როგორ მუშაობს ელექტრონიკა: ნახევარგამტარების საფუძვლები
თანამედროვე ტექნოლოგია შესაძლებელი გახდა მასალების კლასის გამო, რომელსაც ეწოდება ნახევარგამტარები. ყველა აქტიური კომპონენტი, ინტეგრირებული სქემები, მიკროჩიპები, ტრანზისტორები და მრავალი სენსორი აგებულია ნახევარგამტარული მასალებით.
მიუხედავად იმისა, რომ სილიციუმი არის ყველაზე ფართოდ გამოყენებული ნახევარგამტარული მასალა ელექტრონიკაში, გამოიყენება ნახევარგამტარების მთელი რიგი, მათ შორის გერმანიუმი, გალიუმის არსენიდი, სილიციუმის კარბიდი და ორგანული ნახევარგამტარები. თითოეულ მასალას აქვს ისეთი უპირატესობები, როგორიცაა ღირებულებისა და შესრულების თანაფარდობა, მაღალი სიჩქარით მუშაობა, მაღალი ტემპერატურის ტოლერანტობა ან სასურველი პასუხი სიგნალზე.
ნახევარგამტარები
ნახევარგამტარები სასარგებლოა, რადგან ინჟინრები აკონტროლებენ ელექტრულ თვისებებს და ქცევას წარმოების პროცესში. ნახევარგამტარის თვისებები კონტროლდება ნახევარგამტარში მცირე რაოდენობით მინარევების დამატებით პროცესის მეშვეობით, რომელსაც ე.წ. დოპინგი. სხვადასხვა მინარევები და კონცენტრაცია სხვადასხვა ეფექტს იძლევა. დოპინგის კონტროლით, შესაძლებელია ელექტრული დენის გადაადგილების გზა ნახევარგამტარში.
ტიპიურ გამტარში, სპილენძის მსგავსად, ელექტრონები ატარებენ დენს და მოქმედებენ როგორც მუხტის მატარებელი. ნახევარგამტარებში ელექტრონებიც და ხვრელებიც (ელექტრონის არარსებობა) მოქმედებენ როგორც მუხტის მატარებლები. ნახევარგამტარის დოპინგის კონტროლით, გამტარობა და მუხტის მატარებელი მორგებულია ელექტრონებზე ან ხვრელებზე.
დოპინგის ორი ტიპი არსებობს:
- N- ტიპის დოპანტებს, როგორც წესი, ფოსფორს ან დარიშხანს, აქვთ ხუთი ელექტრონი, რომლებიც ნახევარგამტარში დამატებისას დამატებით თავისუფალ ელექტრონს იძლევა. ვინაიდან ელექტრონებს აქვთ უარყოფითი მუხტი, ამ გზით დოპინგის მასალას N-ტიპი ეწოდება.
- P-ტიპის დოპანტებს, როგორიცაა ბორი და გალიუმი, აქვთ სამი ელექტრონი, რაც იწვევს ელექტრონის არარსებობას ნახევარგამტარ კრისტალში. ეს ქმნის ხვრელს ან დადებით მუხტს, აქედან გამომდინარე, სახელწოდება P-ტიპი.
როგორც N-ის, ასევე P-ტიპის დოპანტები, თუნდაც მცირე რაოდენობით, ნახევარგამტარს აქცევს ღირსეულ გამტარს. თუმცა, N- და P- ტიპის ნახევარგამტარები არ არის განსაკუთრებული და მხოლოდ წესიერი გამტარებია. როდესაც ეს ტიპები ერთმანეთთან კონტაქტშია მოთავსებული, ქმნიან P-N შეერთებას, ნახევარგამტარი იღებს განსხვავებულ და სასარგებლო ქცევას.
P-N შეერთების დიოდი
ა P-N შეერთებაცალ-ცალკე თითოეული მასალისგან განსხვავებით, არ მოქმედებს როგორც გამტარი. იმის მაგივრად, რომ დენი მიედინოს რომელიმე მიმართულებით, P-N შეერთება საშუალებას აძლევს დენს გადინდეს მხოლოდ ერთი მიმართულებით, რაც ქმნის ძირითად დიოდს.
