エレクトロニクスのしくみ：半導体の基礎

半導体と呼ばれる材料のクラスによって、現代の技術が可能になりました。 統合されたすべてのアクティブコンポーネント 回路、マイクロチップ、トランジスタ、および多くのセンサーは、半導体材料で構築されています。

シリコンはエレクトロニクスで最も広く使用されている半導体材料ですが、ゲルマニウム、ガリウムヒ素、炭化ケイ素、有機半導体など、さまざまな半導体が使用されています。 各材料には、コストパフォーマンス比、高速動作、高温耐性、信号に対する望ましい応答などの利点があります。

半導体

半導体は、エンジニアが製造プロセス中に電気的特性と動作を制御するため、便利です。 半導体の特性は、半導体に少量の不純物を加えることによって制御されます。 ドーピング. 不純物と濃度が異なれば、効果も異なります。 ドーピングを制御することにより、電流が半導体を通過する方法を制御することができます。

銅のような典型的な導体では、電子が電流を運び、電荷担体として機能します。 半導体では、電子と正孔（電子が存在しない）の両方が電荷キャリアとして機能します。 半導体のドーピングを制御することにより、導電率と電荷キャリアは電子ベースまたは正孔ベースのいずれかに調整されます。

ドーピングには2つのタイプがあります。

• N型ドーパント（通常はリンまたはヒ素）には5つの電子があり、半導体に追加すると、余分な自由電子を提供します。 電子は負の電荷を持っているので、このようにドープされた材料はN型と呼ばれます。
• ホウ素やガリウムなどのP型ドーパントには3つの電子があり、その結果、半導体結晶に電子が存在しません。 これにより、穴または正電荷が作成されるため、Pタイプと呼ばれます。

N型とP型の両方のドーパントは、たとえ微量であっても、半導体をまともな導体にします。 ただし、N型とP型の半導体は特別なものではなく、まともな導体にすぎません。 これらのタイプが互いに接触して配置され、P-N接合を形成すると、半導体は異なる有用な動作をします。

P-N接合ダイオード

NS P-N接合、各材料とは異なり、導体のようには機能しません。 P-N接合では、電流がどちらの方向にも流れるのではなく、電流が一方向にのみ流れるようにして、基本的なダイオードを作成します。

P-N接合に順方向に電圧を印加すると（順方向バイアス）、N型領域の電子がP型領域の正孔と結合するのに役立ちます。 を流れる電流の流れを逆にしようとしています（逆バイアス） ダイオード 電子と正孔を強制的に離し、電流が接合を横切って流れるのを防ぎます。 P-N接合を他の方法で組み合わせると、トランジスタなどの他の半導体コンポーネントへの扉が開かれます。

トランジスタ

基本的なトランジスタは、ダイオードで使用される2つではなく、3つのN型とP型の材料の接合部の組み合わせから作られています。 これらの材料を組み合わせると、バイポーラ接合トランジスタ（BJT）として知られるNPNトランジスタとPNPトランジスタが得られます。 中央またはベースの領域BJTにより、トランジスタをスイッチまたは増幅器として機能させることができます。

NPNおよびPNPトランジスタは、背中合わせに配置された2つのダイオードのように見え、すべての電流がどちらの方向にも流れるのをブロックします。 中心層に順方向バイアスがかかり、中心層に小さな電流が流れると、 中心層で形成されたダイオードの特性が変化して、より大きな電流が デバイス全体。 この動作により、トランジスタは小電流を増幅し、電流源をオンまたはオフにするスイッチとして機能します。

多くの種類のトランジスタやその他の半導体デバイスは、高度な特殊機能トランジスタから制御されたダイオードまで、いくつかの方法でP-N接合を組み合わせることで得られます。 以下は、P-N接合の注意深い組み合わせから作られたコンポーネントのいくつかです。

• DIAC
• レーザーダイオード
• 発光ダイオード （導いた)
• ツェナーダイオード
• ダーリントントランジスタ
• 電界効果トランジスタ（MOSFETを含む）
• IGBTトランジスタ
• シリコン制御整流子
• 集積回路
• マイクロプロセッサ
• デジタルメモリ（羊 およびROM）

センサー

半導体が可能にする電流制御に加えて、半導体には効果的なセンサーを作る特性もあります。 これらは、温度、圧力、および光の変化に敏感になるようにすることができます。 抵抗の変化は、半導体センサーの最も一般的なタイプの応答です。

半導体の特性によって可能になるセンサーの種類は次のとおりです。

• ホール効果センサー（磁界センサー）
• サーミスタ（抵抗温度センサー）
• CCD / CMOS（イメージセンサー）
• フォトダイオード（光センサー）
• フォトレジスター（光センサー）
• ピエゾ抵抗（圧力/ひずみセンサー）