Како ради електроника: основе полупроводника

Савремена технологија је омогућена захваљујући класи материјала који се називају полупроводници. Све активне компоненте, интегрисане кола, микрочипови, транзистори и многи сензори су направљени од полупроводничких материјала.

Док је силицијум најчешће коришћени полупроводнички материјал у електроници, користи се низ полупроводника, укључујући германијум, галијум арсенид, силицијум карбид и органске полупроводнике. Сваки материјал има предности као што су однос цене и перформанси, рад велике брзине, толеранција на високе температуре или жељени одговор на сигнал.

Полупроводници

Полупроводници су корисни јер инжењери контролишу електрична својства и понашање током процеса производње. Својства полупроводника се контролишу додавањем малих количина нечистоћа у полупроводник кроз процес тзв. допинг. Различите нечистоће и концентрације производе различите ефекте. Контролисањем допинга може се контролисати начин на који се електрична струја креће кроз полупроводник.

У типичном проводнику, попут бакра, електрони носе струју и делују као носилац набоја. У полупроводницима, и електрони и рупе (одсуство електрона) делују као носиоци наелектрисања. Контролом допинга полупроводника, проводљивост и носилац наелектрисања су прилагођени да буду засновани на електрону или на рупи.

Постоје две врсте допинга:

• Допанти Н-типа, обично фосфор или арсен, имају пет електрона, који, када се додају у полупроводник, пружају додатни слободни електрон. Пошто електрони имају негативно наелектрисање, материјал допиран на овај начин назива се Н-тип.
• Допанти типа П, као што су бор и галијум, имају три електрона, што резултира одсуством електрона у полупроводничком кристалу. Ово ствара рупу или позитивно наелектрисање, па отуда и назив П-тип.

Допанти типа Н и П, чак и у малим количинама, чине полупроводник пристојним проводником. Међутим, полупроводници типа Н и П нису посебни и само су пристојни проводници. Када се ови типови ставе у контакт један са другим, формирајући П-Н спој, полупроводник добија другачије и корисно понашање.

П-Н спојна диода

А П-Н спој, за разлику од сваког материјала посебно, не делује као проводник. Уместо да дозволи струји да тече у било ком смеру, П-Н спој омогућава струји да тече само у једном смеру, стварајући основну диоду.

Примена напона преко П-Н споја у правцу унапред (преднагиб) помаже да се електрони у региону Н-типа комбинују са рупама у региону П-типа. Покушај да се обрне ток струје (обрнуто пристрасност) кроз диода присиљава електроне и рупе одвојено, што спречава струју да тече преко споја. Комбиновање П-Н спојева на друге начине отвара врата другим полупроводничким компонентама, као што је транзистор.

Транзистори

Основни транзистор је направљен од комбинације споја три материјала Н-типа и П-типа, а не два која се користе у диоди. Комбиновањем ових материјала добијају се НПН и ПНП транзистори, који су познати као транзистори биполарног споја (БЈТ). Централни или базни регион БЈТ омогућава транзистору да делује као прекидач или појачало.

НПН и ПНП транзистори изгледају као две диоде постављене једна уз другу, што блокира сву струју да тече у оба смера. Када је средишњи слој пристрасан напред тако да мала струја тече кроз средишњи слој, својства диоде формиране са средишњим слојем се мењају како би се омогућила већа струја да тече преко цео уређај. Ово понашање даје транзистору могућност да појача мале струје и делује као прекидач који укључује или искључује извор струје.

Многи типови транзистора и других полупроводничких уређаја су резултат комбиновања П-Н спојева на неколико начина, од напредних транзистора са посебним функцијама до контролисаних диода. Ево неколико компоненти направљених од пажљивих комбинација П-Н спојева:

• ДИАЦ
• Ласерска диода
• Светлећа диода (ЛЕД)
• Зенер диода
• Дарлингтон транзистор
• Транзистор са ефектом поља (укључујући МОСФЕТ)
• ИГБТ транзистор
• Силицијум контролисан исправљач
• Интегрално коло
• Микропроцесор
• Дигитална меморија (РАМ и РОМ)

Сензори

Поред тренутне контроле коју полупроводници дозвољавају, полупроводници такође имају својства која чине ефикасне сензоре. Они могу бити осетљиви на промене температуре, притиска и светлости. Промена отпора је најчешћи тип одговора за полупроводнички сензор.

Типови сензора које омогућавају својства полупроводника укључују:

• Сензор Холовог ефекта (сензор магнетног поља)
• Термистор (отпорни температурни сензор)
• ЦЦД/ЦМОС (сензор слике)
• Фотодиода (сензор светлости)
• Фотоотпорник (сензор светлости)
• Пиезорезистивни (сензори притиска/напрезања)