Moderne teknologi er muliggjort takket være en klasse af materialer kaldet halvledere. Alle aktive komponenter, integrerede kredsløb, mikrochips, transistorer samt mange sensorer er bygget med halvledermaterialer. Mens silicium er det mest anvendte og mest kendte halvledermateriale, der anvendes i elektronik, anvendes en bred vifte af halvledere, herunder Germanium, Gallium Arsenide, Silicon Carbide, såvel som organiske halvledere. Hvert materiale bringer visse fordele til bordet, såsom omkostninger / ydeevne forhold, høj hastighed drift, høj temperatur eller det ønskede svar på et signal.
Halvledere
Hvad gør halvlederne så nyttige er evnen til præcist at styre deres elektriske egenskaber og adfærd under fremstillingsprocessen. Halvlederegenskaber styres ved at tilsætte små mængder urenheder i halvlederen gennem en proces kaldet doping, med forskellige urenheder og koncentrationer, der producerer forskellige effekter. Ved at styre dopningen kan den måde, hvorpå en elektrisk strøm bevæger sig gennem en halvleder, styres.
I en typisk leder, som kobber, bærer elektroner strømmen og fungerer som ladningsbærer. I halvledere virker både elektroner og "huller", fraværet af en elektron, som ladetransportører. Ved at styre halvlederens dopning kan ledningsevnen og ladningsbæreren skræddersys til enten elektron eller hulbaseret.
Der er to typer doping, N-type og P-type. Dopanter af typen N, typisk fosfor eller arsen, har fem elektroner, som, når de tilsættes til en halvleder, giver en ekstra fri elektron. Da elektroner har en negativ ladning, kaldes en materialet doteret denne måde N-type. P-type doteringsmidler, såsom bor og gallium, har kun tre elektroner, hvilket resulterer i fraværet af en elektron i halvlederkrystallen, der effektivt skaber et hul eller en positiv ladning, således navnet P-typen. Både N-type og P-type doteringsmidler, selv i små mængder, vil gøre en halvleder til en anstændig leder. Imidlertid er halvledere af typen N-type og P-type ikke særlig specielle af sig selv, de er bare anstændige ledere. Men når du placerer dem i kontakt med hinanden, danner du et P-N kryds, får du nogle meget forskellige og meget nyttige adfærd.
P-N Junction Diode
En P-N krydsning, i modsætning til hvert materiale separat, virker ikke som en leder. I stedet for at lade strøm strømme i begge retninger, tillader et P-N-kryds kun, at strømmen strømmer i en retning, hvilket skaber en grunddiode. Anvendelse af en spænding over et P-N-kryds i fremadgående retning (fremadrettet bias) hjælper elektronerne i regionen N-typen med hullerne i P-type-regionen. Forsøg på at vende strømmen af strømmen (omvendt bias) gennem dioden tvinger elektronerne og hullerne fra hinanden, som forhindrer strøm fra at strømme over krydset. Ved at kombinere P-N-kryds på andre måder åbnes dørene til andre halvlederkomponenter, såsom transistoren.
Transistorer
En grundlæggende transistor er lavet af kombinationen af forbindelsen mellem tre N-type og P-type materialer i stedet for de to, der anvendes i en diode. Kombination af disse materialer giver NPN- og PNP-transistorerne, der er kendt som bipolære forbindelsestransistorer eller BJT'er. Centret eller basen, region BJT, giver transistoren mulighed for at fungere som en switch eller forstærker.
Mens NPN og PNP transistorer kan se ud som to dioder placeret tilbage til tilbage, hvilket ville blokere alle strøm fra at strømme i begge retninger. Når midterlaget er forspændt, så at en lille strøm strømmer gennem midterlaget, ændres egenskaberne af dioden dannet med midterlaget for at tillade en meget større strøm at strømme over hele enheden. Denne adfærd giver en transistor evnen til at forstærke små strømme og fungere som en switch, der aktiverer eller slukker en strømkilde.
En række forskellige transistorer og andre halvlederanordninger kan fremstilles ved at kombinere P-N-kryds på en række måder, fra avancerede, specialfunktionstransistorer til kontrollerede dioder. Følgende er blot nogle få af komponenterne fremstillet af omhyggelige kombinationer af P-N kryds.
- DIAC
- Laser diode
- Lysdiode (LED)
- Zener diode
- Darlington transistor
- Felt-effekt transistor, herunder MOSFETs
- IGBT transistor
- Silikonstyret ensretter (SCR)
- Integreret kredsløb (IC'er)
- Mikroprocessor
- Digital hukommelse - RAM og ROM
Sensorer
Ud over den nuværende kontrol, som halvledere tillader, har de også egenskaber, som giver effektive sensorer. De kan gøres til at være følsomme for ændringer i temperatur, tryk og lys. En modstandsændring er den mest almindelige type reaktion for en halvledende sensor. Nogle af de typer af sensorer, der er muliggjort ved halvlederegenskaber, er anført nedenfor.
- Hall effekt sensor (magnetfelt sensor)
- Termistor (resistiv temperaturføler)
- CCD / CMOS (billedsensor)
- Fotodiode (lyssensor)
- Photoresistor (lyssensor)
- Piezoresistive (tryk / belastningssensorer)
