světelný senzor)
• Fotorezistor (světelný senzor)
• Piezorezistivní (snímače tlaku/napětí)