Kā darbojas elektronika: pusvadītāju pamati

Mūsdienu tehnoloģijas ir iespējamas, pateicoties materiālu klasei, ko sauc par pusvadītājiem. Visas aktīvās sastāvdaļas, integrētas ķēdēm, mikroshēmas, tranzistori un daudzi sensori ir izgatavoti no pusvadītāju materiāliem.

Lai gan silīcijs ir elektronikā visplašāk izmantotais pusvadītāju materiāls, tiek izmantoti dažādi pusvadītāji, tostarp germānija, gallija arsenīds, silīcija karbīds un organiskie pusvadītāji. Katram materiālam ir priekšrocības, piemēram, izmaksu un veiktspējas attiecība, liela ātruma darbība, augstas temperatūras tolerance vai vēlamā reakcija uz signālu.

Pusvadītāji

Pusvadītāji ir noderīgi, jo inženieri kontrolē elektriskās īpašības un uzvedību ražošanas procesā. Pusvadītāju īpašības tiek kontrolētas, pievienojot pusvadītājam nelielu daudzumu piemaisījumu, izmantojot procesu, ko sauc par dopings. Dažādi piemaisījumi un koncentrācijas rada dažādus efektus. Kontrolējot dopingu, var kontrolēt veidu, kā elektriskā strāva pārvietojas pa pusvadītāju.

Tipiskā vadītājā, piemēram, varā, elektroni nes strāvu un darbojas kā lādiņa nesējs. Pusvadītājos gan elektroni, gan caurumi (elektronu neesamība) darbojas kā lādiņa nesēji. Kontrolējot pusvadītāja dopingu, vadītspēja un lādiņa nesējs tiek pielāgoti elektroniem vai caurumiem.

Ir divi dopinga veidi:

• N tipa piedevām, parasti fosforam vai arsēnam, ir pieci elektroni, kas, pievienojot pusvadītājam, nodrošina papildu brīvo elektronu. Tā kā elektroniem ir negatīvs lādiņš, šādā veidā leģētu materiālu sauc par N tipa.
• P tipa piedevām, piemēram, boram un gallijam, ir trīs elektroni, kā rezultātā pusvadītāju kristālā nav elektrona. Tas rada caurumu vai pozitīvu lādiņu, tāpēc nosaukums P-tipa.

Gan N-veida, gan P-veida piedevas, pat nelielos daudzumos, padara pusvadītāju par pienācīgu vadītāju. Tomēr N tipa un P tipa pusvadītāji nav īpaši un ir tikai pieklājīgi vadītāji. Kad šie tipi ir saskarē viens ar otru, veidojot P-N krustojumu, pusvadītājs iegūst atšķirīgu un noderīgu uzvedību.

P-N savienojuma diode

A P-N krustojums, atšķirībā no katra materiāla atsevišķi, nedarbojas kā diriģents. Tā vietā, lai ļautu strāvai plūst abos virzienos, P-N savienojums ļauj strāvai plūst tikai vienā virzienā, radot pamata diodi.

Sprieguma pielikšana P-N krustojumam uz priekšu (novirze uz priekšu) palīdz elektroniem N-tipa reģionā apvienoties ar caurumiem P-tipa reģionā. Mēģinājums mainīt strāvas plūsmu (apgrieztā novirze) caur diode izspiež elektronus un caurumus, kas neļauj strāvai plūst pāri krustojumam. Apvienojot P-N savienojumus citos veidos, tiek atvērtas citas pusvadītāju sastāvdaļas, piemēram, tranzistors.

Tranzistori

Pamata tranzistors ir izgatavots no trīs N tipa un P veida materiālu savienojuma, nevis no diviem, ko izmanto diodēs. Apvienojot šos materiālus, tiek iegūti NPN un PNP tranzistori, kas ir pazīstami kā bipolārie savienojuma tranzistori (BJT). BJT centra vai bāzes apgabals ļauj tranzistoram darboties kā slēdzim vai pastiprinātājam.

NPN un PNP tranzistori izskatās kā divas diodes, kas novietotas aizmuguri, kas bloķē visas strāvas plūsmu abos virzienos. Kad centrālais slānis ir nobīdīts uz priekšu tā, ka caur centrālo slāni plūst neliela strāva, Diodes īpašības, kas izveidotas ar centrālo slāni, mainās, lai ļautu lielākai strāvai plūst pāri visa ierīce. Šī darbība dod tranzistoram iespēju pastiprināt nelielas strāvas un darboties kā slēdzis, kas ieslēdz vai izslēdz strāvas avotu.

Daudzu veidu tranzistori un citas pusvadītāju ierīces rodas, kombinējot P-N savienojumus vairākos veidos, sākot no progresīviem, īpašas funkcijas tranzistoriem līdz kontrolējamām diodēm. Tālāk ir minēti daži komponenti, kas izgatavoti, rūpīgi kombinējot P-N savienojumus:

• DIAC
• Lāzera diode
• Gaismas diode (LED)
• Zenera diode
• Darlingtonas tranzistors
• Lauka efekta tranzistors (ieskaitot MOSFET)
• IGBT tranzistors
• Silīcija kontrolēts taisngriezis
• Integrētā shēma
• Mikroprocesors
• Digitālā atmiņa (RAM un ROM)

Sensori

Papildus pašreizējai vadībai, ko pieļauj pusvadītāji, pusvadītājiem ir arī īpašības, kas nodrošina efektīvus sensorus. Tos var padarīt jutīgus pret temperatūras, spiediena un gaismas izmaiņām. Pretestības izmaiņas ir visizplatītākais reakcijas veids pusvadītāja sensoram.

Sensoru veidi, ko nodrošina pusvadītāju īpašības, ir šādi:

• Hallas efekta sensors (magnētiskā lauka sensors)
• Termistors (pretestības temperatūras sensors)
• CCD/CMOS (attēla sensors)
• Fotodiode (gaismas sensors)
• Fotorezistors (gaismas sensors)
• Pjezorezistīvie (spiediena/spriegojuma sensori)