Sodobna tehnologija je mogoča zaradi razreda materialov, imenovanih polprevodniki. Vse aktivne komponente, integrirana vezja, mikročipi, tranzistorji in številni senzorji so izdelani iz polprevodniških materialov.
Medtem ko je silicij najpogosteje uporabljen polprevodniški material v elektroniki, se uporablja vrsta polprevodnikov, vključno z germanijem, galijevim arzenidom, silicijevim karbidom in organskimi polprevodniki. Vsak material ima prednosti, kot so razmerje med ceno in zmogljivostjo, visoka hitrost delovanja, toleranca na visoke temperature ali želeni odziv na signal.
Polprevodniki
Polprevodniki so uporabni, ker inženirji nadzorujejo električne lastnosti in obnašanje med proizvodnim procesom. Lastnosti polprevodnikov se nadzorujejo z dodajanjem majhnih količin nečistoč v polprevodnik s postopkom, imenovanim dopiranje. Različne nečistoče in koncentracije povzročajo različne učinke. Z nadzorovanjem dopinga je mogoče nadzorovati način premikanja električnega toka skozi polprevodnik.
V tipičnem prevodniku, kot je baker, elektroni prenašajo tok in delujejo kot nosilec naboja. V polprevodnikih tako elektroni kot luknje (odsotnost elektrona) delujejo kot nosilci naboja. Z nadzorovanjem dopinga polprevodnika sta prevodnost in nosilec naboja prilagojena tako, da temeljita na elektronih ali luknjah.
Obstajata dve vrsti dopinga:
- Dopanti tipa N, običajno fosfor ali arzen, imajo pet elektronov, ki dodajo polprevodniku dodaten prosti elektron. Ker imajo elektroni negativen naboj, se tako dopiran material imenuje N-tip.
- Dopanti tipa P, kot sta bor in galij, imajo tri elektrone, kar povzroči odsotnost elektrona v polprevodniškem kristalu. To ustvari luknjo ali pozitivni naboj, od tod tudi ime P-tip.
Dopanti tipa N in P, tudi v majhnih količinah, naredijo polprevodnik spodobnega prevodnika. Vendar pa polprevodniki tipa N in P niso posebni in so le spodobni prevodniki. Ko so ti tipi v stiku drug z drugim in tvorijo spoj P-N, se polprevodnik obnaša drugače in uporabno.
P-N spojna dioda
P-N spoj, za razliko od vsakega materiala posebej, ne deluje kot prevodnik. Namesto da bi dovolil, da tok teče v obe smeri, spoj P-N omogoča, da tok teče samo v eno smer, kar ustvari osnovno diodo.
Dovajanje napetosti preko spoja P-N v smeri naprej (prednapetost) pomaga elektronom v območju N-tipa združiti z luknjami v območju P-tipa. Poskus obrnjenega toka toka (povratna prednapetost) skozi diodo prisili elektrone in luknje narazen, kar prepreči pretok toka čez spoj. Združevanje P-N spojev na druge načine odpre vrata drugim polprevodniškim komponentam, kot je tranzistor.
Tranzistorji
Osnovni tranzistor je narejen iz kombinacije treh materialov N-tipa in P-tipa namesto obeh, uporabljenih v diodi. Kombinacija teh materialov daje tranzistorje NPN in PNP, ki so znani kot bipolarni spojni tranzistorji (BJT). Osrednje ali osnovno območje BJT omogoča tranzistorju, da deluje kot stikalo ali ojačevalnik.
Tranzistorji NPN in PNP izgledajo kot dve diodi, nameščeni nazaj ob hrbtu, kar blokira ves tok, da teče v obe smeri. Ko je osrednja plast nagnjena naprej, tako da skozi osrednjo plast teče majhen tok, se lastnosti diode, oblikovane s osrednjo plastjo, spremenijo, da omogočijo večji tok, da teče po celotni napravi. To vedenje daje tranzistorju možnost, da ojača majhne tokove in deluje kot stikalo, ki vklopi ali izklopi vir toka.
Številne vrste tranzistorjev in drugih polprevodniških naprav so rezultat kombiniranja P-N spojev na več načinov, od naprednih tranzistorjev s posebnimi funkcijami do nadzorovanih diod. Sledi nekaj komponent, izdelanih iz skrbnih kombinacij P-N spojev:
- DIAC
- Laserska dioda
- Svetleča dioda (LED)
- zener dioda
- Darlingtonov tranzistor
- Tranzistor z učinkom polja (vključno z MOSFET-ji)
- tranzistor IGBT
- Silicijev krmiljeni usmernik
- Integrirano vezje
- Mikroprocesor
- Digitalni pomnilnik (RAM in ROM)
Senzorji
Poleg trenutnega nadzora, ki ga omogočajo polprevodniki, imajo polprevodniki tudi lastnosti, ki omogočajo učinkovite senzorje. Te je mogoče narediti tako, da so občutljive na spremembe temperature, tlaka in svetlobe. Sprememba upora je najpogostejša vrsta odziva polprevodniškega senzorja.
Vrste senzorjev, ki jih omogočajo lastnosti polprevodnikov, vključujejo:
- Senzor Hallovega efekta (senzor magnetnega polja)
- Termistor (uporovni temperaturni senzor)
- CCD/CMOS (slikovni senzor)
- Fotodioda (senzor svetlobe)
- Fotoupor (senzor svetlobe)
- Piezorezistivni (senzorji tlaka/deformacije)
