Félvezető alapok
Áttekintés
A modern technológia lehetővé teszi a félvezető anyagok osztályának köszönhetően. Minden aktív komponens, integrált áramkör, mikrochip, tranzisztor, valamint számos érzékelő félvezető anyagokkal van felszerelve. Miközben a szilícium a legszélesebb körben használt és legismertebb elektronikai elektronika, félvezetők széles választékát használják, köztük a germániumot, a gallium-arzén-oxidot, a szilícium-karbidot és a szerves félvezetőket. Minden anyag bizonyos előnyöket nyújt az asztalhoz, például a költség / teljesítmény arány, a nagy sebességű működés, a magas hőmérséklet vagy a kívánt jelre adott válasz.
félvezetők
A félvezetők olyan hasznosak, hogy pontosan ellenőrizni tudják az elektromos tulajdonságokat és viselkedést a gyártási folyamat során. A félvezető tulajdonságait úgy szabályozzák, hogy a félvezetőben apró mennyiségű szennyeződést adnak hozzá a doppingnak nevezett eljáráson keresztül, különböző szennyeződésekkel és koncentrációkkal, amelyek különböző hatásokat eredményeznek. A doppingolás ellenõrzésével ellenõrizhetõ a villamos áram félvezetõn keresztül történõ áramlása.
Egy tipikus vezetőben, mint a réz, az elektronok hordozzák az áramot, és töltőhordozóként működnek. A félvezetőkben mind az elektronok, mind a "lyukak", az elektron hiánya, töltőhordozóként működnek. A félvezető doppingolásának szabályozása révén a vezetőképesség és a töltéshordozó elektron vagy lyuk alapú lehet.
Két fajta doping, N típusú és P típusú. Az N típusú adalékanyagok, jellemzően a foszfor vagy az arzén, öt elektronból állnak, amelyek egy félvezetőhöz való hozzáadás esetén extra szabad elektronot biztosítanak. Mivel az elektronok negatív töltéssel rendelkeznek, az így adalékolt anyagot N-típusúnak hívják. A P típusú adalékanyagok, mint a bór és a gallium, csak három elektronból állnak, amelyek az elektron hiányát eredményezik a félvezető kristályban, hatékonyan létrehozva egy lyukat vagy egy pozitív töltetet, ily módon a P-típusú nevet. Mind az N-típusú, mind a P-típusú adalékanyagok, akár kisebb mennyiségekben is, egy félvezető tisztességes vezetőt alkotnak. Azonban az N típusú és a P típusú félvezetők önmagukban nem különösebben különlegesek, csak tisztességes vezetők. Azonban, amikor egymásba helyezzük egymást, egy PN csomópontot alkotva, nagyon különböző és nagyon hasznos viselkedést kapsz.
A PN csatlakozódióda
A PN csomópont, ellentétben az egyes anyagokkal, nem úgy működik, mint egy karmester. Ahelyett, hogy lehetővé tennék az áramlást bármelyik irányban, a PN csomópont csak akkor teszi lehetővé az áramot, hogy egy irányba áramoljon, létrehozva egy alapvető diódát. Feszültség alkalmazása egy PN csomóponton az előremeneti irányban (előremenő torzítás) segít az N-típusú régióban lévő elektronok között a P-típusú régióban lévő lyukakkal kombinálni. Az áramlás áramlásának visszafordítása (fordított bias) a diódán át történő áramlásának megakadályozása érdekében az elektronok és a lyukak egymástól távol vannak, amelyek megakadályozzák az áram áramlását a csomóponton keresztül. A PN csomópontok más módon történő összekapcsolása megnyitja az ajtókat más félvezető elemekhez, például a tranzisztorhoz.
tranzisztorok
Egy alap tranzisztort három N-típusú és P-típusú anyag csomópontjának kombinációjából készítenek, ahelyett, hogy a két dióda használt volna. Ezeknek az anyagoknak a kombinálásával az NPN és a PNP tranzisztorok jönnek létre, amelyek bipoláris kapcsolódási tranzisztorok vagy BJT-k néven ismertek. A központ, vagy a bázis, a BJT régió lehetővé teszi a tranzisztor kapcsoló vagy erősítő működtetését.
Bár az NPN és a PNP tranzisztorok két visszacsatolt diódához hasonlítanak, ami megakadályozza, hogy az áram mindkét irányba folyjon. Amikor a középső réteg előretolódik, hogy egy kis áram áthaladjon a középső rétegen, a középső réteggel kialakított dióda tulajdonságai megváltoztak, hogy sokkal nagyobb áramot tudjanak áramolni az egész eszközön. Ez a viselkedés lehetővé teszi a tranzisztor számára a kis áramerősség növelését és az áramforrás be- és kikapcsolására szolgáló kapcsolóként való működését.
Különböző típusú tranzisztorok és más félvezető eszközök lehetnek a PN csomópontok többféle módon történő kombinálásával, a speciális, speciális funkciójú tranzisztoroktól az ellenőrzött diódákig. Az alábbiak csak néhány, a PN csomópontok gondos kombinációjából készült komponensek.
- DIAC
- Lézerdióda
- Fénykibocsátó dióda (LED)
- zener dióda
- Darlington-tranzisztor
- Mezőhatású tranzisztor, beleértve a MOSFET-et
- IGBT tranzisztor
- Szilíciumvezérelt egyenirányító (SCR)
- Integrált áramkör (IC)
- mikroprocesszor
- Digitális memória - RAM és ROM
érzékelők
A félvezetők által biztosított jelenlegi szabályozás mellett olyan tulajdonságokkal is rendelkeznek, amelyek hatékony érzékelőket biztosítanak. Ők érzékenyek lehetnek a hőmérséklet, a nyomás és a fény változásaira. Az ellenállásváltozás a félvezető érzékelő leggyakoribb válaszfajtája. Az alábbiakban felsorolunk néhány olyan típusú érzékelőt, amelyek a félvezető tulajdonságok által lehetségesek.
- Hall-effekt érzékelő (mágneses mező érzékelő)
- Termisztor (ellenálláshőmérséklet-érzékelő)
- CCD / CMOS (képérzékelő)
- Fotodióda (fényérzékelő)
- Fényérzékelő (fényérzékelő)
- Piezorezisztív (nyomás / törzs érzékelők)