Ako funguje elektronika: Základy polovodičov

Moderná technológia je možná vďaka triede materiálov nazývaných polovodiče. Všetky aktívne komponenty, integrované obvodov, mikročipy, tranzistory a mnohé senzory sú vyrobené z polovodičových materiálov.

Zatiaľ čo kremík je najrozšírenejším polovodičovým materiálom v elektronike, používa sa celý rad polovodičov vrátane germánia, arzenidu gália, karbidu kremíka a organických polovodičov. Každý materiál má výhody ako pomer ceny a výkonu, vysokorýchlostná prevádzka, tolerancia vysokej teploty alebo požadovaná odozva na signál.

Polovodiče

Polovodiče sú užitočné, pretože inžinieri kontrolujú elektrické vlastnosti a správanie počas výrobného procesu. Vlastnosti polovodičov sú riadené pridávaním malých množstiev nečistôt do polovodiča prostredníctvom procesu tzv doping. Rôzne nečistoty a koncentrácie spôsobujú rôzne účinky. Riadením dopingu je možné kontrolovať spôsob, akým sa elektrický prúd pohybuje cez polovodič.

V typickom vodiči, ako je meď, prenášajú elektróny prúd a pôsobia ako nosič náboja. V polovodičoch pôsobia elektróny aj diery (neprítomnosť elektrónu) ako nosiče náboja. Riadením dopovania polovodiča sú vodivosť a nosič náboja prispôsobené tak, aby boli založené buď na elektróne alebo na diere.

Existujú dva typy dopingu:

• Dopanty typu N, typicky fosfor alebo arzén, majú päť elektrónov, ktoré po pridaní do polovodiča poskytujú ďalší voľný elektrón. Pretože elektróny majú záporný náboj, materiál dopovaný týmto spôsobom sa nazýva N-typ.
• Dopanty typu P, ako je bór a gálium, majú tri elektróny, čo vedie k absencii elektrónu v polovodičovom kryštáli. Vznikne tak diera alebo kladný náboj, preto názov P-typ.

Prísady typu N aj typu P, dokonca aj v nepatrných množstvách, robia z polovodiča slušný vodič. Polovodiče typu N a P však nie sú špeciálne a sú to len slušné vodiče. Keď sú tieto typy umiestnené vo vzájomnom kontakte, čím sa vytvorí P-N prechod, polovodič získa iné a užitočné správanie.

Spojovacia dióda P-N

A P-N križovatka, na rozdiel od každého materiálu samostatne, nepôsobí ako vodič. Namiesto toho, aby umožnil prúdenie prúdu v oboch smeroch, P-N prechod umožňuje prúdenie prúdu iba jedným smerom, čím sa vytvorí základná dióda.

Aplikácia napätia cez P-N prechod v doprednom smere (predpätie) pomáha elektrónom v oblasti typu N spojiť sa s otvormi v oblasti typu P. Pokus o zvrátenie toku prúdu (reverzná odchýlka) cez dióda oddeľuje elektróny a diery od seba, čo zabraňuje prúdeniu prúdu cez spoj. Kombinácia P-N prechodov inými spôsobmi otvára dvere ďalším polovodičovým komponentom, ako je napríklad tranzistor.

Tranzistory

Základný tranzistor je vyrobený z kombinácie troch materiálov typu N a P namiesto dvoch použitých v dióde. Kombináciou týchto materiálov sa získajú tranzistory NPN a PNP, ktoré sú známe ako bipolárne tranzistory (BJT). Stredová alebo základná oblasť BJT umožňuje tranzistoru pôsobiť ako spínač alebo zosilňovač.

Tranzistory NPN a PNP vyzerajú ako dve diódy umiestnené chrbtom k sebe, ktoré blokujú tok prúdu v oboch smeroch. Keď je stredná vrstva predpätá dopredu, takže cez strednú vrstvu preteká malý prúd vlastnosti diódy vytvorenej so strednou vrstvou sa zmenia, aby umožnili väčšiemu toku prúdu celé zariadenie. Toto správanie dáva tranzistoru schopnosť zosilňovať malé prúdy a pôsobiť ako spínač, ktorý zapína alebo vypína zdroj prúdu.

Mnoho typov tranzistorov a iných polovodičových zariadení je výsledkom kombinácie P-N prechodov niekoľkými spôsobmi, od pokročilých tranzistorov so špeciálnou funkciou až po riadené diódy. Nasleduje niekoľko komponentov vyrobených starostlivými kombináciami P-N prechodov:

• DIAC
• Laserová dióda
• Dióda vyžarujúca svetlo (LED)
• Zenerova dióda
• Darlingtonov tranzistor
• Tranzistor s efektom poľa (vrátane MOSFET)
• IGBT tranzistor
• Silikónový riadený usmerňovač
• Integrovaný obvod
• Mikroprocesor
• Digitálna pamäť (RAM a ROM)

Senzory

Okrem regulácie prúdu, ktorú polovodiče umožňujú, majú polovodiče aj vlastnosti, ktoré vytvárajú efektívne senzory. Môžu byť vyrobené tak, aby boli citlivé na zmeny teploty, tlaku a svetla. Zmena odporu je najbežnejším typom odozvy pre polovodičový snímač.

Typy senzorov, ktoré umožňujú vlastnosti polovodičov, zahŕňajú:

• Hallov senzor (senzor magnetického poľa)
• termistor (odporový snímač teploty)
• CCD/CMOS (obrazový snímač)
• Fotodióda (svetelný senzor)
• Fotorezistor (svetelný senzor)
• Piezorezistívne (snímače tlaku/napätia)