Tehnologia modernă este posibilă datorită unei clase de materiale numite semiconductori. Toate componentele active, circuitele integrate, microcipurile, tranzistoarele și mulți senzori sunt construite cu materiale semiconductoare.
În timp ce siliciul este cel mai utilizat material semiconductor în electronică, se utilizează o gamă largă de semiconductori, inclusiv germaniu, arseniură de galiu, carbură de siliciu și semiconductori organici. Fiecare material are avantaje precum raportul cost-performanță, funcționarea la viteză mare, toleranța la temperatură ridicată sau răspunsul dorit la un semnal.
Semiconductori
Semiconductoarele sunt utile deoarece inginerii controlează proprietățile electrice și comportamentul în timpul procesului de fabricație. Proprietățile semiconductoarelor sunt controlate prin adăugarea unor cantități mici de impurități în semiconductor printr-un proces numit dopaj. Diferitele impurități și concentrații produc efecte diferite. Prin controlul dopajului, se poate controla modul în care curentul electric trece printr-un semiconductor.
Într-un conductor tipic, cum ar fi cuprul, electronii transportă curentul și acționează ca purtător de sarcină. În semiconductori, atât electronii, cât și găurile (absența unui electron) acționează ca purtători de sarcină. Prin controlul dopajului semiconductorului, conductivitatea și purtătorul de sarcină sunt adaptate pentru a fi bazate fie pe electroni, fie pe găuri.
Există două tipuri de dopaj:
- Dopanții de tip N, de obicei fosfor sau arsen, au cinci electroni, care, atunci când sunt adăugați la un semiconductor, oferă un electron liber suplimentar. Deoarece electronii au o sarcină negativă, un material dopat astfel se numește tip N.
- Dopanții de tip P, cum ar fi borul și galiul, au trei electroni, ceea ce duce la absența unui electron în cristalul semiconductor. Acest lucru creează o gaură sau o sarcină pozitivă, de unde și numele de tip P.
Atât dopanții de tip N, cât și cei de tip P, chiar și în cantități mici, fac din semiconductor un conductor decent. Cu toate acestea, semiconductorii de tip N și de tip P nu sunt speciali și sunt doar conductori decente. Când aceste tipuri sunt plasate în contact unele cu altele, formând o joncțiune P-N, un semiconductor capătă comportamente diferite și utile.
Dioda de joncțiune P-N
O joncțiune P-N, spre deosebire de fiecare material separat, nu acționează ca un conductor. În loc să permită curentului să circule în oricare direcție, o joncțiune P-N permite curentului să circule într-o singură direcție, creând o diodă de bază.
Aplicarea unei tensiuni peste o joncțiune P-N în direcția înainte (polarizare înainte) ajută electronii din regiunea de tip N să se combine cu găurile din regiunea de tip P. Încercarea de a inversa fluxul de curent (polarizare inversă) prin diodă forțează electronii și găurile să se despartă, ceea ce împiedică curgerea curentului prin joncțiune. Combinarea joncțiunilor P-N în alte moduri deschide ușile către alte componente semiconductoare, cum ar fi tranzistorul.
Tranzistori
Un tranzistor de bază este realizat din combinația a trei materiale de tip N și de tip P, mai degrabă decât cele două utilizate într-o diodă. Combinând aceste materiale, rezultă tranzistoarele NPN și PNP, care sunt cunoscute ca tranzistori cu joncțiune bipolară (BJT). Zona centrală sau de bază BJT permite tranzistorului să acționeze ca un comutator sau amplificator.
Tranzistoarele NPN și PNP arată ca două diode plasate spate în spate, care blochează curgerea curentului în oricare direcție. Când stratul central este polarizat înainte, astfel încât un curent mic să curgă prin stratul central, proprietățile diodei formate cu stratul central se modifică pentru a permite unui curent mai mare să curgă prin întregul dispozitiv. Acest comportament oferă unui tranzistor capacitatea de a amplifica curenți mici și de a acționa ca un comutator care pornește sau oprește o sursă de curent.
Multe tipuri de tranzistoare și alte dispozitive semiconductoare rezultă din combinarea joncțiunilor P-N în mai multe moduri, de la tranzistoare avansate, cu funcții speciale, la diode controlate. Următoarele sunt câteva dintre componentele realizate din combinații atente de joncțiuni P-N:
- DIAC
- Diodă laser
- Diodă emițătoare de lumină (LED)
- Diodă Zener
- tranzistor Darlington
- Tranzistor cu efect de câmp (inclusiv MOSFET)
- tranzistor IGBT
- Redresor controlat cu silicon
- Circuit integrat
- Microprocesor
- Memorie digitală (RAM și ROM)
Senzori
Pe lângă controlul curent pe care îl permit semiconductorii, semiconductorii au și proprietăți care fac senzori eficienți. Acestea pot fi sensibile la schimbările de temperatură, presiune și lumină. O modificare a rezistenței este cel mai comun tip de răspuns pentru un senzor semiconductor.
Tipurile de senzori posibile de proprietățile semiconductoarelor includ:
- Senzor cu efect Hall (senzor de câmp magnetic)
- Termistor (senzor rezistiv de temperatură)
- CCD/CMOS (senzor de imagine)
- Fotodiodă (senzor de lumină)
- Fotorezistor (senzor de lumină)
- Piezorezistiv (senzori de presiune/deformare)
