Basics de semicondutores
Visión xeral
A tecnoloxía moderna é posible grazas a unha clase de materiais chamados semicondutores. Todos os compoñentes activos, circuítos integrados, microchips, transistores, así como moitos sensores están construídos con materiais semicondutores. Aínda que o silicio é o material semiconductor máis utilizado e máis coñecido utilizado na electrónica, utilízase unha ampla gama de semicondutores, incluíndo o germanio, o arseniuro de galio, o carburo de silicio e os semicondutores orgánicos. Cada material trae certas vantaxes á táboa, como a relación custo / rendemento, o funcionamento de alta velocidade, a alta temperatura ou a resposta desexada a un sinal.
Semicondutores
O que fai que os semicondutores sexa tan útil é a capacidade de controlar con precisión as súas propiedades e comportamentos eléctricos durante o proceso de fabricación. As propiedades de semicondutores son controladas engadindo pequenas cantidades de impurezas no semicondutor a través dun proceso chamado doping, con diferentes impurezas e concentracións que producen diferentes efectos. Ao controlar o doping, pódese controlar a forma como se move unha corrente eléctrica a través dun semicondutor.
Nun condutor típico, como o cobre, os electróns levan a corrente e actúan como portador de carga. Nos semicondutores, tanto os electróns como os "furados", a ausencia dun electrón, actúan como portadores de carga. Ao controlar o dopado do semicondutor, a condutividade eo portador de carga pódense adaptar a base de electróns ou orificios.
Existen dous tipos de doping, N-type e P-type. Os dopantes de tipo N, típicamente fósforo ou arsénico, teñen cinco electróns, que cando se engade a un semicondutor proporciona un electrón extra adicional. Dado que os electróns teñen unha carga negativa, un material dopado deste xeito chámase N-type. Os dopantes de tipo P, como o boro eo galio, só teñen tres electróns que dan como resultado a ausencia dun electrón no cristal semicondutor, creando un burato ou unha carga positiva, de aí o nome de tipo P. Tanto os dopantes tipo N como o P, incluso en cantidades menores, farán que un semicondutor sexa un condutor decente. Non obstante, os semicondutores de tipo N e tipo P non son moi especiais por si mesmos, sendo só condutores decentes. Non obstante, cando os coloque en contacto entre si, formando unha unión PN, obteñas comportamentos moi diferentes e moi útiles.
Diodo de unión PN
Unha unión PN, a diferenza de cada material por separado, non actúa como un condutor. En vez de permitir que a corrente flúa en calquera dirección, unha unión PN só permite que a corrente flúa nunha dirección, creando un diodo básico. Aplicando unha tensión a través dunha unión PN na dirección dianteira (dianteiro) axuda a que os electróns na rexión de tipo N se combinen cos orificios da rexión de tipo P. Intentar reverter o fluxo de corrente (prexuízo inverso) a través do diodo obriga os electróns e os buracos separados que evitan que a corrente flúa pola intersección. A combinación de unións PN doutros xeitos abre as portas a outros compoñentes semicondutores, como o transistor.
Transistores
Un transistor básico faise da combinación da unión de tres tipos de tipo N e tipo P en lugar dos dous utilizados nun díodo. A combinación destes materiais produce os transistores NPN e PNP que se coñecen como transistores de unións bipolares ou BJTs. O centro, ou base, rexión BJT permite que o transistor actúe como un interruptor ou amplificador.
Mentres os transistores NPN e PNP poden parecer dous diodos colocados de volta para atrás, o que impediría que toda a corrente flúa en calquera dirección. Cando a capa central está prexudicada cara a adiante para que unha pequena corrente flúa pola capa central, as propiedades do díodo formado coa capa central permiten que flúa un corrente moito máis grande en todo o dispositivo. Este comportamento dá ao transistor a capacidade de amplificar pequenas correntes e actuar como un interruptor activando ou desactivando unha fonte de corrente.
Unha variedade de tipos de transistores e outros dispositivos semicondutores pódense crear combinando unións PN de varias maneiras, desde transistores de función avanzados e especiais a diodos controlados. Os seguintes son só algúns dos compoñentes fabricados a partir de combinacións coidadosas de unións PN.
- DIAC
- Diodo láser
- Diodo emisor de luz (LED)
- Diodo Zener
- Transistor Darlington
- Transistor de efecto de campo, incluídos os MOSFETs
- Transistor IGBT
- Rectificador controlado por silicio (SCR)
- Circuito integrado (circuítos integrados)
- Microprocesador
- Memoria dixital - RAM e ROM
Sensores
Ademais do control actual que permiten os semicondutores, tamén teñen propiedades que fan sensores efectivos. Pódense facer sensibles aos cambios de temperatura, presión e luz. Un cambio na resistencia é o tipo de resposta máis común para un sensor semi-conductor. Algúns dos tipos de sensores posibles por propiedades de semicondutores están listados a continuación.
- Sensor de efecto Hall (sensor de campo magnético)
- Termistor (sensor de temperatura resistiva)
- CCD / CMOS (sensor de imaxe)
- Fotodiodo (sensor de luz)
- Fotoresistor (sensor de luz)
- Piezoresistivas (sensores de presión / deformación)