Kako deluje elektronika: Osnove polprevodnikov

Sodobna tehnologija je mogoča zaradi razreda materialov, imenovanih polprevodniki. Vse aktivne komponente, integrirane vezja, mikročipi, tranzistorji in številni senzorji so izdelani iz polprevodniških materialov.

Medtem ko je silicij najbolj razširjen polprevodniški material v elektroniki, se uporablja vrsta polprevodnikov, vključno z germanijem, galijevim arzenidom, silicijevim karbidom in organskimi polprevodniki. Vsak material ima prednosti, kot so razmerje med ceno in zmogljivostjo, hitro delovanje, visoko temperaturno toleranco ali želeni odziv na signal.

Polprevodniki

Polprevodniki so uporabni, ker inženirji nadzorujejo električne lastnosti in obnašanje med proizvodnim procesom. Lastnosti polprevodnikov se nadzorujejo z dodajanjem majhnih količin nečistoč v polprevodnik s postopkom, imenovanim doping. Različne nečistoče in koncentracije povzročajo različne učinke. Z nadzorovanjem dopinga je mogoče nadzorovati način, kako se električni tok premika skozi polprevodnik.

V tipičnem prevodniku, kot je baker, elektroni prenašajo tok in delujejo kot nosilec naboja. V polprevodnikih tako elektroni kot luknje (odsotnost elektrona) delujejo kot nosilci naboja. Z nadzorovanjem dopinga polprevodnika sta prevodnost in nosilec naboja prilagojena tako, da temeljita na elektronu ali luknji.

Obstajata dve vrsti dopinga:

• Dopanti tipa N, običajno fosfor ali arzen, imajo pet elektronov, ki, če jih dodamo polprevodniku, zagotovijo dodaten prosti elektron. Ker imajo elektroni negativen naboj, se tako dopiran material imenuje N-tip.
• Dopanti tipa P, kot sta bor in galij, imajo tri elektrone, kar povzroči odsotnost elektrona v polprevodniškem kristalu. To ustvari luknjo ali pozitiven naboj, od tod tudi ime P-tip.

Dopanti tipa N in P, tudi v majhnih količinah, naredijo polprevodnik dostojen prevodnik. Vendar polprevodniki tipa N in P niso posebni in so le spodobni prevodniki. Ko se te vrste postavijo v stik med seboj in tvorijo P-N stičišče, dobi polprevodnik drugačno in uporabno obnašanje.

P-N spojna dioda

A P-N stičišče, za razliko od vsakega materiala posebej, ne deluje kot prevodnik. Namesto da dovoli tok v katero koli smer, P-N spoj omogoča, da tok teče samo v eni smeri, kar ustvarja osnovno diodo.

Uporaba napetosti na P-N stičišču v smeri naprej (pristranskost naprej) pomaga, da se elektroni v območju N-tipa združijo z luknjami v območju P-tipa. Poskus obrniti tok (povratna pristranskost) skozi dioda sili elektrone in luknje narazen, kar preprečuje pretok toka čez stičišče. Kombinacija P-N stičišč na druge načine odpira vrata do drugih polprevodniških komponent, kot je tranzistor.

Tranzistorji

Osnovni tranzistor je narejen iz kombinacije stičišča treh materialov tipa N in P in ne dveh, uporabljenih v diodi. Kombinacija teh materialov daje tranzistorje NPN in PNP, ki so znani kot bipolarni tranzistorji (BJT). Središče ali osnovna regija BJT omogoča, da tranzistor deluje kot stikalo ali ojačevalnik.

NPN in PNP tranzistorji izgledajo kot dve diodi, ki sta nameščeni nazaj, kar blokira ves tok, da teče v obe smeri. Ko je osrednja plast nagnjena naprej, tako da skozi osrednjo plast teče majhen tok, se Lastnosti diode, oblikovane s središčno plastjo, se spremenijo, da omogočijo pretok večjega toka čez celotno napravo. To vedenje daje tranzistorju možnost, da ojača majhne tokove in deluje kot stikalo, ki vklopi ali izklopi vir toka.

Številne vrste tranzistorjev in drugih polprevodniških naprav so rezultat kombiniranja P-N stičišč na več načinov, od naprednih tranzistorjev s posebnimi funkcijami do nadzorovanih diod. Spodaj je nekaj komponent, narejenih iz previdnih kombinacij P-N stičišč:

• DIAC
• Laserska dioda
• Svetleča dioda (LED)
• Zener dioda
• Darlington tranzistor
• Tranzistor z učinkom polja (vključno z MOSFET-i)
• IGBT tranzistor
• Silikonski nadzorovan usmernik
• Integrirano vezje
• Mikroprocesor
• Digitalni pomnilnik (Oven in ROM)

Senzorji

Poleg trenutnega nadzora, ki ga polprevodniki omogočajo, imajo polprevodniki tudi lastnosti, ki omogočajo učinkovite senzorje. Ti so lahko občutljivi na spremembe temperature, tlaka in svetlobe. Sprememba upora je najpogostejša vrsta odziva za polprevodni senzor.

Vrste senzorjev, ki jih omogočajo polprevodniške lastnosti, vključujejo:

• Hallov senzor (senzor magnetnega polja)
• Termistor (uporovni temperaturni senzor)
• CCD/CMOS (senzor slike)
• fotodioda (senzor svetlobe)
• Fotoupor (svetlobni senzor)
• Piezorezistivni (senzorji tlaka/deformacije)