Hur elektronik fungerar: Halvledargrunderna

Modern teknik är möjlig på grund av en klass av material som kallas halvledare. Alla aktiva komponenter, integrerade kretsar, mikrochips, transistorer och många sensorer är byggda med halvledarmaterial.

Medan kisel är det mest använda halvledarmaterialet inom elektronik, används en rad halvledare, inklusive germanium, galliumarsenid, kiselkarbid och organiska halvledare. Varje material har fördelar som kostnad-till-prestanda-förhållande, höghastighetsdrift, hög temperaturtolerans eller önskad respons på en signal.

Halvledare

Halvledare är användbara eftersom ingenjörer kontrollerar de elektriska egenskaperna och beteendet under tillverkningsprocessen. Halvledaregenskaper styrs genom att tillsätta små mängder föroreningar i halvledaren genom en process som kallas doping. Olika föroreningar och koncentrationer ger olika effekter. Genom att kontrollera dopningen kan sättet som elektrisk ström rör sig genom en halvledare kontrolleras.

I en typisk ledare, som koppar, bär elektroner strömmen och fungerar som laddningsbärare. I halvledare fungerar både elektroner och hål (frånvaron av en elektron) som laddningsbärare. Genom att styra dopningen av halvledaren skräddarsys konduktiviteten och laddningsbäraren för att vara antingen elektron- eller hålbaserad.

Det finns två typer av doping:

• N-typ dopmedel, typiskt fosfor eller arsenik, har fem elektroner, som, när de läggs till en halvledare, ger en extra fri elektron. Eftersom elektroner har en negativ laddning kallas ett material som dopats på detta sätt N-typ.
• P-typ dopämnen, såsom bor och gallium, har tre elektroner, vilket resulterar i frånvaron av en elektron i halvledarkristallen. Detta skapar ett hål eller en positiv laddning, därav namnet P-typ.

Dopmedel av både N- och P-typ, även i små mängder, gör en halvledare till en anständig ledare. Halvledare av N-typ och P-typ är dock inte speciella och är bara anständiga ledare. När dessa typer placeras i kontakt med varandra och bildar en P-N-övergång, får en halvledare olika och användbara beteenden.

P-N Junction Diode

A P-N-korsning, till skillnad från varje material separat, fungerar inte som en ledare. Istället för att tillåta ström att flöda i endera riktningen tillåter en P-N-övergång ström att flyta i endast en riktning, vilket skapar en grundläggande diod.

Att applicera en spänning över en P-N-övergång i framåtriktningen (forward bias) hjälper elektronerna i N-typområdet att kombineras med hålen i P-typområdet. Försöker att vända strömflödet (omvänd bias) genom diod tvingar isär elektronerna och hålen, vilket förhindrar ström från att flöda över korsningen. Genom att kombinera P-N-övergångar på andra sätt öppnas dörrarna till andra halvledarkomponenter, såsom transistorn.

Transistorer

En grundläggande transistor är gjord av kombinationen av korsningen av tre N-typ och P-typ material snarare än de två som används i en diod. Kombinationen av dessa material ger NPN- och PNP-transistorerna, som är kända som bipolära övergångstransistorer (BJT). Centrum- eller basområdet BJT tillåter transistorn att fungera som en switch eller förstärkare.

NPN- och PNP-transistorer ser ut som två dioder placerade rygg mot rygg, vilket blockerar all ström från att flöda i endera riktningen. När mittskiktet är framåtspänt så att en liten ström flyter genom mittskiktet, egenskaperna hos dioden som bildas med mittskiktet ändras för att tillåta en större ström att flyta över hela enheten. Detta beteende ger en transistor förmågan att förstärka små strömmar och fungera som en omkopplare som slår på eller av en strömkälla.

Många typer av transistorer och andra halvledarenheter är resultatet av att kombinera P-N-övergångar på flera sätt, från avancerade transistorer med specialfunktioner till styrda dioder. Följande är några av komponenterna gjorda av noggranna kombinationer av P-N-korsningar:

• DIAC
• Laserdiod
• Ljusdiod (LED)
• Zenerdiod
• Darlington transistor
• Fälteffekttransistor (inklusive MOSFETs)
• IGBT transistor
• Silikonstyrd likriktare
• Integrerad krets
• Mikroprocessor
• Digitalt minne (Bagge och ROM)

Sensorer

Utöver den strömstyrning som halvledare tillåter, har halvledare också egenskaper som ger effektiva sensorer. Dessa kan göras för att vara känsliga för förändringar i temperatur, tryck och ljus. En förändring i resistans är den vanligaste typen av respons för en halvledande sensor.

De typer av sensorer som möjliggörs av halvledaregenskaper inkluderar:

• Halleffektsensor (magnetfältsensor)
• Termistor (resistiv temperatursensor)
• CCD/CMOS (bildsensor)
• Fotodiod (ljussensor)
• Fotoresistor (ljussensor)
• Piezoresistiv (tryck-/töjningssensorer)