ძაბვის გამოყენება P-N შეერთებაზე წინა მიმართულებით (წინ მიკერძოება) ეხმარება ელექტრონებს N-ტიპის რეგიონში გაერთიანდეს P- ტიპის რეგიონში არსებულ ხვრელებს. მცდელობა შეცვალოს დენის დინება (უკუ მიკერძოება) მეშვეობით დიოდი აიძულებს ელექტრონებს და ხვრელებს ერთმანეთისგან დაშორდეს, რაც ხელს უშლის დენის გადინებას შეერთების გასწვრივ. P-N შეერთების სხვა გზებით გაერთიანება ხსნის კარებს სხვა ნახევარგამტარული კომპონენტებისთვის, როგორიცაა ტრანზისტორი.
ტრანზისტორები
ძირითადი ტრანზისტორი მზადდება სამი N- და P-ტიპის მასალის შეერთების კომბინაციით, ვიდრე დიოდში გამოყენებული ორი. ამ მასალების შერწყმით წარმოიქმნება NPN და PNP ტრანზისტორები, რომლებიც ცნობილია როგორც ბიპოლარული შეერთების ტრანზისტორები (BJT). ცენტრი, ანუ ბაზა, რეგიონი BJT საშუალებას აძლევს ტრანზისტორს იმოქმედოს როგორც გადამრთველი ან გამაძლიერებელი.
NPN და PNP ტრანზისტორები ჰგავს ორ დიოდს, რომლებიც მოთავსებულია უკანა მხარეს, რაც ბლოკავს ყველა დენს ორივე მიმართულებით. როდესაც ცენტრალური ფენა წინ არის მიკერძოებული ისე, რომ მცირე დენი მიედინება ცენტრალურ ფენაში, დიოდის თვისებები, რომელიც წარმოიქმნება ცენტრალური ფენით, იცვლება, რათა უფრო დიდი დენი მიედინოს მასზე მთელი მოწყობილობა. ეს ქცევა აძლევს ტრანზისტორს შესაძლებლობას გააძლიეროს მცირე დენები და იმოქმედოს როგორც გადამრთველი, რომელიც რთავს ან გამორთავს დენის წყაროს.
მრავალი სახის ტრანზისტორები და სხვა ნახევარგამტარული მოწყობილობები წარმოიქმნება P-N შეერთების რამდენიმე გზით გაერთიანების შედეგად, მოწინავე, სპეციალური ფუნქციის ტრანზისტორებიდან კონტროლირებად დიოდებამდე. ქვემოთ მოცემულია რამდენიმე კომპონენტი, რომელიც დამზადებულია P-N შეერთების ფრთხილად კომბინაციით:
- DIAC
- ლაზერული დიოდი
- სინათლის დიოდი (LED)
- ზენერის დიოდი
- დარლინგტონის ტრანზისტორი
- საველე ეფექტის ტრანზისტორი (მასფეტების ჩათვლით)
- IGBT ტრანზისტორი
- სილიკონის კონტროლირებადი რექტიფიკატორი
- ინტეგრირებული წრე
- მიკროპროცესორი
- ციფრული მეხსიერება (ოპერატიული მეხსიერება და ROM)
სენსორები
გარდა მიმდინარე კონტროლისა, რომელსაც ნახევარგამტარები იძლევა, ნახევარგამტარებს ასევე აქვთ თვისებები, რომლებიც ქმნიან ეფექტურ სენსორებს. ისინი შეიძლება იყოს მგრძნობიარე ტემპერატურის, წნევის და სინათლის ცვლილებების მიმართ. წინააღმდეგობის ცვლილება არის ყველაზე გავრცელებული ტიპის რეაქცია ნახევარგამტარული სენსორისთვის.
სენსორების ტიპები, რომლებიც შესაძლებელი გახდა ნახევარგამტარული თვისებებით, მოიცავს:
- ჰოლის ეფექტის სენსორი (მაგნიტური ველის სენსორი)
- თერმისტორი (რეზისტენტული ტემპერატურის სენსორი)
- CCD/CMOS (გამოსახულების სენსორი)
- ფოტოდიოდი (შუქის სენსორი)
- ფოტორეზისტორი (შუქის სენსორი)
- პიეზორეზისტი (წნევის/დაძაბვის სენსორები)