Moderní technologie je možná díky třídě materiálů nazývaných polovodiče. Všechny aktivní součástky, integrované obvody, mikročipy, tranzistory a mnoho senzorů jsou vyrobeny z polovodičových materiálů.
Zatímco křemík je nejrozšířenějším polovodičovým materiálem v elektronice, používá se řada polovodičů, včetně germania, arsenidu galia, karbidu křemíku a organických polovodičů. Každý materiál má výhody, jako je poměr ceny a výkonu, vysokorychlostní provoz, tolerance vysokých teplot nebo požadovaná odezva na signál.
Polovodiče
Polovodiče jsou užitečné, protože inženýři řídí elektrické vlastnosti a chování během výrobního procesu. Vlastnosti polovodičů jsou řízeny přidáváním malých množství nečistot do polovodiče prostřednictvím procesu zvaného doping. Různé nečistoty a koncentrace vyvolávají různé účinky. Řízením dopingu lze ovládat způsob, jakým se elektrický proud pohybuje polovodičem.
V typickém vodiči, jako je měď, přenášejí elektrony proud a fungují jako nosič náboje. V polovodičích působí elektrony i díry (nepřítomnost elektronu) jako nosiče náboje. Řízením dopování polovodiče jsou vodivost a nosič náboje přizpůsobeny tak, aby byly založeny buď na elektronu nebo na díře.
Existují dva typy dopingu:
- Dopanty typu N, typicky fosfor nebo arsen, mají pět elektronů, které po přidání do polovodiče poskytují volný elektron navíc. Protože elektrony mají záporný náboj, materiál dopovaný tímto způsobem se nazývá N-typ.
- Dopanty typu P, jako je bor a galium, mají tři elektrony, což vede k nepřítomnosti elektronu v krystalu polovodiče. To vytváří díru nebo kladný náboj, odtud název P-type.
Jak příměsi typu N, tak i typu P, dokonce i v nepatrném množství, dělají z polovodiče slušný vodič. Polovodiče typu N a P však nejsou speciální a jsou to pouze slušné vodiče. Když jsou tyto typy umístěny ve vzájemném kontaktu a tvoří P-N přechod, polovodič získá odlišné a užitečné chování.
Dioda P-N Junction
Přechod P-N, na rozdíl od každého materiálu zvlášť, nepůsobí jako vodič. Spíše než aby umožňoval proudění proudu v obou směrech, P-N přechod umožňuje proudění proudu pouze jedním směrem a vytváří tak základní diodu.
Přivedení napětí přes P-N přechod v propustném směru (dopředné předpětí) pomáhá elektronům v oblasti typu N spojit se s otvory v oblasti typu P. Pokus o obrácení toku proudu (reverzní předpětí) přes diodu nutí elektrony a díry od sebe, což brání proudu protékat přes přechod. Kombinace P-N přechodů jinými způsoby otevírá dveře dalším polovodičovým součástkám, jako je tranzistor.
Tranzistory
Základní tranzistor je vyroben z kombinace tří materiálů typu N a P namísto dvou použitých v diodě. Kombinací těchto materiálů vznikají tranzistory NPN a PNP, které jsou známé jako bipolární tranzistory (BJT). Středová nebo základní oblast BJT umožňuje tranzistoru fungovat jako spínač nebo zesilovač.
Transistory NPN a PNP vypadají jako dvě diody umístěné zády k sobě, které blokují tok veškerého proudu v obou směrech. Když je střední vrstva předpjatá tak, že střední vrstvou protéká malý proud, změní se vlastnosti diody vytvořené se střední vrstvou, aby umožnily většímu proudu protékat celým zařízením. Toto chování dává tranzistoru schopnost zesilovat malé proudy a fungovat jako spínač, který zapíná nebo vypíná zdroj proudu.
Mnoho typů tranzistorů a dalších polovodičových součástek je výsledkem kombinace P-N přechodů několika způsoby, od pokročilých tranzistorů se speciální funkcí až po řízené diody. Následuje několik komponent vyrobených z pečlivých kombinací P-N přechodů:
- DIAC
- Laserová dioda
- Světlo emitující dioda (LED)
- Zenerova dioda
- Darlington tranzistor
- Tranzistor s efektem pole (včetně MOSFETů)
- tranzistor IGBT
- Silikonem řízený usměrňovač
- Integrovaný obvod
- Mikroprocesor
- Digitální paměť (RAM a ROM)
Sensors
Kromě kontroly proudu, kterou polovodiče umožňují, mají polovodiče také vlastnosti, které umožňují efektivní senzory. Ty mohou být citlivé na změny teploty, tlaku a světla. Změna odporu je nejběžnějším typem odezvy u polovodičového senzoru.
Typy senzorů, které umožňují vlastnosti polovodičů, zahrnují:
- Senzor Hallova efektu (senzor magnetického pole)
- Termistor (odporový teplotní senzor)
- CCD/CMOS (snímač obrazu)
- Fotodioda (světelný senzor)
- Fotorezistor (světelný senzor)
- Piezorezistivní (snímače tlaku/napětí)
