Moderní technologie je možná díky třídě materiálů nazývaných polovodiče. Všechny aktivní komponenty, integrované obvody, mikročipy, tranzistory a mnoho senzorů jsou vyrobeny z polovodičových materiálů. Zatímco křemík je nejpoužívanějším polovodičovým materiálem v elektronice, používá se celá řada polovodičů, včetně germania, arsenidu gália, karbidu křemíku a organických polovodičů. Každý materiál má výhody, jako je poměr cena / výkon, vysokorychlostní provoz, vysoká teplotní tolerance nebo požadovaná odezva na signál.
Polovodiče
Polovodiče jsou užitečné, protože inženýři řídí elektrické vlastnosti a chování během výrobního procesu. Vlastnosti polovodičů jsou řízeny přidáváním malého množství nečistot do polovodiče prostřednictvím procesu zvaného doping. Různé nečistoty a koncentrace mají různé účinky. Ovládáním dopingu lze ovládat způsob, jakým se elektrický proud pohybuje polovodičem. V typickém vodiči, jako je měď, nesou elektrony proud a působí jako nosič náboje. V polovodičích působí elektrony i díry (absence elektronu) jako nosiče náboje. Ovládáním dopování polovodiče jsou vodivost a nosič náboje přizpůsobeny elektronům nebo otvorům. Existují dva typy dopingu:
- Dopující látky typu N, typicky fosfor nebo arsen, mají pět elektronů, které po přidání do polovodiče poskytují extra volný elektron. Protože elektrony mají záporný náboj, materiál dotovaný tímto způsobem se nazývá N-typ.
- Dopující látky typu P, jako je bór a galium, mají tři elektrony, což má za následek nepřítomnost elektronu v polovodičovém krystalu. Tím se vytvoří díra nebo kladný náboj, proto název P-type.
Jak dopanty typu N, tak typu P, dokonce i v nepatrném množství, dělají z polovodiče slušný vodič. Polovodiče typu N a typu P však nejsou speciální a jsou pouze slušnými vodiči. Když jsou tyto typy navzájem v kontaktu a tvoří spojení PN, polovodič získá odlišné a užitečné chování.
Dioda PN Junction
Spojení PN, na rozdíl od každého materiálu samostatně, nepůsobí jako vodič. Spíše než umožnit tok proudu v obou směrech, přechod PN umožňuje proud proudit pouze v jednom směru, čímž se vytvoří základní dioda. Přivedení napětí na PN přechod v dopředném směru (dopředné zkreslení) pomáhá elektronům v oblasti typu N kombinovat s otvory v oblasti typu P. Pokus o obrácení toku proudu (reverzní zkreslení) diodou nutí elektrony a otvory od sebe, což brání proudu protékat přes spojení. Kombinace PN přechodů jinými způsoby otevírá dveře dalším polovodičovým součástem, jako je tranzistor.
Tranzistory
Základní tranzistor je vyroben spíše kombinací spojení tří materiálů typu N a typu P než dvou použitých v diodě. Kombinace těchto materiálů poskytuje tranzistory NPN a PNP, které jsou známé jako bipolární tranzistory (BJT). Středová nebo základní oblast BJT umožňuje tranzistoru fungovat jako spínač nebo zesilovač. Tranzistory NPN a PNP vypadají jako dvě diody umístěné zády k sobě, které blokují tok všech proudů v obou směrech. Když je střední vrstva předpjatá dopředu tak, že středovou vrstvou protéká malý proud, vlastnosti diody vytvořené se střední vrstvou se změní, aby umožnily protékání většího proudu přes celé zařízení. 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 kombinování PN přechodů několika způsoby, od pokročilých tranzistorů se speciální funkcí až po řízené diody. Následuje několik komponent vyrobených z pečlivých kombinací PN spojů:
- DIAC
- Laserová dioda
- Světelná dioda (LED)
- Zenerova dioda
- Darlingtonův tranzistor
- Tranzistor s efektem pole (včetně MOSFETů)
- IGBT tranzistor
- Křemíkem řízený usměrňovač
- Integrovaný obvod
- Mikroprocesor
- Digitální paměť (RAM a ROM)
Senzory
Kromě současného řízení, které polovodiče umožňují, mají polovodiče také vlastnosti, které umožňují efektivní snímače. Lze je učinit citlivými na změny teploty, tlaku a světla. Změna odporu je nejběžnějším typem odezvy pro polovodivý snímač. Typy senzorů umožněné vlastnostmi polovodičů zahrnují:
- Hallův snímač (snímač magnetického pole)
- Termistor (odporové teplotní čidlo)
- CCD / CMOS (obrazový snímač)
- Fotodioda (světelný senzor)
- Fotorezistor (světelný senzor)
- Piezorezistivní (snímače tlaku / přetvoření)