Moderná technológia je možná vďaka triede materiálov nazývaných polovodiče. Všetky aktívne komponenty, integrované obvody, mikročipy, tranzistory a mnohé senzory sú vyrobené z polovodičových materiálov.
Kým je kremík najpoužívanejším polovodičovým materiálom v elektronike, používa sa celý rad polovodičov vrátane germánia, arzenidu gália, karbidu kremíka a organických polovodičov. Každý materiál má výhody, ako je pomer ceny a výkonu, vysoká rýchlosť prevádzky, tolerancia vysokej teploty alebo požadovaná odozva na signál.
Polovodiče
Polovodiče sú užitočné, pretože inžinieri kontrolujú elektrické vlastnosti a správanie počas výrobného procesu. Vlastnosti polovodičov sú kontrolované pridávaním malých množstiev nečistôt do polovodiča prostredníctvom procesu nazývaného doping. Rôzne nečistoty a koncentrácie spôsobujú rôzne účinky. Kontrolou dopingu možno kontrolovať spôsob, akým sa elektrický prúd pohybuje polovodičom.
V typickom vodiči, ako je meď, prenášajú elektróny prúd a pôsobia ako nosič náboja. V polovodičoch pôsobia ako nosiče náboja elektróny aj diery (neprítomnosť elektrónu). Riadením dopovania polovodiča sú vodivosť a nosič náboja prispôsobené buď na báze elektrónov alebo dier.
Existujú dva typy dopingu:
- Dopanty typu N, typicky fosfor alebo arzén, majú päť elektrónov, ktoré po pridaní do polovodiča poskytujú ďalší voľný elektrón. Keďže elektróny majú záporný náboj, materiál dopovaný týmto spôsobom sa nazýva N-typ.
- Dopanty typu P, ako je bór a gálium, majú tri elektróny, čo vedie k absencii elektrónu v polovodičovom kryštáli. Tým sa vytvorí diera alebo kladný náboj, odtiaľ názov typu P.
Dopanty typu N aj typu P, dokonca aj v nepatrných množstvách, robia z polovodiča slušný vodič. Polovodiče typu N a P však nie sú špeciálne a sú to len slušné vodiče. Keď sú tieto typy umiestnené vo vzájomnom kontakte, čím sa vytvorí P-N prechod, polovodič získa iné a užitočné správanie.
Dióda spojenia P-N
Prechod P-N, na rozdiel od každého materiálu samostatne, nepôsobí ako vodič. Namiesto toho, aby umožnil prúdenie prúdu v oboch smeroch, P-N prechod umožňuje prúdenie prúdu iba jedným smerom, čím sa vytvorí základná dióda.
Aplikácia napätia cez P-N prechod v doprednom smere (forward bias) pomáha elektrónom v oblasti typu N spojiť sa s otvormi v oblasti typu P. Pokus o zvrátenie toku prúdu (reverzné predpätie) cez diódu núti elektróny a diery od seba, čo zabraňuje prúdeniu prúdu cez spoj. Kombinácia P-N prechodov inými spôsobmi otvára dvere ďalším polovodičovým komponentom, ako je napríklad tranzistor.
Tranzistory
Základný tranzistor je vyrobený z kombinácie troch materiálov typu N a P namiesto dvoch použitých v dióde. Kombináciou týchto materiálov sa získajú tranzistory NPN a PNP, ktoré sú známe ako bipolárne tranzistory (BJT). Stredová alebo základná oblasť BJT umožňuje tranzistoru pôsobiť ako spínač alebo zosilňovač.
Tranzistory NPN a PNP vyzerajú ako dve diódy umiestnené chrbtom k sebe, ktoré blokujú tok prúdu v oboch smeroch. Keď je stredná vrstva predpätá dopredu tak, že cez strednú vrstvu preteká malý prúd, vlastnosti diódy vytvorenej so strednou vrstvou sa zmenia, aby umožnili väčšiemu prúdeniu prúdu cez celé zariadenie. Toto správanie dáva tranzistoru schopnosť zosilniť malé prúdy a pôsobiť ako spínač, ktorý zapína alebo vypína zdroj prúdu.
Mnoho typov tranzistorov a iných polovodičových zariadení je výsledkom kombinácie P-N prechodov niekoľkými spôsobmi, od pokročilých tranzistorov so špeciálnou funkciou až po riadené diódy. Nasleduje niekoľko komponentov vyrobených starostlivými kombináciami P-N prechodov:
- DIAC
- Laserová dióda
- Svetelná dióda (LED)
- Zenerova dióda
- Darlingtonov tranzistor
- Tranzistor s efektom poľa (vrátane MOSFET)
- IGBT tranzistor
- Silikónový riadený usmerňovač
- Integrovaný obvod
- Mikroprocesor
- Digitálna pamäť (RAM a ROM)
Sensors
Okrem kontroly prúdu, ktorú polovodiče umožňujú, majú polovodiče aj vlastnosti, ktoré umožňujú efektívne senzory. Môžu byť vyrobené tak, aby boli citlivé na zmeny teploty, tlaku a svetla. Zmena odporu je najbežnejším typom odozvy pre polovodičový senzor.
Typy senzorov, ktoré umožňujú vlastnosti polovodičov, zahŕňajú:
- Senzor Hallovho efektu (senzor magnetického poľa)
- Termistor (odporový snímač teploty)
- CCD/CMOS (obrazový snímač)
- Fotodióda (svetelný senzor)
- Fotorezistor (svetelný senzor)
- Piezorezistívne (snímače tlaku/napätia)
