Hogyan működik az elektronika: A félvezetők alapjai

A modern technológiát a félvezetőknek nevezett anyagok osztálya teszi lehetővé. Minden aktív komponens, integrálva áramkörök, mikrochipek, tranzisztorok és sok érzékelő félvezető anyagokból épül fel.

Míg a szilícium a legszélesebb körben használt félvezető anyag az elektronikában, számos félvezetőt használnak, köztük germániumot, gallium-arzenidet, szilícium-karbidot és szerves félvezetőket. Mindegyik anyagnak megvannak az előnyei, például a költség-teljesítmény arány, a nagy sebességű működés, a magas hőmérséklet tolerancia vagy a kívánt jelre adott válasz.

Félvezetők

A félvezetők hasznosak, mert a mérnökök szabályozzák az elektromos tulajdonságokat és viselkedést a gyártási folyamat során. A félvezető tulajdonságait úgy szabályozzák, hogy kis mennyiségű szennyeződést adnak a félvezetőbe az ún. dopping. A különböző szennyeződések és koncentrációk eltérő hatást váltanak ki. Az adalékolás szabályozásával szabályozható az elektromos áram áthaladása a félvezetőn.

Egy tipikus vezetőben, például a rézben, az elektronok viszik az áramot és töltéshordozóként működnek. A félvezetőkben az elektronok és a lyukak (elektron hiánya) egyaránt töltéshordozóként működnek. A félvezető adalékolásának szabályozásával a vezetőképességet és a töltéshordozót elektron- vagy lyukalapúra szabják.

Kétféle dopping létezik:

• Az N-típusú adalékanyagok, jellemzően foszfor vagy arzén, öt elektronból állnak, amelyek egy félvezetőhöz hozzáadva extra szabad elektront biztosítanak. Mivel az elektronok negatív töltésűek, az így adalékolt anyagot N-típusúnak nevezzük.
• A P-típusú adalékanyagok, például a bór és a gallium három elektronból állnak, ami azt eredményezi, hogy a félvezető kristályban nincs elektron. Ez lyukat vagy pozitív töltést hoz létre, innen ered a P-típus elnevezés.

Mind az N-típusú, mind a P-típusú adalékanyagok, még kis mennyiségben is, tisztességes vezetővé teszik a félvezetőt. Az N-típusú és P-típusú félvezetők azonban nem különlegesek, és csak tisztességes vezetők. Ha ezek a típusok érintkezésbe kerülnek egymással, P-N átmenetet képezve, a félvezető eltérő és hasznos viselkedést kap.

A P-N Junction Dióda

A P-N csomópont, ellentétben az egyes anyagokkal külön-külön, nem úgy működik, mint egy vezető. Ahelyett, hogy az áramot bármelyik irányba engedné, a P-N átmenet csak egy irányba engedi az áramot, így alapdiódát hoz létre.

Feszültség alkalmazása egy P-N átmeneten előrefelé (előfeszítés) elősegíti, hogy az N-típusú régió elektronjai egyesüljenek a P-típusú régióban lévő lyukakkal. Megkísérli megfordítani az áram áramlását (fordított előfeszítés) a dióda szétkényszeríti az elektronokat és a lyukakat, ami megakadályozza, hogy az áram átfolyjon a csomóponton. A P-N átmenetek más módon történő kombinálása megnyitja az ajtókat más félvezető alkatrészek, például a tranzisztor előtt.

Tranzisztorok

Az alaptranzisztor három N-típusú és P-típusú anyag összekapcsolásából készül, nem pedig a kettő diódában használt anyagból. Ezen anyagok kombinálásával NPN és PNP tranzisztorok jönnek létre, amelyek bipoláris átmenet tranzisztorok (BJT) néven ismertek. A középső vagy alapterület BJT lehetővé teszi, hogy a tranzisztor kapcsolóként vagy erősítőként működjön.

Az NPN és PNP tranzisztorok úgy néznek ki, mint két, egymásnak elhelyezett dióda, amely megakadályozza az áram áramlását egyik irányban. Ha a középső réteg előrefeszített, így kis áram folyik át a középső rétegen, a A középső réteggel kialakított dióda tulajdonságai megváltoznak, hogy nagyobb áram folyhasson át az egész készüléket. Ez a viselkedés lehetővé teszi a tranzisztorok számára, hogy kis áramokat erősítsenek, és kapcsolóként működjenek, amely be- vagy kikapcsolja az áramforrást.

Sokféle tranzisztor és más félvezető eszköz keletkezik a P-N átmenetek többféle módon történő kombinálásával, a fejlett, speciális funkciójú tranzisztoroktól a vezérelt diódákig. Íme néhány a P-N csomópontok gondos kombinációjából készült komponensek közül:

• DIAC
• Lézer dióda
• Fénykibocsátó dióda (VEZETTE)
• zener dióda
• Darlington tranzisztor
• Mezőhatású tranzisztor (beleértve a MOSFET-eket is)
• IGBT tranzisztor
• Szilikon vezérlésű egyenirányító
• Integrált áramkör
• Mikroprocesszor
• digitális memória (RAM és ROM)

Érzékelők

A félvezetők által megengedett áramszabályozáson túlmenően a félvezetők olyan tulajdonságokkal is rendelkeznek, amelyek hatékony érzékelőket tesznek lehetővé. Ezeket érzékenysé lehet tenni a hőmérséklet, nyomás és fényváltozásokra. Az ellenállás változása a félvezető érzékelők leggyakoribb választípusa.

A félvezető tulajdonságok által lehetővé tett érzékelők típusai a következők:

• Hall-effektus érzékelő (mágneses tér érzékelő)
• Termisztor (rezisztív hőmérséklet-érzékelő)
• CCD/CMOS (képérzékelő)
• Fotodióda (fényérzékelő)
• Fotoellenállás (fényérzékelő)
• Piezorezisztív (nyomás-/nyúlásérzékelők)