Puolijohteiden perusteet
Yleiskatsaus
Moderni teknologia on mahdollinen puolijohdemateriaalien luokan ansiosta. Kaikki aktiiviset komponentit, integroidut piirit, mikrosirut, transistorit sekä monet anturit on rakennettu puolijohdemateriaaleilla. Vaikka pii on yleisimmin käytetty ja tunnetuin puolijohdemateriaali, jota käytetään elektroniikassa, käytetään monenlaisia puolijohteita, kuten germaniumia, Gallium-arseenia, piikarbidia ja orgaanisia puolijohteita. Jokainen materiaali tuo taulukon tiettyjä etuja, kuten kustannus / suorituskyky suhde, nopea toiminta, korkea lämpötila tai haluttu vaste signaaliin.
Puolijohteet
Mikä tekee puolijohteista niin hyödyllisen on kyky tarkasti hallita sähköisiä ominaisuuksiaan ja käyttäytymistään valmistusprosessin aikana. Puolijohteiden ominaisuuksia kontrolloidaan lisäämällä pieniä määriä epäpuhtauksia puolijohteessa dopingin avulla, jossa erilaiset epäpuhtaudet ja pitoisuudet tuottavat erilaisia vaikutuksia. Ohjaamalla dopingia voidaan ohjata sähkövirta puolijohdevälin läpi.
Tyypillisessä kapellimestari, kuten kupari, elektronit kantavat virtaa ja toimivat latauskantajana. Puolijohteissa sekä elektronit että "reiät", elektronin puuttuminen, toimivat varauskantajina. Hallitsemalla puolijohteen dopingin, johtokyky ja varausmateriaali voidaan räätälöidä joko elektroniksi tai reikäksi.
Dopingin, N-tyypin ja P-tyypin tyyppiä on kaksi. N-tyyppisissä lisäaineissa, tyypillisesti fosforissa tai arseeenissa, on viisi elektronia, jotka lisätään puolijohteeseen lisättävän vapaana elektronina. Koska elektroneilla on negatiivinen varaus, tällä tavalla seostettua materiaalia kutsutaan N-tyypiksi. P-tyyppisissä lisäaineissa, kuten boorissa ja galliumissa, on vain kolme elektronia, jotka johtavat elektronin puuttumiseen puolijohdekiteessä, muodostaen tehokkaasti reiän tai positiivisen varauksen, joten P-tyypin nimi. Sekä N-tyypin että P-tyypin lisäaineet, jopa pieninä määrinä, tekevät puolijohteesta kunnon johdon. Kuitenkin N-tyypin ja P-tyypin puolijohteet eivät ole itsessään varsin erityisiä, vaan vain kunnolliset johtimet. Kuitenkin, kun laitat ne kosketuksiin toistensa kanssa muodostaen PN-risteyksen, saat hyvin erilaiset ja erittäin hyödylliset käyttäytymiset.
PN Junction Diode
PN-liitäntä, toisin kuin jokainen materiaali erikseen, ei toimi kuin johdin. Sen sijaan, että sallisi virran kulkea kummassakin suunnassa, PN-liitäntä sallii vain virran kulkemisen yhteen suuntaan luoden perusdiodin. Jännitteen soveltaminen PN-liitoksen kautta eteenpäin suuntaan (eteenpäin suuntautuva bias) auttaa N-tyypin alueen elektronien yhdistämistä P-tyypin alueen reikiin. Yritetään kääntää virtavirta (käänteinen bias) diodilla läpi elektronit ja reiät, jotka estävät virran virtaavan risteyksen kautta. Yhdistämällä PN-liitokset muilla tavoilla avaat ovet muihin puolijohdekomponentteihin, kuten transistoriin.
transistorit
Perus-transistori on tehty kolmen N-tyypin ja P-tyyppisen materiaalin risteyksen yhdistelmästä sen sijaan, että niitä käytettiin diodissa. Yhdistämällä nämä materiaalit saadaan NPN- ja PNP-transistorit, jotka tunnetaan bipolaarisina liitäntä- transistorina tai BJT: nä. Keskikohta tai alusta, alue BJT sallii transistorin toimia kytkiminä tai vahvistimina.
Vaikka NPN- ja PNP-transistorit saattavat näyttää kahdelta diodilta, jotka on sijoitettu taaksepäin, mikä estäisi kaiken virran virtaamasta kummassakin suunnassa. Kun keskikerros on esijännitetty eteenpäin siten, että pieni virta kulkee keskikerroksen läpi, keskikerroksen kanssa muodostetun diodin ominaisuudet muuttuvat siten, että paljon suurempi virta virtaa koko laitteen läpi. Tämä käyttäytyminen antaa transistorille kyvyn vahvistaa pieniä virtoja ja toimia kytkimenä, joka kääntää virtalähteen päälle tai pois päältä.
Erilaisia transistori- tyyppejä ja muita puolijohdekomponentteja voidaan valmistaa yhdistämällä PN-liityntöjä useilla tavoilla edistyksellisistä, erikoistoimintojen transistoreista ohjattuihin diodeihin. Seuraavassa on vain muutamia komponentteja, jotka on tehty varovasti yhdistetyistä PN-risteyksistä.
- DIAC
- Laserdiodi
- Valodiodit (LED)
- Zener-diodi
- Darlington-transistori
- Field-effect-transistorit, mukaan lukien MOSFETit
- IGBT-transistori
- Piikiekkoinen tasasuuntaaja (SCR)
- Integroitu piiri (IC)
- Mikroprosessori
- Digitaalinen muisti - RAM ja ROM
anturit
Puolijohteiden nykyisen valvonnan lisäksi niillä on myös ominaisuuksia, jotka tekevät tehokkaista antureista. Ne voidaan tehdä herkiksi lämpötilan, paineen ja valon muutoksille. Resistanssin muutos on puolijohtavasta anturista yleisimpi vaste. Alla on lueteltu muutamia puolijohteiden ominaisuuksiltaan mahdollisia antureita.
- Hall-vaikutusanturi (magneettikenttäanturi)
- Termistorit (resistiivinen lämpötila-anturi)
- CCD / CMOS (kuva-anturi)
- Valodiodi (valoanturi)
- Valoresensori (valoanturi)
- Pietsosähköiset (paineen / törmäysanturit)