Pusvadītāju pamati
Pārskats
Modernās tehnoloģijas ir iespējamas, pateicoties materiālu klasei, ko sauc par pusvadītājiem. Visi aktīvie komponenti, integrētās shēmas, mikroshēmas, tranzistori, kā arī daudzi sensori ir veidoti ar pusvadītāju materiāliem. Kaut arī silīcijs ir visplašāk izmantotais un pazīstamākais elektronikas pusvadītāju materiāls, tiek izmantots plašs pusvadītāju klāsts, tostarp germānija, gallija arsenīds, silīcija karbīds, kā arī organiskie pusvadītāji. Katrs materiāls dod galda priekšrocības, piemēram, izmaksu / veiktspējas attiecība, ātrgaitas darbība, augsta temperatūra vai vēlamā reakcija uz signālu.
Pusvadītāji
Tas, kas padara pusvadītājus tik noderīgu, ir spēja precīzi kontrolēt to elektriskās īpašības un uzvedību ražošanas procesa laikā. Pusvadītāju īpašības tiek kontrolētas, pievienojot nelielu piemaisījumu daudzumu pusvadītājā, izmantojot procesu, ko sauc par dopēšanu, ar dažādiem piemaisījumiem un koncentrācijām, kas rada dažādus efektus. Kontrolējot dopingu, var kontrolēt to, kā elektrisko strāvu pāri pusvadītājam.
Tipiskā diriģente, piemēram, varš, elektroni nes strāvu un darbojas kā lādēšanas nesējs. Pusvadītājos darbojas gan elektroni, gan "caurumi", jo elektronu nav, tie darbojas kā lādēšanas nesēji. Kontrolējot pusvadītāja dopingu, vadītspēja un lādēšanas nesējs var būt pielāgots vai nu elektronam, vai caurumam.
Ir divu veidu dopings, N tipa un P tipa. N tipa tipa piedevām, parasti fosforam vai arsēnam, ir pieci elektroni, kas, pievienojot pusvadītājam, nodrošina papildu brīvo elektronu. Tā kā elektroniem ir negatīvs uzlādes līmenis, šādā veidā iegūtais materiāls tiek saukts par N-veida. P veida tipa piedevām, piemēram, bora un gallija, ir tikai trīs elektroni, kas pusvadītāju kristālos izraisa elektronu trūkumu, efektīvi izveidojot caurumu vai pozitīvu lādiņu, tādēļ nosaukums P-tipa. Gan N-veida, gan P tipa piedevas, pat nelielos daudzumos, padarīs pusvadītāju pienācīgu diriģentu. Tomēr N-tipa un P tipa pusvadītāji paši nav ļoti īpaši, jo tie ir tikai pienācīgi vadītāji. Tomēr, kad jūs ievietojat tos kontaktā viens ar otru, veidojot PN krustojumu, jūs saņemat ļoti atšķirīgu un ļoti noderīgu uzvedību.
PN savienojuma diode
PN krustojums, atšķirībā no katra materiāla atsevišķi, nedarbojas kā diriģents. Tā vietā, lai ļautu strāvai plūst abos virzienos, PN krustojums ļauj tikai strāvai plūst vienā virzienā, izveidojot pamata diodi. Pielietojot spriegumu pāri PN savienojumam virzienā uz priekšu (priekšu nobīde), N-veida reģiona elektroni apvieno ar caurumiem P tipa reģionā. Mēģinājums mainīt strāvas plūsmu (reverso slīpumu) caur diode spēlē elektronus un caurumus, kas šķērso, kas novērš strāvas plūsmu pāri krustojumam. PN savienojumu apvienošana ar citiem veidiem atver durvis uz citām pusvadītāju sastāvdaļām, piemēram, tranzistoru.
Tranzistori
Pamata tranzistors ir izgatavots no triju N tipa un P tipa materiālu savienojuma kombinācijas, nevis no diviem, ko izmanto diodei. Apvienojot šos materiālus, tiek iegūti NPN un PNP tranzistori, kurus sauc par bipolāriem savienojuma tranzistoriem vai BJT. Centrs vai bāzes reģions BJT ļauj tranzistoram darboties kā slēdzis vai pastiprinātājs.
Kamēr NPN un PNP tranzistori var izskatīties kā divi diodi, kas novietoti atpakaļ uz aizmuguri, kas bloķē visu strāvu plūsmu abos virzienos. Ja centrālais slānis ir izvirzīts uz priekšu tā, ka caur centra slāni tiek plūst neliela strāva, ar diametru, kas veidojas ar centra slāni, mainās mainīgās īpašības, kas ļauj plūst visā ierīcē daudz lielāku strāvu. Šī rīcība dod tranzistoram iespēju pastiprināt mazas strāvas un darboties kā slēdzis, ieslēdzot vai izslēdzot strāvas avotu.
Dažādus tranzistoru un citu pusvadītāju ierīču veidus var veidot, savienojot PN savienojumus vairākos veidos, sākot no uzlabotām, īpašu funkciju tranzistoriem līdz kontrolētajām diodēm. Tālāk ir tikai daži komponenti, kas izgatavoti no rūpīgām PN savienojumu kombinācijām.
- DIAC
- Lāzera diode
- Gaismas diode (LED)
- Zenera diode
- Darlingtona tranzistors
- Lauka efekta tranzistors, ieskaitot MOSFET
- IGBT tranzistors
- Silīcija vadīts taisngriezis (SCR)
- Integrālās shēmas (IC)
- Mikroprocesors
- Digitālā atmiņa - RAM un ROM
Sensori
Papildus pašreizējam kontrolei, ko nodrošina pusvadītāji, tiem ir arī īpašības, kas nodrošina efektīvus sensorus. Tos var padarīt jutīgus pret temperatūras, spiediena un gaismas izmaiņām. Izturības izmaiņas ir visizplatītākais atbildes veids pusvadītāju sensoram. Turpmāk ir uzskaitīti daži no sensoru veidiem, ko iespējams panākt ar pusvadītāju īpašībām.
- Hall efekta sensors (magnētiskā lauka sensors)
- Termistors (pretestības temperatūras sensors)
- CCD / CMOS (attēla sensors)
- Fotodiode (gaismas sensors)
- Fotorezistors (gaismas sensors)
- Piezoresizējošie (spiediena / deformācijas sensori)