Modern teknik möjliggörs på grund av en klass av material som kallas halvledare. Alla aktiva komponenter, integrerade kretsar, mikrochips, transistorer och många sensorer är byggda med halvledarmaterial. Medan kisel är det mest använda halvledarmaterialet inom elektronik används ett antal halvledare, inklusive germanium, galliumarsenid, kiselkarbid och organiska halvledare. Varje material har fördelar såsom förhållande mellan kostnad och prestanda, snabb drift, hög temperaturtolerans eller önskat svar på en signal.
Halvledare
Halvledare är användbara eftersom ingenjörer styr de elektriska egenskaperna och beteendet under tillverkningsprocessen. Halvledaregenskaper styrs genom att tillsätta små mängder föroreningar i halvledaren genom en process som kallas dopning. Olika föroreningar och koncentrationer ger olika effekter. Genom att kontrollera dopningen kan man styra hur elektrisk ström rör sig genom en halvledare. I en typisk ledare, som koppar, bär elektroner strömmen och fungerar som laddningsbärare. I halvledare fungerar både elektroner och hål (frånvaron av en elektron) som laddningsbärare. Genom att kontrollera dopningen av halvledaren är ledningsförmågan och laddningsbäraren skräddarsydda för att vara antingen elektron- eller hålbaserade. Det finns två typer av dopning:
- N-typ dopmedel, typiskt fosfor eller arsenik, har fem elektroner, som, när de läggs till en halvledare, ger en extra fri elektron. Eftersom elektroner har en negativ laddning kallas ett material som dopats på detta sätt N-typ.
- P-typ dopmedel, såsom bor och gallium, har tre elektroner, vilket resulterar i frånvaro av en elektron i halvledarkristallen. Detta skapar ett hål eller en positiv laddning, därav namnet P-typ.
Både dopmedel av N-typ och P-typ, även i små mängder, gör en halvledare till en anständig ledare. Halvledare av N-typ och P-typ är dock inte speciella och är bara anständiga ledare. När dessa typer placeras i kontakt med varandra och bildar en PN-korsning får en halvledare olika och användbara beteenden.
PN-korsningsdioden
En PN-korsning, till skillnad från varje material separat, fungerar inte som en ledare. I stället för att låta ström flyta i endera riktningen, tillåter en PN-korsning att strömmen bara flyter i en riktning, vilket skapar en grunddiod. Att applicera en spänning över en PN-korsning i framåtriktningen (framåtförspänning) hjälper elektronerna i N-typregionen att kombinera med hålen i P-typregionen. Att försöka vända strömmen (omvänd förspänning) genom dioden tvingar elektronerna och hålen isär, vilket förhindrar att ström flyter över korsningen. Genom att kombinera PN-korsningar på andra sätt öppnas dörrarna till andra halvledarkomponenter, till exempel transistorn.
Transistorer
En bastransistor är tillverkad av kombinationen av korsningen av tre N-typ och P-typ material snarare än de två som används i en diod. Att kombinera dessa material ger NPN- och PNP-transistorerna, som är kända som bipolära övergångstransistorer (BJT). Mitt- eller basregionen BJT tillåter transistorn att fungera som en omkopplare eller förstärkare. NPN- och PNP-transistorer ser ut som två dioder placerade bak mot rygg, vilket blockerar all ström från att strömma i båda riktningarna. När mittlagret är förspänt framåt så att en liten ström flyter genom mittlagret, ändras egenskaperna hos dioden som bildas med mittlagret så att en större ström kan strömma över hela enheten. Detta beteende ger en transistor möjligheten att förstärka små strömmar och fungera som en omkopplare som slår på eller av en strömkälla. Många typer av transistorer och andra halvledare är resultatet av att kombinera PN-korsningar på flera sätt, från avancerade specialfunktionstransistorer till kontrollerade dioder. Följande är några av komponenterna gjorda av noggranna kombinationer av PN-korsningar:
- DIAC
- Laserdiod
- Ljusdiod (LED)
- Zener-diod
- Darlington transistor
- Fälteffekttransistor (inklusive MOSFET)
- IGBT-transistor
- Kiselstyrd likriktare
- Integrerad krets
- Mikroprocessor
- Digitalt minne (RAM och ROM)
Sensorer
Förutom den nuvarande kontrollen som halvledare tillåter har halvledare också egenskaper som ger effektiva sensorer. Dessa kan göras känsliga för förändringar i temperatur, tryck och ljus. En motståndsförändring är den vanligaste typen av svar för en halvledande sensor. De typer av sensorer som möjliggörs av halvledaregenskaper inkluderar:
- Hall-effekt sensor (magnetfält sensor)
- Termistor (resistiv temperatursensor)
- CCD / CMOS (bildsensor)
- Fotodiod (ljussensor)
- Fotoresistor (ljussensor)
- Piezoresistive (tryck / töjningssensorer)
