Kuidas elektroonika töötab: pooljuhtide põhitõed

Kaasaegne tehnoloogia on võimalik tänu materjalide klassile, mida nimetatakse pooljuhtideks. Kõik aktiivsed komponendid, integreeritud ahelad, mikrokiibid, transistorid ja paljud andurid on ehitatud pooljuhtmaterjalidest.

Kuigi räni on elektroonikas kõige laialdasemalt kasutatav pooljuhtmaterjal, kasutatakse mitmesuguseid pooljuhte, sealhulgas germaaniumi, galliumarseniidi, ränikarbiidi ja orgaanilisi pooljuhte. Igal materjalil on eelised, nagu kulu ja jõudluse suhe, kiire töö, kõrge temperatuuri taluvus või soovitud vastus signaalile.

Pooljuhid

Pooljuhid on kasulikud, kuna insenerid kontrollivad elektrilisi omadusi ja käitumist tootmisprotsessi ajal. Pooljuhtide omadusi kontrollitakse väikese koguse lisandite lisamisega pooljuhtidesse protsessi, mida nimetatakse doping. Erinevad lisandid ja kontsentratsioonid avaldavad erinevat mõju. Dopingut kontrollides saab kontrollida elektrivoolu liikumist läbi pooljuhi.

Tüüpilises juhis, nagu vask, kannavad elektronid voolu ja toimivad laengukandjana. Pooljuhtides toimivad laengukandjatena nii elektronid kui ka augud (elektroni puudumine). Pooljuhi dopingu juhtimisega kohandatakse juhtivus ja laengukandja elektroni- või augupõhiseks.

Dopingut on kahte tüüpi:

• N-tüüpi lisanditel, tavaliselt fosforil või arseenil, on viis elektroni, mis pooljuhile lisamisel annavad täiendava vaba elektroni. Kuna elektronidel on negatiivne laeng, nimetatakse sel viisil legeeritud materjali N-tüüpi.
• P-tüüpi lisanditel, nagu boor ja gallium, on kolm elektroni, mille tulemusena pooljuhtkristallides elektron puudub. See tekitab augu või positiivse laengu, sellest ka nimi P-tüüp.

Nii N-tüüpi kui ka P-tüüpi lisandid teevad pooljuhist korraliku juhi, isegi väikestes kogustes. N-tüüpi ja P-tüüpi pooljuhid pole aga erilised ja on vaid korralikud juhid. Kui need tüübid asetatakse üksteisega kontakti, moodustades P-N-siirde, saab pooljuht erineva ja kasuliku käitumise.

P-N ristmiku diood

A P-N ristmik, erinevalt igast materjalist eraldi, ei toimi nagu dirigent. Selle asemel, et lasta voolul voolata kummaski suunas, võimaldab P-N-ristmik voolu voolata ainult ühes suunas, luues põhidioodi.

Pinge rakendamine P-N-siirdele edasisuunas (edasisuunaline nihe) aitab N-tüüpi piirkonna elektronidel ühineda P-tüüpi piirkonna aukudega. Püüdes pöörata voolu voolu (vastupidine eelpinge) läbi diood sunnib elektronid ja augud lahku minema, mis takistab voolu liikumist üle ristmiku. P-N-siirte muul viisil kombineerimine avab uksed teistele pooljuhtkomponentidele, näiteks transistorile.

Transistorid

Põhitransistor on valmistatud kolme N-tüüpi ja P-tüüpi materjali ristmiku kombinatsioonist, mitte kahest, mida kasutatakse dioodis. Nende materjalide kombineerimisel saadakse NPN- ja PNP-transistorid, mida tuntakse bipolaarsete ristmiktransistoritena (BJT). Kesk- või baaspiirkond BJT võimaldab transistoril toimida lüliti või võimendina.

NPN- ja PNP-transistorid näevad välja nagu kaks dioodi, mis on paigutatud vastamisi, mis blokeerivad kogu voolu voolamise kummaski suunas. Kui keskkiht on ettepoole kallutatud, nii et keskkihti läbib väike vool, siis Keskmise kihiga moodustatud dioodi omadused muutuvad, et võimaldada suurema voolu läbimist kogu seade. See käitumine annab transistorile võime võimendada väikeseid voolusid ja toimida lülitina, mis lülitab vooluallika sisse või välja.

Paljud tüüpi transistorid ja muud pooljuhtseadmed tulenevad P-N-siirde kombineerimisest mitmel viisil, alates täiustatud erifunktsiooniga transistoridest kuni juhitavate dioodideni. Järgmised on mõned komponendid, mis on valmistatud P-N-ristmike hoolikatest kombinatsioonidest:

• DIAC
• Laserdiood
• Valgusdiood (LED)
• Zeneri diood
• Darlingtoni transistor
• Väljatransistor (sh MOSFET-id)
• IGBT transistor
• Ränist juhitav alaldi
• Integraallülitus
• Mikroprotsessor
• Digitaalne mälu (RAM ja ROM)

Andurid

Lisaks voolu juhtimisele, mida pooljuhid võimaldavad, on pooljuhtidel ka omadusi, mis muudavad andurid tõhusaks. Neid saab muuta temperatuuri, rõhu ja valguse muutuste suhtes tundlikuks. Takistuse muutus on pooljuhtanduri kõige levinum reaktsioonitüüp.

Pooljuhtide omadustest tulenevad andurite tüübid on järgmised:

• Halli efekti andur (magnetvälja andur)
• Termistor (takistuslik temperatuuriandur)
• CCD/CMOS (pildiandur)
• Fotodiood (valgusandur)
• Fototakisti (valgusandur)
• Piesoresistiivne (rõhu-/pingeandurid)