Moderne tegnologie word moontlik gemaak as gevolg van 'n klas materiale wat halfgeleiers genoem word. Alle aktiewe komponente, geïntegreerde stroombane, mikroskyfies, transistors en baie sensors is met halfgeleiermateriale gebou.
Terwyl silikon die mees gebruikte halfgeleiermateriaal in elektronika is, word 'n reeks halfgeleiers gebruik, insluitend germanium, galliumarsenied, silikonkarbied en organiese halfgeleiers. Elke materiaal het voordele soos koste-tot-prestasie-verhouding, hoëspoed-werking, hoë-temperatuur-verdraagsaamheid, of die verlangde reaksie op 'n sein.
Semiconductors
Halfgeleiers is nuttig omdat ingenieurs die elektriese eienskappe en gedrag tydens die vervaardigingsproses beheer. Halfgeleier-eienskappe word beheer deur klein hoeveelhede onsuiwerhede in die halfgeleier by te voeg deur 'n proses wat doping genoem word. Verskillende onsuiwerhede en konsentrasies produseer verskillende effekte. Deur die doping te beheer, kan die manier waarop elektriese stroom deur 'n halfgeleier beweeg, beheer word.
In 'n tipiese geleier, soos koper, dra elektrone die stroom en tree op as die ladingdraer. In halfgeleiers tree beide elektrone en gate (die afwesigheid van 'n elektron) as ladingsdraers op. Deur die dotering van die halfgeleier te beheer, word die geleidingsvermoë en die ladingdraer aangepas om óf elektron- óf gatgebaseer te wees.
Daar is twee tipes doping:
- N-tipe dopmiddels, tipies fosfor of arseen, het vyf elektrone, wat, wanneer dit by 'n halfgeleier gevoeg word, 'n ekstra vrye elektron verskaf. Aangesien elektrone 'n negatiewe lading het, word 'n materiaal wat op hierdie manier gedoteer is, N-tipe genoem.
- P-tipe dopmiddels, soos boor en gallium, het drie elektrone, wat lei tot die afwesigheid van 'n elektron in die halfgeleierkristal. Dit skep 'n gat of 'n positiewe lading, vandaar die naam P-tipe.
Beide N-tipe en P-tipe dopmiddels, selfs in klein hoeveelhede, maak 'n halfgeleier 'n ordentlike geleier. N-tipe en P-tipe halfgeleiers is egter nie spesiaal nie en is slegs ordentlike geleiers. Wanneer hierdie tipes in kontak met mekaar geplaas word, wat 'n P-N-aansluiting vorm, kry 'n halfgeleier verskillende en nuttige gedrag.
The P-N Junction Diode
'n P-N-aansluiting, anders as elke materiaal afsonderlik, tree nie soos 'n geleier op nie. Eerder as om stroom in enige rigting te laat vloei, laat 'n P-N-aansluiting stroom in slegs een rigting toe, wat 'n basiese diode skep.
Die toepassing van 'n spanning oor 'n P-N-aansluiting in die voorwaartse rigting (voorwaartse voorspanning) help om die elektrone in die N-tipe gebied te kombineer met die gate in die P-tipe gebied.'n Poging om die stroomvloei (omgekeerde voorspanning) deur die diode om te keer, dwing die elektrone en gate uitmekaar, wat verhoed dat stroom oor die aansluiting vloei. Deur P-N-aansluitings op ander maniere te kombineer, maak die deure oop vir ander halfgeleierkomponente, soos die transistor.
Transistors
'n Basiese transistor word gemaak uit die kombinasie van die aansluiting van drie N-tipe en P-tipe materiale eerder as die twee wat in 'n diode gebruik word. Die kombinasie van hierdie materiale lewer die NPN- en PNP-transistors, wat bekend staan as bipolêre aansluitingstransistors (BJT). Die middel, of basis, streek BJT laat die transistor toe om as 'n skakelaar of versterker op te tree.
NPN- en PNP-transistors lyk soos twee diodes wat rug-aan-rug geplaas is, wat verhoed dat alle stroom in enige rigting vloei. Wanneer die middellaag vorentoe bevooroordeeld is sodat 'n klein stroom deur die middellaag vloei, verander die eienskappe van die diode wat met die middellaag gevorm word om 'n groter stroom oor die hele toestel te laat vloei. Hierdie gedrag gee 'n transistor die vermoë om klein strome te versterk en dien as 'n skakelaar wat 'n stroombron aan of af skakel.
Baie tipes transistors en ander halfgeleiertoestelle is die gevolg van die kombinasie van P-N-aansluitings op verskeie maniere, van gevorderde, spesiale-funksie transistors tot beheerde diodes. Die volgende is 'n paar van die komponente gemaak van noukeurige kombinasies van P-N-aansluitings:
- DIAC
- Laserdiode
- Light-emitting diode (LED)
- Zener-diode
- Darlington-transistor
- Veldeffek-transistor (insluitend MOSFET's)
- IGBT-transistor
- Silicon-beheerde gelykrigter
- Geïntegreerde stroombaan
- Mikroverwerker
- Digitale geheue (RAM en ROM)
Sensors
Benewens die huidige beheer wat halfgeleiers toelaat, het halfgeleiers ook eienskappe wat vir effektiewe sensors sorg. Dit kan gemaak word om sensitief te wees vir veranderinge in temperatuur, druk en lig. 'n Verandering in weerstand is die mees algemene tipe reaksie vir 'n halfgeleidende sensor.
Die tipe sensors wat moontlik gemaak word deur halfgeleier-eienskappe sluit in:
- Haaleffeksensor (magnetiese veldsensor)
- Termistor (weerstandige temperatuursensor)
- CCD/CMOS (beeldsensor)
- Fotodiode (ligsensor)
- Fotoweerstand (ligsensor)
- Piëzoresistief (druk-/vervormingsensors)
