Miten elektroniikka toimii: puolijohteiden perusteet

Nykyaikainen tekniikka on mahdollista puolijohteiksi kutsuttujen materiaalien luokan ansiosta. Kaikki aktiiviset komponentit, integroitu piirit, mikrosirut, transistorit ja monet anturit on rakennettu puolijohdemateriaaleista.

Vaikka pii on laajimmin käytetty puolijohdemateriaali elektroniikassa, käytetään erilaisia ​​puolijohteita, mukaan lukien germanium, galliumarsenidi, piikarbidi ja orgaaniset puolijohteet. Jokaisella materiaalilla on etuja, kuten kustannus-suorituskykysuhde, nopea toiminta, korkean lämpötilan sietokyky tai haluttu vaste signaaliin.

Puolijohteet

Puolijohteet ovat hyödyllisiä, koska insinöörit hallitsevat sähköisiä ominaisuuksia ja käyttäytymistä valmistusprosessin aikana. Puolijohteiden ominaisuuksia ohjataan lisäämällä pieniä määriä epäpuhtauksia puolijohteeseen prosessin kautta, ns. doping. Erilaiset epäpuhtaudet ja pitoisuudet tuottavat erilaisia ​​vaikutuksia. Ohjaamalla dopingia voidaan ohjata tapaa, jolla sähkövirta liikkuu puolijohteen läpi.

Tyypillisessä johtimessa, kuten kuparissa, elektronit kuljettavat virtaa ja toimivat varauksen kantajana. Puolijohteissa sekä elektronit että reiät (elektronin puuttuminen) toimivat varauksen kantajina. Puolijohteen seostusta ohjaamalla johtavuus ja varauksenkantaja räätälöidään joko elektroni- tai aukkopohjaisiksi.

Dopingia on kahta tyyppiä:

• N-tyypin seostusaineissa, tyypillisesti fosforissa tai arseenissa, on viisi elektronia, jotka puolijohteeseen lisättynä muodostavat ylimääräisen vapaan elektronin. Koska elektroneilla on negatiivinen varaus, tällä tavalla seostettua materiaalia kutsutaan N-tyypiksi.
• P-tyypin seostusaineissa, kuten boorissa ja galliumissa, on kolme elektronia, mikä johtaa elektronin puuttumiseen puolijohdekiteessä. Tämä luo reiän tai positiivisen varauksen, mistä johtuu nimi P-tyyppi.

Sekä N-tyypin että P-tyypin seostusaineet tekevät puolijohteesta kunnollisen johtimen, jopa pieninä määrinä. N-tyypin ja P-tyypin puolijohteet eivät kuitenkaan ole erityisiä ja ovat vain kunnollisia johtimia. Kun nämä tyypit asetetaan kosketukseen toistensa kanssa muodostaen P-N-liitoksen, puolijohde saa erilaisia ​​ja hyödyllisiä käyttäytymismalleja.

P-N-liitosdiodi

A P-N risteys, toisin kuin jokainen materiaali erikseen, ei toimi johtimena. Sen sijaan, että P-N-liitos sallisi virran kulkea kumpaankin suuntaan, se sallii virran kulkemisen vain yhteen suuntaan, mikä luo perusdiodin.

Jännitteen kohdistaminen P-N-liitoksen yli eteenpäin (forward bias) auttaa N-tyypin alueella olevia elektroneja yhdistymään P-tyypin alueen reikiin. Yritetään kääntää virran virtaus (käänteinen bias) virran läpi diodi pakottaa elektronit ja aukot erilleen, mikä estää virtaa kulkemasta liitoksen yli. P-N-liitosten yhdistäminen muilla tavoilla avaa ovet muille puolijohdekomponenteille, kuten transistorille.

Transistorit

Perustransistori on valmistettu kolmen N-tyypin ja P-tyypin materiaalin liitoksen yhdistelmästä diodissa käytetyn kahden sijaan. Näiden materiaalien yhdistäminen tuottaa NPN- ja PNP-transistoreja, jotka tunnetaan bipolaaristen liitostransistoreina (BJT). Keski- tai kanta-alue BJT sallii transistorin toimia kytkimenä tai vahvistimena.

NPN- ja PNP-transistorit näyttävät kahdelta vastakkain sijoitetulta diodilta, mikä estää kaiken virran kulkemisen kumpaankin suuntaan. Kun keskikerros on esijännitetty eteenpäin niin, että pieni virta kulkee keskikerroksen läpi, Keskikerroksen kanssa muodostetun diodin ominaisuudet muuttuvat sallien suuremman virran kulkemisen sen läpi koko laite. Tämä toiminta antaa transistorille mahdollisuuden vahvistaa pieniä virtoja ja toimia kytkimenä, joka kytkee virtalähteen päälle tai pois päältä.

Monen tyyppiset transistorit ja muut puolijohdelaitteet syntyvät yhdistämällä P-N-liitoksia useilla tavoilla, edistyneistä erikoistoimintotransistoreista ohjattuihin diodeihin. Seuraavassa on muutamia P-N-liitosten huolellisista yhdistelmistä valmistettuja komponentteja:

• DIAC
• Laser diodi
• Valodiodi (LED)
• Zener diodi
• Darlington transistori
• Kenttätransistori (mukaan lukien MOSFET)
• IGBT transistori
• Silikoniohjattu tasasuuntaaja
• Integroitu virtapiiri
• Mikroprosessori
• Digitaalinen muisti (RAM ja ROM)

Anturit

Puolijohteiden salliman virransäädön lisäksi puolijohteilla on myös ominaisuuksia, jotka tekevät antureista tehokkaita. Ne voidaan tehdä herkiksi lämpötilan, paineen ja valon muutoksille. Resistanssin muutos on puolijohtavan anturin yleisin vastetyyppi.

Puolijohteiden ominaisuuksien mahdollistamia anturityyppejä ovat:

• Hall-anturi (magneettikenttäanturi)
• Termistori (resistiivinen lämpötila-anturi)
• CCD/CMOS (kuvakenno)
• Valodiodi (valoanturi)
• Valovastus (valoanturi)
• Pietsoresistiiviset (paine-/venymäanturit)