Pooljuhtide põhitõed
Ülevaade
Tänu klasside materjalidele, mida nimetatakse pooljuhtideks, on võimalik saavutada kaasaegne tehnoloogia. Kõik aktiivsed komponendid, integraallülitused, mikrokiibid, transistorid ja paljud andurid on ehitatud pooljuhtmaterjalidega. Kuigi räni on kõige enam kasutatav ja kõige tuntum pooljuhtmaterjal, mida kasutatakse elektroonikas, kasutatakse laias valikus pooljuhte, sealhulgas geeniumit, galliumarseeniidi, ränikarbiidi ja orgaanilisi pooljuhte. Iga materjal toob lausele teatavaid eeliseid, nagu kulu / jõudluse suhe, kiire töö, kõrge temperatuur või soovitud vastus signaalile.
Pooljuhid
Pooljuhtide nii kasulikuks muutmine on võime täpselt kontrollida nende elektrilisi omadusi ja käitumist tootmisprotsessi ajal. Pooljuht omadusi kontrollitakse, lisades pooljuhtides väikeseid koguseid lisandeid, kasutades dopingu protsessi, mille erinevad lisandid ja kontsentratsioonid tekitavad erinevaid tulemusi. Dopinguvastase kontrolli all saab juhtida elektrivoolu pooljuhitavast liikumist.
Tavapärases juhjas, nagu vask, kannavad elektronid voolu ja toimivad laaduri kandjana. Pooljuhtides toimivad nii elektronid kui ka "augud" elektroni puudumisel laengukandjatena. Pooljuhtide dopingu reguleerimisega saab juhtivust ja laengu kandjat kohandada nii, et see põhineks kas elektronil või aukudel.
On olemas kahte tüüpi dopinguid, N-tüüpi ja P-tüüpi. N-tüüpi dopantidel, tavaliselt fosforil või arseenil, on viis elektroni, mis lisades pooljuhte annab lisavaba elektroni. Kuna elektronidel on negatiivne laeng, siis seda leevendatavat materjali nimetatakse N-tüüpi. P-tüüpi dopantidel, nagu booril ja galiumil, on ainult kolm elektroni, mis põhjustavad pooljuhtklaasist elektroni puudumist, luues tõhusalt auku või positiivse laengu, seega nimetus P-tüüp. Mõlemad N-tüüpi ja P-tüüpi dopantsid, isegi minimaalsetes kogustes, muudavad pooljuhi korraliku dirigendi. Kuid N-tüüpi ja P-tüüpi pooljuhid ei ole iseenesest väga erilised, olles vaid korralikud dirigendid. Siiski, kui panete need üksteisega kokkupuutes, moodustades PN-ristmikke, on teil väga erinevad ja väga kasulikud käitumised.
PN ühendusdiood
PN-ühendus, erinevalt iga materjalist eraldi, ei tegutse nagu dirigent. Selle asemel, et võimaldada voolu liikumist mõlemas suunas, võimaldab PN-ristmik ainult ainult voolu liikumist ühes suunas, luues põhi dioodi. PN-ristmikul pinge rakendamine edasisuunalises suunas (edasisuunas) aitab N-tüüpi piirkonna elektronidel ühendada P-tüüpi piirkonna augud. Voolu (pöördliikumise) voolu pööramine dioodi kaudu sunnib elektronid ja augud eralduma, mis takistavad voolu voolamist kogu ristmikul. PN-ristmike ühendamine muudel viisidel avab uksed teistele pooljuhtkomponentidele, näiteks transistorile.
Transistorid
Põhiline transistor valmistatakse kolme N-tüüpi ja P-tüüpi materjalide ristumiskoha kombinatsioonist, mitte kahest dioodist. Nende materjalide ühendamisel saadakse NPN ja PNP transistorid, mis on tuntud kui bipolaarse ristmiku transistorid või BJT-id. Keskpunkti või baasi regioon BJT võimaldab transistoril toimida lüliti või võimendina.
Kuigi NPN-i ja PNP-transistorid võivad välja nägema kahte dioodi, mis asetatakse tagasi tagasi, mis blokeerib kõik voolud mõlemas suunas voolavat voolu. Kui keskmine kiht on eelpingestatud nii, et keskmine kiht läbib väikese voolu, muutuvad keskmise kihiga moodustunud dioodi omadused, mis võimaldavad palju kogu voolu läbi kogu seadet voolata. Selline käitumine annab transistorile võimaluse väikeste voolude võimendamiseks ja lüliti toimimiseks, mis lülitab voolu allika sisse või välja.
Erinevat tüüpi transistoride ja muude pooljuhtseadiste abil saab PN-ristmikke kombineerida mitmel viisil, alates täiustatud, erifunktsioonide transistoridest kuni kontrollitavate dioodidega. Järgnevad on vaid mõned komponendid, mis on valmistatud PN-ristmete hoolikast kombinatsioonist.
- DIAC
- Laserdiood
- Valgusdiood (LED)
- Zeneri diood
- Darlingtoni transistor
- Väli-efekti transistor, sh MOSFET-id
- IGBT transistor
- Ränist juhitav alaldi (SCR)
- Integraallülitused (IC)
- Mikroprotsessor
- Digitaalne mälu - RAM ja ROM
Andurid
Lisaks praegusele juhtelemendile, mida pooljuhid võimaldavad, on neil ka omadused, mis võimaldavad efektiivseid andureid. Neid saab muuta tundlikeks temperatuuri, rõhu ja valguse muutuste suhtes. Resistentsuse muutus on pooljuhtseadisest kõige tavalisem vastus. Allpool on loetletud mõned pooljuhtseadiste võimalikud andurid.
- Halli efekti sensor (magnetvälja sensor)
- Termistor (takistuslik temperatuuriandur)
- CCD / CMOS (pildiandur)
- Fotodiood (valgusandur)
- Fotoresistor (valgusandur)
- Piezo-vastupidavad (rõhu / tüve andurid)