Як працює електроніка: основи напівпровідників

Сучасні технології стали можливими завдяки класу матеріалів, які називаються напівпровідниками. Всі активні компоненти, інтегровані схеми, мікрочіпи, транзистори та багато датчиків побудовані з напівпровідникових матеріалів.

Хоча кремній є найбільш широко використовуваним напівпровідниковим матеріалом в електроніці, використовується цілий ряд напівпровідників, включаючи германій, арсенід галію, карбід кремнію та органічні напівпровідники. Кожен матеріал має такі переваги, як співвідношення ціни та якості, висока швидкість роботи, стійкість до високої температури або бажана реакція на сигнал.

Напівпровідники

Напівпровідники корисні, оскільки інженери контролюють електричні властивості та поведінку під час виробничого процесу. Властивості напівпровідників контролюються шляхом додавання невеликої кількості домішок у напівпровідник за допомогою процесу, який називається допінг. Різні домішки та концентрації викликають різні ефекти. Контролюючи легування, можна керувати тим, як електричний струм рухається через напівпровідник.

У типовому провіднику, як мідь, електрони несуть струм і діють як носій заряду. У напівпровідниках і електрони, і дірки (відсутність електрона) діють як носії заряду. Контролюючи легування напівпровідника, провідність і носій заряду налаштовуються на електронну або діркову основу.

Існує два види допінгу:

• Допанти N-типу, як правило, фосфор або миш’як, мають п’ять електронів, які при додаванні до напівпровідника дають додатковий вільний електрон. Оскільки електрони мають негативний заряд, матеріал, легований таким чином, називається N-типом.
• Допанти P-типу, такі як бор і галій, мають три електрони, що призводить до відсутності електрона в кристалі напівпровідника. Це створює дірку або позитивний заряд, звідси й назва P-типу.

Допанти як N-типу, так і P-типу, навіть у незначних кількостях, роблять напівпровідник пристойним провідником. Однак напівпровідники N- і P-типу не є особливими і є лише пристойними провідниками. Коли ці типи контактують один з одним, утворюючи P-N-перехід, напівпровідник отримує різну і корисну поведінку.

Діод P-N переходу

А P-N з'єднання, на відміну від кожного матеріалу окремо, не діє як провідник. Замість того, щоб дозволяти струму текти в будь-якому напрямку, P-N-перехід дозволяє струму текти лише в одному напрямку, створюючи основний діод.

Прикладання напруги до P-N-переходу в прямому напрямку (зміщення вперед) допомагає електронам в області N-типу поєднуватися з дірками в області P-типу. Спроба перевернути потік струму (зворотне зміщення) через діод змушує електрони та дірки роз’єднувати, що перешкоджає протіканню струму через з’єднання. Комбінування P-N переходів іншими способами відкриває двері для інших напівпровідникових компонентів, таких як транзистор.

Транзистори

Базовий транзистор виготовляється з комбінації з'єднання трьох матеріалів N-типу і P-типу, а не двох, що використовуються в діоді. Комбінування цих матеріалів дає транзистори NPN і PNP, які відомі як транзистори з біполярним переходом (BJT). Центральна або базова область BJT дозволяє транзистору діяти як перемикач або підсилювач.

NPN і PNP транзистори виглядають як два діода, розташованих спиною один до одного, що блокує весь струм від протікання в будь-якому напрямку. Коли центральний шар зміщений вперед, так що невеликий струм проходить через центральний шар, то Властивості діода, утвореного з центральним шаром, змінюються, щоб через нього протікав більший струм весь пристрій. Така поведінка дає транзистору можливість посилювати невеликі струми і діяти як перемикач, який вмикає або вимикає джерело струму.

Багато типів транзисторів та інших напівпровідникових пристроїв є результатом комбінування P-N переходів кількома способами, від удосконалених транзисторів зі спеціальними функціями до керованих діодів. Нижче наведено кілька компонентів, виготовлених з ретельної комбінації P-N з'єднань:

• DIAC
• Лазерний діод
• Світловипромінюючий діод (СВІТЛОДІОДНИЙ)
• Стабілітрон
• Транзистор Дарлінгтона
• Польовий транзистор (включаючи MOSFET)
• IGBT транзистор
• Кремнієвий випрямляч
• Інтегральна схема
• Мікропроцесор
• Цифрова пам'ять (ОЗП і ROM)

Датчики

На додаток до контролю струму, який дозволяють напівпровідники, напівпровідники також мають властивості, які створюють ефективні датчики. Їх можна зробити чутливими до змін температури, тиску та світла. Зміна опору є найпоширенішим типом реакції для напівпровідникового датчика.

Типи датчиків, які стали можливими завдяки властивостям напівпровідників, включають:

• Датчик Холла (датчик магнітного поля)
• Термістор (резистивний датчик температури)
• CCD/CMOS (датчик зображення)
• Фотодіод (датчик світла)
• Фоторезистор (датчик світла)
• П'єзорезистивні (датчики тиску/напруження)