Moderna tehnologija je moguća zahvaljujući klasi materijala koji se nazivaju poluvodiči. Sve aktivne komponente, integrirani krugovi, mikročipovi, tranzistori i mnogi senzori izrađeni su od poluvodičkih materijala.
Iako je silicij najrašireniji poluvodički materijal u elektronici, koristi se niz poluvodiča, uključujući germanij, galijev arsenid, silicij karbid i organske poluvodiče. Svaki materijal ima prednosti kao što su omjer cijene i učinka, rad velike brzine, tolerancija na visoke temperature ili željeni odgovor na signal.
Poluvodiči
Poluvodiči su korisni jer inženjeri kontroliraju električna svojstva i ponašanje tijekom procesa proizvodnje. Svojstva poluvodiča kontroliraju se dodavanjem malih količina nečistoća u poluvodič kroz proces koji se naziva dopiranje. Različite nečistoće i koncentracije proizvode različite učinke. Kontroliranjem dopinga može se kontrolirati način na koji električna struja prolazi kroz poluvodič.
U tipičnom vodiču, poput bakra, elektroni nose struju i djeluju kao nositelji naboja. U poluvodičima i elektroni i šupljine (nepostojanje elektrona) djeluju kao nositelji naboja. Kontroliranjem dopinga poluvodiča, vodljivost i nositelj naboja prilagođeni su da se temelje na elektronima ili rupama.
Postoje dvije vrste dopinga:
- Dopanti tipa N, obično fosfor ili arsen, imaju pet elektrona, koji, kada se dodaju poluvodiču, daju dodatni slobodni elektron. Budući da elektroni imaju negativan naboj, materijal dopiran na ovaj način naziva se N-tip.
- Dopanti tipa P, kao što su bor i galij, imaju tri elektrona, što rezultira odsutnošću elektrona u kristalu poluvodiča. Ovo stvara rupu ili pozitivan naboj, otuda i naziv P-tip.
I dopanti N-tipa i P-tipa, čak iu malim količinama, čine poluvodič pristojnim vodičem. Međutim, poluvodiči N-tipa i P-tipa nisu posebni i samo su pristojni vodiči. Kada se ovi tipovi stave u kontakt jedan s drugim, tvoreći P-N spoj, poluvodič ima različita i korisna ponašanja.
P-N spojna dioda
P-N spoj, za razliku od svakog materijala zasebno, ne ponaša se kao vodič. Umjesto da struja teče u bilo kojem smjeru, P-N spoj omogućuje struju samo u jednom smjeru, stvarajući osnovnu diodu.
Primjena napona preko P-N spoja u smjeru prema naprijed (prednaprednaprednost) pomaže elektronima u području N-tipa da se spoje s rupama u području P-tipa. Pokušaj obrnutog toka struje (obrnuti prednapon) kroz diodu prisiljava elektrone i rupe da se razdvoje, što sprječava protok struje preko spoja. Kombinacija P-N spojeva na druge načine otvara vrata drugim poluvodičkim komponentama, kao što je tranzistor.
Tranzistori
Osnovni tranzistor napravljen je kombinacijom spoja tri materijala N-tipa i P-tipa, a ne dva koja se koriste u diodi. Kombinacijom ovih materijala dobivaju se NPN i PNP tranzistori, koji su poznati kao bipolarni tranzistori (BJT). Centralna ili bazna regija BJT omogućuje tranzistoru da djeluje kao sklopka ili pojačalo.
NPN i PNP tranzistori izgledaju kao dvije diode postavljene jedna uz drugu, što blokira protok struje u bilo kojem smjeru. Kada je središnji sloj usmjeren prema naprijed tako da mala struja teče kroz središnji sloj, svojstva diode formirane sa središnjim slojem se mijenjaju kako bi omogućila protok veće struje kroz cijeli uređaj. Ovakvo ponašanje daje tranzistoru mogućnost da pojača male struje i djeluje kao prekidač koji uključuje ili isključuje izvor struje.
Mnoge vrste tranzistora i drugih poluvodičkih uređaja rezultat su kombiniranja P-N spojeva na nekoliko načina, od naprednih tranzistora s posebnim funkcijama do kontroliranih dioda. Slijedi nekoliko komponenti napravljenih od pažljivih kombinacija P-N spojeva:
- DIAC
- Laserska dioda
- Svjetleća dioda (LED)
- Zener dioda
- Darlingtonov tranzistor
- Tranzistor s efektom polja (uključujući MOSFET-ove)
- IGBT tranzistor
- Silicijski kontrolirani ispravljač
- Integrirani krug
- Mikroprocesor
- Digitalna memorija (RAM i ROM)
Senzori
Osim kontrole struje koju poluvodiči omogućuju, poluvodiči također imaju svojstva koja čine učinkovite senzore. Mogu se napraviti tako da budu osjetljivi na promjene temperature, tlaka i svjetlosti. Promjena otpora najčešći je tip odziva za poluvodljivi senzor.
Vrste senzora koje omogućuju svojstva poluvodiča uključuju:
- Senzor Hallovog efekta (senzor magnetskog polja)
- Termistor (otporni senzor temperature)
- CCD/CMOS (senzor slike)
- Fotodioda (senzor svjetla)
- Fotootpornik (senzor svjetla)
- Pijezorezistivni (senzori tlaka/naprezanja)
