Moderne technologie wordt mogelijk gemaakt dankzij een klasse materialen die halfgeleiders worden genoemd. Alle actieve componenten, geïntegreerde schakelingen, microchips, transistors en vele sensoren zijn gebouwd met halfgeleidermaterialen. Hoewel silicium het meest gebruikte en meest bekende halfgeleidermateriaal is dat wordt gebruikt in de elektronica, wordt een breed scala aan halfgeleiders gebruikt, waaronder Germanium, Gallium Arsenide, Silicon Carbide en organische halfgeleiders. Elk materiaal biedt bepaalde voordelen voor de tafel, zoals de verhouding kosten / prestaties, hoge snelheid, hoge temperatuur of de gewenste reactie op een signaal.
Semiconductors
Wat halfgeleiders zo nuttig maakt, is het vermogen om hun elektrische eigenschappen en gedrag tijdens het productieproces precies te regelen. Halfgeleidereigenschappen worden geregeld door kleine hoeveelheden onzuiverheden in de halfgeleider toe te voegen via een proces dat doping wordt genoemd, met verschillende onzuiverheden en concentraties die verschillende effecten produceren. Door de dotering te regelen, kan de manier worden geregeld waarop een elektrische stroom door een halfgeleider beweegt.
In een typische geleider, zoals koper, dragen elektronen de stroom en fungeren ze als de ladingdrager. In halfgeleiders werken zowel elektronen als 'gaten', de afwezigheid van een elektron, als ladingdragers. Door de dotering van de halfgeleider te regelen, kunnen de geleidbaarheid en de ladingsdrager worden aangepast om op basis van elektron of gat te zijn.
Er zijn twee soorten doping, N-type en P-type. N-type doteermiddelen, typisch fosfor of arsenicum, hebben vijf elektronen, die bij toevoeging aan een halfgeleider een extra vrij elektron verschaffen. Omdat elektronen een negatieve lading hebben, wordt een op deze manier gedoteerd materiaal N-type genoemd. P-type doteermiddelen, zoals borium en gallium, hebben slechts drie elektronen die resulteren in de afwezigheid van een elektron in het halfgeleiderkristal, waardoor effectief een gat of een positieve lading wordt gecreëerd, vandaar de naam P-type. Zowel doteerstoffen van het N-type en het P-type, zelfs in zeer kleine hoeveelheden, zullen een halfgeleider een fatsoenlijke geleider maken. N-type en P-type halfgeleiders zijn echter niet erg speciaal, omdat ze gewoon goede geleiders zijn. Wanneer u ze echter in contact met elkaar plaatst en een P-N-overgang vormt, krijgt u een aantal zeer verschillende en zeer nuttige gedragingen.
De P-N verbindingsdiode
Een P-N-overgang, in tegenstelling tot elk afzonderlijk materiaal, werkt niet als een geleider. In plaats van de stroom in beide richtingen te laten stromen, laat een P-N-overgang alleen stroom in één richting stromen, waardoor een basisdiode wordt gecreëerd. Het aanleggen van een spanning over een P-N-overgang in de voorwaartse richting (voorwaartse voorspanning) helpt de elektronen in het N-type gebied te combineren met de gaten in het P-type gebied. Pogingen om de stroom van stroom (omgekeerde voorspanning) door de diode om te keren, dwingen de elektronen en gaten van elkaar af om te voorkomen dat er stroom door de verbinding stroomt. Het op andere manieren combineren van P-N-knooppunten opent deuren naar andere halfgeleidercomponenten, zoals de transistor.
transistors
Een basistransistor wordt gemaakt van de combinatie van het knooppunt van drie N-type en P-type materialen in plaats van de twee gebruikt in een diode. Het combineren van deze materialen levert de NPN- en PNP-transistors op die bekend staan als bipolaire junctietransistors of BJT's. Het centrale of basisgebied BJT maakt het mogelijk dat de transistor werkt als een schakelaar of versterker.
Terwijl NPN- en PNP-transistors er uitzien als twee dioden die achter elkaar zijn geplaatst, waardoor alle stroom in beide richtingen kan worden geblokkeerd. Wanneer de middenlaag naar voren is voorgespannen, zodat een kleine stroom door de middenlaag vloeit, veranderen de eigenschappen van de diode die met de middelste laag is gevormd, zodat een veel grotere stroom over de gehele inrichting kan vloeien. Dit gedrag geeft een transistor de mogelijkheid om kleine stromen te versterken en om als een schakelaar te fungeren om een stroombron in of uit te schakelen.
Een verscheidenheid aan typen transistoren en andere halfgeleiderinrichtingen kan worden gemaakt door P-N-overgangen op een aantal manieren te combineren, van geavanceerde transistors met speciale functie tot gecontroleerde diodes. De volgende zijn slechts enkele van de componenten die zijn gemaakt van zorgvuldige combinaties van P-N-knooppunten.
- DIAC
- Laserdiode
- Lichtgevende diode (LED)
- Zener diode
- Darlington-transistor
- Veldeffecttransistor, inclusief MOSFET's
- IGBT-transistor
- Silicium controlled rectifier (SCR)
- Geïntegreerde schakeling (IC's)
- microprocessor
- Digitaal geheugen - RAM en ROM
sensoren
Naast de huidige controle die halfgeleiders mogelijk maken, hebben ze ook eigenschappen die zorgen voor effectieve sensoren. Ze kunnen gevoelig worden gemaakt voor veranderingen in temperatuur, druk en licht. Een verandering in weerstand is de meest gebruikelijke reactie voor een halfgeleidende sensor. Enkele van de soorten sensoren die mogelijk zijn gemaakt door halfgeleidereigenschappen staan hieronder vermeld.
- Hall-effect sensor (magneetveldsensor)
- Thermistor (resistieve temperatuursensor)
- CCD / CMOS (beeldsensor)
- Fotodiode (lichtsensor)
- Fotoresistor (lichtsensor)
- Piëzoresistieve (druk / spanningssensoren)
