Mūsdienu tehnoloģijas ir iespējamas, pateicoties materiālu klasei, ko sauc par pusvadītājiem. Visi aktīvie komponenti, integrālās shēmas, mikroshēmas, tranzistori un daudzi sensori ir izgatavoti no pusvadītāju materiāliem.
Lai gan silīcijs ir elektronikā visplašāk izmantotais pusvadītāju materiāls, tiek izmantoti dažādi pusvadītāji, tostarp germānija, gallija arsenīds, silīcija karbīds un organiskie pusvadītāji. Katram materiālam ir priekšrocības, piemēram, izmaksu un veiktspējas attiecība, ātrgaitas darbība, augstas temperatūras pielaide vai vēlamā reakcija uz signālu.
Pusvadītāji
Pusvadītāji ir noderīgi, jo inženieri kontrolē elektriskās īpašības un uzvedību ražošanas procesā. Pusvadītāju īpašības tiek kontrolētas, pievienojot pusvadītājā nelielu daudzumu piemaisījumu, izmantojot procesu, ko sauc par dopingu. Dažādi piemaisījumi un koncentrācijas rada dažādus efektus. Kontrolējot dopingu, var kontrolēt veidu, kā elektriskā strāva pārvietojas pa pusvadītāju.
Tipiskā vadītājā, piemēram, varā, elektroni nes strāvu un darbojas kā lādiņa nesējs. Pusvadītājos gan elektroni, gan caurumi (elektronu neesamība) darbojas kā lādiņa nesēji. Kontrolējot pusvadītāja dopingu, vadītspēja un lādiņa nesējs tiek pielāgoti elektroniem vai caurumiem.
Ir divu veidu dopings:
- N tipa piedevām, parasti fosforam vai arsēnam, ir pieci elektroni, kas, pievienojot pusvadītājam, nodrošina papildu brīvo elektronu. Tā kā elektroniem ir negatīvs lādiņš, šādā veidā leģētu materiālu sauc par N tipa.
- P tipa piedevām, piemēram, boram un gallijam, ir trīs elektroni, kā rezultātā pusvadītāju kristālā nav elektrona. Tas rada caurumu vai pozitīvu lādiņu, tāpēc nosaukums P-tipa.
Gan N-tipa, gan P-veida dopanti, pat nelielos daudzumos, padara pusvadītāju par pienācīgu vadītāju. Tomēr N tipa un P tipa pusvadītāji nav īpaši un ir tikai pieklājīgi vadītāji. Kad šie tipi ir saskarē viens ar otru, veidojot P-N savienojumu, pusvadītājiem ir atšķirīga un noderīga darbība.
P-N savienojuma diode
P-N savienojums atšķirībā no katra materiāla atsevišķi nedarbojas kā vadītājs. Tā vietā, lai ļautu strāvai plūst abos virzienos, P-N savienojums ļauj strāvai plūst tikai vienā virzienā, radot pamata diodi.
Sprieguma pielikšana P-N krustojumam virzienā uz priekšu (novirze uz priekšu) palīdz elektroniem N tipa reģionā apvienoties ar caurumiem P tipa reģionā. Mēģinot mainīt strāvas plūsmu (reversā nobīde) caur diodi, elektroni un caurumi tiek atdalīti, kas neļauj strāvai plūst pāri krustojumam. Apvienojot P-N savienojumus citos veidos, tiek atvērtas citas pusvadītāju sastāvdaļas, piemēram, tranzistors.
Tranzistori
Pamattranzistors ir izgatavots, apvienojot trīs N tipa un P veida materiālus, nevis divus, ko izmanto diodēs. Apvienojot šos materiālus, tiek iegūti NPN un PNP tranzistori, kas ir pazīstami kā bipolārie savienojuma tranzistori (BJT). BJT centrālais vai bāzes apgabals ļauj tranzistoram darboties kā slēdzim vai pastiprinātājam.
NPN un PNP tranzistori izskatās kā divas diodes, kas novietotas viens pret otru, kas bloķē visas strāvas plūsmu abos virzienos. Kad centrālais slānis ir nobīdīts uz priekšu tā, ka caur centrālo slāni plūst neliela strāva, ar centrālo slāni izveidotās diodes īpašības mainās, lai ļautu lielākai strāvai plūst pa visu ierīci. Šāda darbība nodrošina tranzistoram spēju pastiprināt nelielas strāvas un darboties kā slēdzi, kas ieslēdz vai izslēdz strāvas avotu.
Daudzu veidu tranzistori un citas pusvadītāju ierīces rodas, kombinējot P-N savienojumus vairākos veidos, sākot no uzlabotiem, īpašas funkcijas tranzistoriem līdz kontrolējamām diodēm. Tālāk ir norādīti daži komponenti, kas izgatavoti, rūpīgi kombinējot P-N savienojumus:
- DIAC
- Lāzerdiode
- Gaismas diode (LED)
- Zener diode
- Dārlingtonas tranzistors
- Lauktranzistors (tostarp MOSFET)
- IGBT tranzistors
- Silīcija kontrolēts taisngriezis
- Integrētā shēma
- Mikroprocesors
- Digitālā atmiņa (RAM un ROM)
Sensori
Papildus pašreizējai vadībai, ko pieļauj pusvadītāji, pusvadītājiem ir arī īpašības, kas nodrošina efektīvus sensorus. Tos var padarīt jutīgus pret temperatūras, spiediena un gaismas izmaiņām. Pretestības izmaiņas ir visizplatītākais reakcijas veids pusvadītājam.
Sensoru veidi, ko nodrošina pusvadītāju īpašības, ir šādi:
- Hall efekta sensors (magnētiskā lauka sensors)
- Termistors (pretestības temperatūras sensors)
- CCD/CMOS (attēla sensors)
- Fotodiode (gaismas sensors)
- Fotorezistors (gaismas sensors)
- Pjezorestīvie (spiediena/spriegojuma sensori)
