Asas Semikonduktor
Gambaran keseluruhan
Teknologi moden dimungkinkan berkat kelas bahan yang dipanggil semikonduktor. Semua komponen aktif, litar bersepadu, microchip, transistor, serta banyak sensor dibina dengan bahan semikonduktor. Walaupun silikon adalah bahan semikonduktor yang paling banyak digunakan dan paling terkenal yang digunakan dalam elektronik, pelbagai semikonduktor digunakan termasuk Germanium, Gallium Arsenide, Silicon Carbide, serta semikonduktor organik. Setiap bahan membawa kelebihan tertentu ke meja seperti nisbah kos / prestasi, operasi berkelajuan tinggi, suhu tinggi, atau tindak balas yang diingini pada isyarat.
Semikonduktor
Apa yang menjadikan semikonduktor begitu berguna adalah keupayaan untuk mengendalikan sifat dan tingkah laku elektriknya dengan tepat semasa proses pembuatan. Sifat semikonduktor dikawal dengan menambahkan sejumlah kecil kekotoran dalam semikonduktor melalui proses yang dipanggil doping, dengan kekotoran yang berbeza dan kepekatan menghasilkan kesan yang berbeza. Dengan mengawal doping, cara arus elektrik bergerak melalui semikonduktor boleh dikawal.
Dalam konduktor biasa, seperti tembaga, elektron membawa arus dan bertindak sebagai pembawa caj. Dalam semikonduktor kedua-dua elektron dan 'lubang,' ketiadaan elektron, bertindak sebagai pembawa caj. Dengan mengawal doping semikonduktor, kekonduksian, dan pembawa caj boleh disesuaikan untuk sama ada elektron atau lubang berasaskan.
Terdapat dua jenis doping, N-jenis, dan P-jenis. Dopan N-jenis, biasanya fosforus atau arsenik, mempunyai lima elektron, yang apabila ditambahkan ke semikonduktor menyediakan elektron bebas tambahan. Oleh kerana elektron mempunyai caj negatif, bahan yang dilarang dengan cara ini dipanggil N-jenis. Dopan jenis P, seperti boron dan galium, hanya mempunyai tiga elektron yang mengakibatkan ketiadaan elektron dalam kristal semikonduktor, dengan berkesan menghasilkan lubang atau caj positif, dengan itu nama P-jenis. Kedua-dua jenis N dan P-jenis dopan, walaupun dalam kuantiti minit, akan membuat semikonduktor konduktor yang baik. Bagaimanapun, jenis semikonduktor N-jenis dan P-jenis tidak begitu istimewa, hanya konduktor yang baik. Walau bagaimanapun, apabila anda meletakkannya dalam hubungan antara satu sama lain, membentuk persimpangan PN, anda mendapat beberapa tingkah laku yang sangat berbeza dan sangat berguna.
Diod PN Junction
Persimpangan PN, tidak seperti setiap bahan secara berasingan, tidak bertindak seperti konduktor. Daripada membenarkan arus mengalir ke arah yang sama, simpang PN hanya membenarkan arus mengalir ke satu arah, mewujudkan satu diod asas. Memohon voltan merentasi persimpangan PN di arah hadapan (kecenderungan ke hadapan) membantu elektron di rantau N-jenis bergabung dengan lubang-lubang di kawasan P-jenis. Percubaan untuk membalik aliran arus (bias terbalik) melalui dioda memaksa elektron dan lubang yang menghalang arus dari mengalir di persimpangan. Menggabungkan persimpangan PN dengan cara lain membuka pintu kepada komponen semikonduktor lain, seperti transistor.
Transistor
Transistor asas dibuat daripada gabungan persimpangan tiga bahan N-jenis dan P-jenis daripada kedua-dua yang digunakan dalam satu diod. Menggabungkan bahan-bahan ini menghasilkan transistor NPN dan PNP yang dikenali sebagai transistor simpang bipolar atau BJT. Pusat, atau pangkalan, wilayah BJT membolehkan transistor bertindak sebagai suis atau penguat.
Walaupun transistor NPN dan PNP mungkin kelihatan seperti dua dioda diletakkan ke belakang, yang akan menyekat semua arus dari mengalir ke arah yang sama. Apabila lapisan tengah bersifat bias ke hadapan supaya arus kecil mengalir melalui lapisan tengah, sifat-sifat diod terbentuk dengan perubahan lapisan tengah untuk membolehkan arus yang lebih besar mengalir ke seluruh peranti. Tingkah laku ini memberikan transistor keupayaan untuk menguatkan arus kecil dan bertindak sebagai suis menukar sumber semasa atau mematikan.
Pelbagai jenis transistor dan peranti semikonduktor lain boleh dibuat dengan menggabungkan persimpangan PN dalam beberapa cara, dari transistor fungsi lanjutan dan khas ke diod yang terkawal. Berikut adalah beberapa komponen yang dibuat daripada gabungan simpang simpang PN.
- DIAC
- Diod laser
- Diod pemancar cahaya (LED)
- Zener diode
- Darlington transistor
- Transistor kesan medan, termasuk MOSFET
- Transistor IGBT
- Penerus dikawal silikon (SCR)
- Litar bersepadu (IC)
- Mikropemproses
- Memori Digital - RAM dan ROM
Sensor
Sebagai tambahan kepada kawalan semasa yang membolehkan semikonduktor, mereka juga mempunyai sifat yang membuat sensor yang berkesan. Mereka boleh dibuat sensitif terhadap perubahan suhu, tekanan, dan cahaya. Perubahan rintangan adalah jenis tindak balas yang paling biasa untuk sensor separuh konduktif. Beberapa jenis sensor yang mungkin dilakukan oleh sifat semikonduktor disenaraikan di bawah.
- Sensor kesan Dewan (sensor medan magnet)
- Thermistor (sensor suhu rintangan)
- CCD / CMOS (sensor imej)
- Photodiode (sensor cahaya)
- Photoresistor (sensor cahaya)
- Piezoresistive (tekanan / sensor tekanan)