Puslaidininkio pagrindai
Apžvalga
Šiuolaikinės technologijos tapo įmanomos dėl medžiagų, vadinamų puslaidininkiais, klasės. Visi aktyvieji komponentai, integriniai grandynai, mikroschemos, tranzistoriai ir daugelis jutiklių yra pagaminti iš puslaidininkių medžiagų. Nors silicis yra plačiausiai naudojama ir žinoma puslaidininkių medžiaga, naudojama elektronikoje, naudojamas platus puslaidininkių asortimentas, įskaitant germaniumą, arsenido dervą, silicio karbidą ir organinius puslaidininkius. Kiekviena medžiaga suteikia tam tikrus privalumus, pavyzdžiui, sąnaudų ir našumo santykį, greitą veikimą, aukštą temperatūrą arba norimą atsaką į signalą.
Puslaidininkiai
Tai, kas daro puslaidininkius tokius naudingus, yra gebėjimas tiksliai valdyti savo elektrines savybes ir elgesį gamybos proceso metu. Puslaidininkių savybės kontroliuojamos, į puslaidininkius pridedant nedidelius priemaišų kiekius per procesą, vadinamą dopingu, kurio skirtingos priemaišos ir koncentracijos turi skirtingą poveikį. Kontroliuojant dopingą, galima valdyti elektros srove judant puslaidininkiu.
Tipiškame laidyne, pavyzdžiui, vario, elektronai nešioja srovę ir veikia kaip įkrovos laikiklis. Puslaidininkiuose veikia elektronai ir "skylės", nes nėra elektronų, jie veikia kaip įkrovos laikikliai. Kontroliuojant puslaidininkio dopingą, laidumas ir įkroviklio laikiklis gali būti pritaikyti prie elektronų ar skylių.
Yra dviejų tipų dopingas, N tipo ir P tipo. N tipo tipo dopantiniai junginiai, paprastai fosforas ar arsenas, turi penkis elektronus, kurie, pridedant prie puslaidininkio, suteikia papildomą laisvą elektroną. Kadangi elektronai turi neigiamą įkrovą, tokiu būdu titruojama medžiaga vadinama N-tipo. P tipo sluoksniai, tokie kaip boras ir galisas, turi tik tris elektronus, dėl kurių puslaidininkiniame kristale nėra elektrono, efektyviai kuriant skylę arba teigiamą įkrovą, vadinasi P-tipo. Tiek "N", tiek "P" tipo dopatai, net ir mažesniais kiekiais, padaro puslaidininkius padoriu dirigentu. Tačiau N-tipo ir P tipo puslaidininkiai savaime nėra labai ypatingi, būtent jie yra tinkami laidininkai. Tačiau, kai jūs juos įterpiate tarpusavyje, formuojant PN sankryžą, jūs gaunate labai skirtingą ir labai naudingą elgesį.
PN jungties diodas
PN jungtis, skirtingai nei kiekviena medžiaga atskirai, neveikia kaip laidininkas. Vietoj to, kad srovė tekėtų abiem kryptimis, PN sankryžis leidžia srautui tekėti vienoje pusėje, sukuriant pagrindinį diodą. Įtampos taikymas PN sankryžoje į priekį (įstumiamas į priekį) padeda N-tipo regiono elektronams sujungti su P tipo regiono skylėmis. Bandymas pakeisti srovės srautą (atvirkštinis šališkas) per diodą įjungia elektronus ir skylutes, kurios neleidžia srovei tekėti per jungtį. Kitais būdais derinant PN sankryžus atidaromos duris prie kitų puslaidininkių komponentų, tokių kaip tranzistorius.
Tranzistoriai
Pagrindinis tranzistorius pagamintas iš trijų N tipo ir P tipo medžiagų jungties, o ne dviejų, naudojamų dioduose. Sujungus šias medžiagas, gaunami NPN ir PNP tranzistoriai, vadinami bipoliniais tranzistoriais arba BJT. Centras arba bazė, regionas BJT leidžia tranzistorius veikti kaip jungiklis arba stiprintuvas.
Nors NPN ir PNP tranzistoriai gali atrodyti kaip du diodai, sumontuoti atgal į nugarą, kuris užblokuotų visą srovę iš srauto bet kuria kryptimi. Kai centrinis sluoksnis yra nukreiptas į priekį, kad mažas srovės srautas prasiskverbia per vidurinį sluoksnį, diodo, sujungto su centriniu sluoksniu, savybės keičiamos taip, kad būtų galima išgauti daug didesnę srovę visame įrenginyje. Toks elgesys suteikia tranzistoriui galimybę sustiprinti mažas sroves ir veikti kaip jungiklis, kuris įjungia arba išjungia srovės šaltinį.
Įvairūs tranzistorių ir kitų puslaidininkių įtaisų tipai gali būti pagaminti jungiant PN jungtis įvairiais būdais: iš pažangių specialiųjų funkcijų tranzistorių į kontroliuojamus diodus. Toliau pateikiami tik keli komponentai, pagaminti iš kruopštaus PN jungčių kombinacijų.
- DIAC
- Lazerinis diodas
- Šviesos diodas (LED)
- Zenerio diodas
- Darlingtono tranzistorius
- Lauko efekto tranzistorius, įskaitant MOSFET
- IGBT tranzistorius
- Silicio kontroliuojamas lygintuvas (SCR)
- Integrinis grandynas (IC)
- Mikroprocesorius
- Skaitmeninė atmintis - RAM ir ROM
Jutikliai
Be dabartinio valdymo, kurį leidžia puslaidininkiai, jie taip pat turi savybes, kurios užtikrina veiksmingus jutiklius. Jie gali būti jautrūs temperatūros, slėgio ir šviesos pokyčiams. Pasipriešinimo pokytis yra labiausiai paplitęs atsakymas į pusiau laidų jutiklį. Toliau pateikiama keletas tipų jutiklių, kuriuos įmanoma atlikti naudojant puslaidininkių savybes.
- Hall effect sensoras (magnetinio lauko jutiklis)
- Termistorius (varžinis temperatūros jutiklis)
- CCD / CMOS (vaizdo jutiklis)
- Photodiode (šviesos jutiklis)
- Fotorezistorius (šviesos jutiklis)
- Piezoresistive (slėgio / deformacijos jutikliai)