Βασικά στοιχεία ημιαγωγών
ΣΦΑΙΡΙΚΗ ΕΙΚΟΝΑ
Η σύγχρονη τεχνολογία είναι δυνατή χάρη σε μια κατηγορία υλικών που ονομάζονται ημιαγωγοί. Όλα τα ενεργά εξαρτήματα, τα ολοκληρωμένα κυκλώματα, τα μικροτσίπ, τα τρανζίστορ, καθώς και πολλοί αισθητήρες είναι χτισμένα με υλικά ημιαγωγών. Ενώ το πυρίτιο είναι το πιο διαδεδομένο και πιο γνωστό υλικό ημιαγωγών που χρησιμοποιείται στις ηλεκτρονικές συσκευές, χρησιμοποιείται ένα ευρύ φάσμα ημιαγωγών, όπως το γερμάνιο, το αρσενίδιο του γαλλίου, το καρβίδιο του πυριτίου, καθώς και οι οργανικοί ημιαγωγοί. Κάθε υλικό φέρνει ορισμένα πλεονεκτήματα στον πίνακα, όπως λόγο κόστους / απόδοσης, λειτουργία υψηλής ταχύτητας, υψηλή θερμοκρασία ή επιθυμητή απόκριση σε ένα σήμα.
Ημιαγωγοί
Αυτό που κάνει τους ημιαγωγούς τόσο χρήσιμους είναι η ικανότητα να ελέγχουν με ακρίβεια τις ηλεκτρικές ιδιότητες και τη συμπεριφορά τους κατά τη διαδικασία κατασκευής. Οι ιδιότητες των ημιαγωγών ελέγχονται με την προσθήκη μικρών ποσοτήτων ακαθαρσιών στον ημιαγωγό μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται ντόπινγκ, με διαφορετικές ακαθαρσίες και συγκεντρώσεις που παράγουν διαφορετικά αποτελέσματα. Με τον έλεγχο του ντόπινγκ, μπορεί να ελεγχθεί ο τρόπος με τον οποίο κινείται ένα ηλεκτρικό ρεύμα μέσω ενός ημιαγωγού.
Σε έναν τυπικό αγωγό, όπως ο χαλκός, τα ηλεκτρόνια φέρουν το ρεύμα και λειτουργούν ως φορέας φορτίου. Στους ημιαγωγούς τόσο τα ηλεκτρόνια όσο και οι «τρύπες», η απουσία ενός ηλεκτρονίου, δρουν ως φορείς φορτίου. Με τον έλεγχο του ντόπινγκ του ημιαγωγού, η αγωγιμότητα και ο φορέας φόρτισης μπορούν να προσαρμοστούν ώστε να είναι είτε με βάση ηλεκτρονίων είτε με οπές.
Υπάρχουν δύο τύποι ντόπινγκ, τύπου Ν και τύπου Ρ. Ντόπινγκ τύπου Ν, τυπικά φωσφόρος ή αρσενικό, έχουν πέντε ηλεκτρόνια, τα οποία όταν προστεθούν σε ένα ημιαγωγό παρέχουν ένα επιπλέον ελεύθερο ηλεκτρόνιο. Δεδομένου ότι τα ηλεκτρόνια έχουν αρνητικό φορτίο, ένα υλικό doped με αυτόν τον τρόπο ονομάζεται τύπου Ν. Τα πρόσθετα τύπου Ρ, όπως το βόριο και το γάλλιο, έχουν μόνο τρία ηλεκτρόνια τα οποία καταλήγουν στην απουσία ενός ηλεκτρονίου στον κρύσταλλο ημιαγωγού, δημιουργώντας αποτελεσματικά μια τρύπα ή ένα θετικό φορτίο, εξ ου και το όνομα τύπου P. Τόσο τα Ν-τύπου όσο και τα πρόσθετα τύπου Ρ, ακόμη και σε μικρές ποσότητες, θα κάνουν έναν ημιαγωγό έναν αξιοπρεπή αγωγό. Ωστόσο, οι ημιαγωγοί τύπου Ν και τύπου P δεν είναι ιδιαίτερα ξεχωριστοί από μόνοι τους, αφού είναι απλώς αξιοπρεπείς αγωγοί. Ωστόσο, όταν τα τοποθετείτε σε επαφή μεταξύ τους, σχηματίζοντας μια διασταύρωση PN, παίρνετε κάποιες πολύ διαφορετικές και πολύ χρήσιμες συμπεριφορές.
