Moderna tehnologija je omogućena zahvaljujući klasi materijala koji se zove poluprovodnici. Sve aktivne komponente, integrisana kola, mikročipovi, tranzistori i mnogi senzori su napravljeni od poluprovodničkih materijala.
Dok je silicijum najčešće korišćeni poluprovodnički materijal u elektronici, koristi se niz poluprovodnika, uključujući germanijum, galijum arsenid, silicijum karbid i organske poluprovodnike. Svaki materijal ima prednosti kao što su omjer cijene i učinka, rad velike brzine, tolerancija na visoke temperature ili željeni odgovor na signal.
Poluvodiči
Poluprovodnici su korisni jer inženjeri kontrolišu električna svojstva i ponašanje tokom procesa proizvodnje. Svojstva poluprovodnika se kontrolišu dodavanjem malih količina nečistoća u poluprovodnik kroz proces koji se naziva dopiranje. Različite nečistoće i koncentracije proizvode različite efekte. Kontrolom dopinga može se kontrolisati način na koji se električna struja kreće kroz poluvodič.
U tipičnom provodniku, poput bakra, elektroni nose struju i djeluju kao nosilac naboja. U poluvodičima, i elektroni i rupe (odsustvo elektrona) djeluju kao nosioci naboja. Kontrolom dopinga poluprovodnika, provodljivost i nosilac naboja su skrojeni tako da budu bazirani ili na elektronima ili na rupama.
Postoje dvije vrste dopinga:
- N-tip dopanti, tipično fosfor ili arsen, imaju pet elektrona, koji, kada se dodaju u poluvodič, pružaju dodatni slobodni elektron. Pošto elektroni imaju negativan naboj, materijal dopiran na ovaj način naziva se N-tip.
- P-tip dopanti, kao što su bor i galijum, imaju tri elektrona, što rezultira odsustvom elektrona u poluvodičkom kristalu. Ovo stvara rupu ili pozitivan naboj, otuda i naziv P-tip.
Dopanti tipa N i P, čak i u malim količinama, čine poluvodič pristojnim provodnikom. Međutim, poluvodiči tipa N i P nisu posebni i samo su pristojni provodnici. Kada se ovi tipovi stave u kontakt jedan s drugim, formirajući P-N spoj, poluvodič dobija drugačija i korisna ponašanja.
P-N spojna dioda
A P-N spoj, za razliku od svakog materijala posebno, ne djeluje kao provodnik. Umjesto da dozvoli struji da teče u bilo kojem smjeru, P-N spoj dozvoljava struji da teče samo u jednom smjeru, stvarajući osnovnu diodu.
Primjena napona preko P-N spoja u smjeru naprijed (naprijed) pomaže da se elektroni u regiji N-tipa kombinuju sa rupama u regiji P-tipa. Pokušaj da se obrne tok struje (obrnuta pristranost) kroz diodu tjera elektrone i rupe na odvojene, što sprječava struju da teče preko spoja. Kombinovanje P-N spojeva na druge načine otvara vrata drugim poluprovodničkim komponentama, kao što je tranzistor.
Tranzistori
Osnovni tranzistor je napravljen od kombinacije spoja tri materijala N-tipa i P-tipa umjesto dva koja se koriste u diodi. Kombinovanjem ovih materijala dobijaju se NPN i PNP tranzistori, koji su poznati kao bipolarni tranzistori sa spojem (BJT). Centralna ili bazna regija BJT dozvoljava tranzistoru da djeluje kao prekidač ili pojačalo.
NPN i PNP tranzistori izgledaju kao dvije diode postavljene jedna uz drugu, što blokira svu struju da teče u oba smjera. Kada je središnji sloj pristrasan prema naprijed tako da mala struja teče kroz središnji sloj, svojstva diode formirane sa središnjim slojem se mijenjaju kako bi se omogućila veća struja da teče kroz cijeli uređaj. Ovo ponašanje daje tranzistoru mogućnost da pojača male struje i djeluje kao prekidač koji uključuje ili isključuje izvor struje.
Mnogi tipovi tranzistora i drugih poluvodičkih uređaja su rezultat kombinovanja P-N spojeva na nekoliko načina, od naprednih tranzistora sa posebnim funkcijama do kontrolisanih dioda. Slijede neke od komponenti napravljenih od pažljivih kombinacija P-N spojeva:
- DIAC
- Laserska dioda
- Svjetleća dioda (LED)
- Zener dioda
- Darlington tranzistor
- Tranzistor sa efektom polja (uključujući MOSFET-ove)
- IGBT tranzistor
- Silikon kontrolirani ispravljač
- Integrisano kolo
- Mikroprocesor
- Digitalna memorija (RAM i ROM)
Senzori
Pored trenutne kontrole koju poluprovodnici dozvoljavaju, poluprovodnici takođe imaju svojstva koja čine efikasne senzore. Oni mogu biti osjetljivi na promjene temperature, pritiska i svjetlosti. Promjena otpora je najčešći tip odgovora za poluprovodnički senzor.
Vrste senzora koje omogućavaju svojstva poluprovodnika uključuju:
- Senzor Holovog efekta (senzor magnetnog polja)
- Termistor (otporni temperaturni senzor)
- CCD/CMOS (senzor slike)
- Fotodioda (senzor svjetla)
- Fotootpornik (svjetlosni senzor)
- Pijezorezistivni (senzori pritiska/naprezanja)
