Как работают полупроводники

Вся электроника начинается с полупроводниковых приборов

Современные технологии стали возможными благодаря классу материалов, называемых полупроводниками. Все активные компоненты, интегральные схемы, микросхемы, транзисторы, а также многие датчики изготовлены из полупроводниковых материалов. В то время как кремний является наиболее широко используемым и самым известным полупроводниковым материалом, используемым в электронике, используется широкий спектр полупроводников, включая германий, арсенид галлия, карбид кремния, а также органические полупроводники. Каждый материал приносит в таблицу определенные преимущества, такие как соотношение цена/качество, высокая скорость работы, высокая температура или желаемая реакция на сигнал.

Полупроводники

Что делает полупроводники такими полезными, так это способность точно контролировать их электрические свойства и поведение в процессе производства. Свойства полупроводника контролируются путем добавления небольших количеств примесей в полупроводнике посредством процесса, называемого легированием, при этом различные примеси и концентрации вызывают различные эффекты. Управляя легированием, можно управлять тем, как электрический ток проходит через полупроводник.

В типичном проводнике, таком как медь, электроны переносят ток и действуют как носители заряда. В полупроводниках как электроны, так и «дырки», отсутствие электрона, действуют как носители заряда. Управляя легированием полупроводника, проводимость и носитель заряда могут быть адаптированы к электронам или дыркам.

Существует два типа допинга: N-тип и P-тип. Присадки N-типа, обычно фосфор или мышьяк, имеют пять электронов, которые при добавлении в полупроводник дают дополнительный свободный электрон. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, материал, легированный таким образом, называется N-типом. Присадки P-типа, такие как бор и галлий, имеют только три электрона, что приводит к отсутствию электрона в полупроводниковом кристалле, эффективно создавая дырку или положительный заряд, отсюда и название P-тип. Легирующие примеси как N-типа, так и P-типа, даже в незначительных количествах, сделают полупроводник достойным проводником. Однако полупроводники N-типа и P-типа сами по себе не очень особенные, просто являются приличными проводниками. Однако, когда вы размещаете их в контакте друг с другом, образуя P-N-переход, вы получаете очень разные и очень полезные варианты поведения.

Диод соединения P-N

Соединение P-N, в отличие от каждого материала в отдельности, не действует как проводник. Вместо того, чтобы позволить току течь в любом направлении, переход P-N позволяет току течь только в одном направлении, создавая основной диод. Приложение напряжения к переходу P-N в прямом направлении (прямое смещение) помогает электронам в области N-типа соединяться с отверстиями в области P-типа. Попытка реверсировать поток тока (обратное смещение) через диод заставляет электроны и дырки разойтись, что препятствует прохождению тока через соединение. Объединение P-N переходов другими способами открывает двери для других полупроводниковых компонентов, таких как транзистор.

Транзисторы

Базовый транзистор сделан из комбинации соединения трех материалов N-типа и P-типа, а не из двух, используемых в диоде. Объединение этих материалов приводит к появлению NPN- и PNP-транзисторов, которые известны как транзисторы с биполярным переходом или BJT. Центральная или базовая область BJT позволяет транзистору действовать как переключатель или усилитель.

В то время как NPN и PNP транзисторы могут выглядеть как два диода, размещенных друг за другом, которые блокируют весь ток в любом направлении. Когда центральный слой смещен в прямом направлении, так что через центральный слой протекает небольшой ток, свойства диода, образованного с центральным слоем, изменяются, что позволяет значительно большему току течь через все устройство. Такое поведение дает транзистору возможность усиливать малые токи и действовать как переключатель, включающий или выключающий источник тока.

Различные типы транзисторов и других полупроводниковых устройств могут быть получены путем объединения P-N-переходов различными способами, от усовершенствованных транзисторов со специальными функциями до управляемых диодов. Ниже приведены лишь некоторые из компонентов, изготовленных из тщательных комбинаций соединений P-N.

  • DIAC
  • Лазерный диод
  • Светодиод (LED)
  • Стабилитрон
  • Дарлингтонский транзистор
  • Полевой транзистор, включая полевые МОП-транзисторы
  • БТИЗ транзистор
  • Кремниевый выпрямитель (SCR)
  • Интегральная схема (ИС)
  • Микропроцессор
  • Цифровая память – RAM и ROM

датчиков

В дополнение к текущему контролю, который позволяют полупроводники, они также обладают свойствами, которые делают эффективными датчики. Их можно сделать чувствительными к изменениям температуры, давления и света.Изменение сопротивления является наиболее распространенным типом отклика для полупроводящего датчика. Несколько типов датчиков, которые стали возможными благодаря свойствам полупроводников, перечислены ниже.

  • Датчик Холла (датчик магнитного поля)
  • Термистор (резистивный датчик температуры)
  • CCD/CMOS (датчик изображения)
  • Фотодиод (датчик освещенности)
  • Фоторезистор (датчик освещенности)
  • Пьезорезистивные (датчики давления/деформации)
Оцените статью
Solutics.ru
Добавить комментарий