Η δίοδος σύνδεσης PN
Μια διασταύρωση PN, σε αντίθεση με κάθε υλικό ξεχωριστά, δεν ενεργεί σαν ένας αγωγός. Αντί να επιτρέπεται η ροή ρεύματος σε οποιαδήποτε κατεύθυνση, μια σύνδεση PN επιτρέπει μόνο ρεύμα να ρέει προς μία κατεύθυνση, δημιουργώντας μια βασική δίοδο. Η εφαρμογή τάσης διαμέσου μιας διασταύρωσης PN στην προς τα εμπρός κατεύθυνση (προς τα εμπρός προκατάληψη) βοηθά τα ηλεκτρόνια στην περιοχή τύπου Ν να συνδυάζονται με τις οπές στην περιοχή τύπου Ρ. Η προσπάθεια να αντιστραφεί η ροή ρεύματος (αντίστροφη προκατάληψη) μέσω της διόδου επιβάλλει τα ηλεκτρόνια και τις οπές να απομακρυνθούν, που εμποδίζουν το ρεύμα να ρέει κατά μήκος της διακλάδωσης. Ο συνδυασμός των συνδέσμων PN με άλλους τρόπους ανοίγει τις πόρτες σε άλλα στοιχεία ημιαγωγών, όπως το τρανζίστορ.
Τρανζίστορ
Ένα βασικό τρανζίστορ είναι κατασκευασμένο από το συνδυασμό της σύνδεσης των τριών τύπων τύπου Ν και τύπου P αντί των δύο που χρησιμοποιούνται σε μια δίοδο. Ο συνδυασμός αυτών των υλικών αποδίδει τα τρανζίστορ NPN και PNP τα οποία είναι γνωστά ως τρανζίστορ διπολικής διασταύρωσης ή BJTs. Η κεντρική ή η βάση περιοχή BJT επιτρέπει στο τρανζίστορ να λειτουργεί ως διακόπτης ή ενισχυτής.
Ενώ τα τρανζίστορ NPN και PNP μπορεί να μοιάζουν με δύο διόδους τοποθετημένες πίσω στην πλάτη, οι οποίες θα εμπόδιζαν το ρεύμα να ρέει προς οποιαδήποτε κατεύθυνση. Όταν το κεντρικό στρώμα προσανατολίζεται προς τα εμπρός έτσι ώστε ένα μικρό ρεύμα να ρέει διαμέσου του κεντρικού στρώματος, οι ιδιότητες της διόδου που σχηματίζεται με την αλλαγή του κεντρικού στρώματος επιτρέπουν σε ένα πολύ μεγαλύτερο ρεύμα να ρέει σε όλη τη συσκευή. Αυτή η συμπεριφορά δίνει σε ένα τρανζίστορ την ικανότητα να ενισχύει μικρά ρεύματα και να ενεργεί ως ένας διακόπτης που ενεργοποιεί ή απενεργοποιεί μια πηγή ρεύματος.
Μια ποικιλία τύπων τρανζίστορ και άλλων συσκευών ημιαγωγών μπορεί να κατασκευαστεί συνδυάζοντας συνδέσμους PN με διάφορους τρόπους, από προηγμένα τρανζίστορ ειδικής λειτουργίας έως ελεγχόμενες δίοδοι. Τα παρακάτω είναι μόνο μερικά από τα συστατικά που κατασκευάζονται από προσεγμένους συνδυασμούς συνδέσμων PN.
- DIAC
- Δίοδος λέιζερ
- Δίοδος εκπομπής φωτός (LED)
- Δίοδος Ζένερ
- Τρανζίστορ Darlington
- Τρανζίστορ πεδίου-αποτελέσματος, συμπεριλαμβανομένων των MOSFET
- Τρανζίστορ IGBT
- Ανορθωτής ελεγχόμενος από πυρίτιο (SCR)
- Ενσωματωμένο κύκλωμα (IC)
- Μικροεπεξεργαστής
- Ψηφιακή μνήμη - RAM και ROM
Αισθητήρες
Εκτός από τον τρέχοντα έλεγχο που επιτρέπουν οι ημιαγωγοί, έχουν επίσης ιδιότητες που καθιστούν αποτελεσματικούς αισθητήρες. Μπορούν να γίνουν ευαίσθητα στις μεταβολές της θερμοκρασίας, της πίεσης και του φωτός. Μια αλλαγή στην αντίσταση είναι ο πιο κοινός τύπος απόκρισης για έναν ημιαγωγό αισθητήρα. Μερικοί τύποι αισθητήρων που έγιναν δυνατοί με ιδιότητες ημιαγωγών παρατίθενται παρακάτω.
- Αισθητήρας αισθητήρων Hall (αισθητήρας μαγνητικού πεδίου)
- Θερμίστορ (αισθητήρας θερμοκρασίας αντίστασης)
- CCD / CMOS (αισθητήρας εικόνας)
- Φωτοδίοδο (αισθητήρας φωτός)
- Φωτογραφικό φως (αισθητήρας φωτός)
- Πιεζοποιητικοί (αισθητήρες πίεσης / καταπόνησης)