Современные технологии стали возможными благодаря классу материалов, называемых полупроводниками. Все активные компоненты, интегральные схемы, микросхемы, транзисторы, а также многие датчики изготовлены из полупроводниковых материалов. В то время как кремний является наиболее широко используемым и самым известным полупроводниковым материалом, используемым в электронике, используется широкий спектр полупроводников, включая германий, арсенид галлия, карбид кремния, а также органические полупроводники. Каждый материал приносит в таблицу определенные преимущества, такие как соотношение цены и качества, высокая скорость работы, устойчивость к высоким температурам или желаемый отклик на сигнал.
Полупроводники
Что делает полупроводники настолько полезными, так это то, что инженеры контролируют их электрические свойства и поведение в процессе производства. Свойства полупроводника контролируются путем добавления небольших количеств примесей в полупроводнике посредством процесса, называемого легированием, при этом различные примеси и концентрации вызывают различные эффекты. Управляя легированием, можно управлять тем, как электрический ток проходит через полупроводник.
В типичном проводнике, таком как медь, электроны переносят ток и действуют как носители заряда. В полупроводниках и электроны, и дырки — отсутствие электрона — действуют как носители заряда. Управляя легированием полупроводника, проводимость и носитель заряда устанавливаются на основе электронов или дырок.
Существует два типа допинга: N-тип и P-тип. Присадки N-типа, обычно фосфор или мышьяк, имеют пять электронов, которые при добавлении в полупроводник дают дополнительный свободный электрон. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, материал, легированный таким образом, называется N-типом. Присадки P-типа, такие как бор и галлий, имеют только три электрона, что приводит к отсутствию электрона в полупроводниковом кристалле, эффективно создавая дырку или положительный заряд, отсюда и название P-тип. Легирующие примеси как N-типа, так и P-типа, даже в незначительных количествах, сделают полупроводник достойным проводником. Однако полупроводники N-типа и P-типа сами по себе не очень особенные, просто являются приличными проводниками. Однако, когда вы размещаете их в контакте друг с другом, образуя P-N-переход, вы получаете очень разные и очень полезные варианты поведения.
Диод соединения P-N
Соединение P-N, в отличие от каждого материала в отдельности, не действует как проводник. Вместо того, чтобы позволить току течь в любом направлении, переход P-N позволяет току течь только в одном направлении, создавая основной диод. Приложение напряжения к переходу P-N в прямом направлении (прямое смещение) помогает электронам в области N-типа соединяться с отверстиями в области P-типа. Попытка реверсировать поток тока (обратное смещение) через диод заставляет электроны и дырки разойтись, что препятствует прохождению тока через соединение. Объединение P-N переходов другими способами открывает двери для других полупроводниковых компонентов, таких как транзистор.
Транзисторы
Базовый транзистор сделан из комбинации соединения трех материалов N-типа и P-типа, а не из двух, используемых в диоде. Объединение этих материалов приводит к появлению NPN- и PNP-транзисторов, которые известны как транзисторы с биполярным переходом или BJT. Центральная или базовая область BJT позволяет транзистору действовать как переключатель или усилитель.
В то время как NPN и PNP транзисторы могут выглядеть как два диода, размещенных друг за другом, которые блокируют весь ток в любом направлении. Когда центральный слой смещен в прямом направлении, так что через центральный слой протекает небольшой ток, свойства диода, образованного с центральным слоем, изменяются, что позволяет значительно большему току течь через все устройство. Такое поведение дает транзистору возможность усиливать малые токи и действовать как переключатель, включающий или выключающий источник тока.
Различные типы транзисторов и других полупроводниковых устройств являются результатом сочетания P-N-переходов различными способами — от усовершенствованных транзисторов специального назначения до управляемых диодов. Следующее — только некоторые из компонентов, сделанных из осторожных комбинаций соединений P-N:
- DIAC
- Лазерный диод
- Светодиод (LED)
- Стабилитрон
- Дарлингтонский транзистор
- Полевой транзистор, включая полевые МОП-транзисторы
- БТИЗ транзистор
- Кремниевый выпрямитель
- Интегральная схема
- Микропроцессор
- Цифровая память — RAM и ROM
датчиков
В дополнение к текущему контролю, который позволяют полупроводники, они также обладают свойствами, которые делают эффективными датчики. Их можно сделать чувствительными к изменениям температуры, давления и света. Изменение сопротивления является наиболее распространенным типом отклика для полупроводящего датчика. Несколько типов датчиков, которые стали возможными благодаря свойствам полупроводников, перечислены ниже.
- Датчик Холла (датчик магнитного поля)
- Термистор (резистивный датчик температуры)
- CCD / CMOS (датчик изображения)
- Фотодиод (датчик освещенности)
- Фоторезистор (датчик освещенности)
- Пьезорезистивные (датчики давления / деформации)
