Halfgeleier-basiese beginsels
oorsig
Moderne tegnologie word moontlik gemaak danksy 'n klas materiaal wat halfgeleiers genoem word. Alle aktiewe komponente, geïntegreerde stroombane, mikroskyfies, transistors, sowel as baie sensors is gebou met halfgeleier materiale. Alhoewel silikon die mees gebruikte en bekendste halfgeleiermateriaal is wat in elektronika gebruik word, word 'n wye reeks halfgeleiers gebruik, waaronder Germanium, Gallium Arsenide, Silicon Carbide, sowel as organiese halfgeleiers. Elke materiaal bring sekere voordele aan die tafel, soos koste / verhoudingsverhouding, hoëspoedwerking, hoë temperatuur of die verlangde reaksie op 'n sein.
halfgeleiers
Wat halfgeleiers so nuttig maak, is die vermoë om hul elektriese eienskappe en gedrag presies te beheer tydens die vervaardigingsproses. Halfgeleier eienskappe word beheer deur klein hoeveelhede onsuiwerhede in die halfgeleier te voeg deur middel van 'n proses genaamd doping, met verskillende onsuiwerhede en konsentrasies wat verskillende effekte veroorsaak. Deur die doping te beheer, kan die manier waarop 'n elektriese stroom deur 'n halfgeleier beweeg, beheer word.
In 'n tipiese geleier, soos koper, dra elektrone die stroom en tree dit op as ladingdraer. In halfgeleiers dien beide elektrone en gate, die afwesigheid van 'n elektron, as ladingsdraers. Deur die doping van die halfgeleier te beheer, kan die geleidingsvermoë en die ladingsdraer aangepas word om óf elektron of gatgebaseerd te wees.
Daar is twee tipes doping, N-tipe en P-tipe. N-tipe doperings, tipies fosfor of arseen, het vyf elektrone, wat as 'n halfgeleier bygevoeg word, bied 'n ekstra gratis elektron. Aangesien elektrone 'n negatiewe lading het, word 'n materiaal wat dopgehou word, N-tipe genoem. P-tipe doperings, soos boor en gallium, het net drie elektrone wat die afwesigheid van 'n elektron in die halfgeleier kristal tot gevolg het, wat effektief 'n gat of 'n positiewe lading skep, vandaar die P-tipe. Beide N-tipe en P-tipe doperings, selfs in klein hoeveelhede, sal 'n halfgeleier 'n ordentlike geleier maak. N-tipe en P-tipe halfgeleiers is egter nie baie spesiaal nie, dit is net ordentlike geleiers. As jy dit egter in kontak met mekaar plaas, vorm 'n PN-aansluiting, kry jy baie verskillende en baie nuttige gedrag.
Die PN Junction Diode
'N PN-aansluiting, in teenstelling met elke materiaal afsonderlik, handel nie soos 'n dirigent nie. Eerder as om die stroom in enige rigting te laat vloei, kan 'n PN-aansluiting slegs die stroom in een rigting laat vloei en 'n basiese diode skep. Deur 'n spanning oor 'n PN-aansluiting in die voorwaartse rigting te gebruik, kan die elektrone in die N-tipe streek kombineer met die gate in die P-tipe streek. Poging om die stroomstroom (omgekeerde vooroordeel) deur die diode te keer, dwing die elektrone en gate uitmekaar, wat voorkom dat stroom vloei oor die aansluiting. Die kombinasie van PN-aansluitings op ander maniere maak die deure oop vir ander halfgeleier komponente, soos die transistor.
transistors
'N Basiese transistor word gemaak uit die kombinasie van die aansluiting van drie N-tipe en P-tipe materiale eerder as die twee wat in 'n diode gebruik word. Die kombinasie van hierdie materiale lewer die NPN- en PNP-transistors wat bekend staan as bipolêre verbindingstransistors of BJT's. Die sentrum, of basis, streek BJT laat die transistor toe om as skakelaar of versterker op te tree.
Terwyl NPN- en PNP-transistors kan lyk soos twee diodes wat teruggeplaas word, wat alle stroom van blokke in albei rigtings sal blokkeer. Wanneer die middelste laag vorentoe is, sodat 'n klein stroom deur die middellaag vloei, verander die eienskappe van die diode wat met die middellaag gevorm word, sodat 'n veel groter stroom oor die hele toestel vloei. Hierdie gedrag gee 'n transistor die vermoë om klein strome te versterk en as 'n skakelaar te dien wat 'n stroombron aan of af skakel.
'N Verskeidenheid tipes transistors en ander halfgeleier toestelle kan gemaak word deur PN-verbindings op 'n aantal maniere te kombineer, van gevorderde, spesiale funksie transistors tot beheerde diodes. Die volgende is slegs 'n paar van die komponente wat gemaak is van versigtige kombinasies van PN-verbindings.
- DIAC
- Laser diode
- Light-emitting diode (LED)
- Zener diode
- Darlington transistor
- Veld-effek transistor, insluitend MOSFETs
- IGBT transistor
- Silikonbeheerde gelykrigter (SCR)
- Geïntegreerde stroombaan (ICs)
- mikroverwerker
- Digitale geheue - RAM en ROM
sensors
Benewens die huidige beheer wat halfgeleiers toelaat, het hulle ook eienskappe wat vir effektiewe sensors maak. Hulle kan gemaak word om sensitief te wees vir veranderinge in temperatuur, druk en lig. 'N verandering in weerstand is die mees algemene tipe reaksie vir 'n semi-geleidende sensor. Enkele van die tipes sensors wat deur halfgeleier eienskappe moontlik gemaak word, word hieronder gelys.
- Hall effek sensor (magnetiese veld sensor)
- Termistor (weerstand temperatuur sensor)
- CCD / CMOS (beeld sensor)
- Fotodiode (lig sensor)
- Fotoresistor (lig sensor)
- Piezoresistive (druk / spanning sensors)