Šiuolaikinės technologijos tapo įmanomos dėl medžiagų klasės, vadinamos puslaidininkiais. Visi aktyvūs komponentai, integrinės grandinės, mikroschemos, tranzistoriai ir daugelis jutiklių yra pagaminti iš puslaidininkinių medžiagų.
Nors silicis yra plačiausiai elektronikoje naudojama puslaidininkių medžiaga, naudojami įvairūs puslaidininkiai, įskaitant germanį, galio arsenidą, silicio karbidą ir organinius puslaidininkius. Kiekviena medžiaga turi privalumų, tokių kaip kainos ir našumo santykis, greitas veikimas, aukštos temperatūros tolerancija arba norima reakcija į signalą.
Puslaidininkiai
Puslaidininkiai yra naudingi, nes inžinieriai kontroliuoja elektrines savybes ir elgesį gamybos proceso metu. Puslaidininkių savybės kontroliuojamos į puslaidininkį įdedant nedidelį kiekį priemaišų per procesą, vadinamą dopingu. Skirtingos priemaišos ir koncentracijos sukelia skirtingą poveikį. Kontroliuojant dopingą, galima valdyti elektros srovės judėjimą per puslaidininkį.
Įprastame laidininke, pavyzdžiui, varyje, elektronai teka srovę ir veikia kaip krūvininkas. Puslaidininkiuose ir elektronai, ir skylės (elektrono nebuvimas) veikia kaip krūvininkai. Kontroliuojant puslaidininkio legiravimą, laidumas ir krūvininkas pritaikomi elektronų arba skylių pagrindu.
Yra dviejų tipų dopingas:
- N tipo priedai, paprastai fosforas arba arsenas, turi penkis elektronus, kuriuos pridėjus prie puslaidininkio gaunamas papildomas laisvasis elektronas. Kadangi elektronai turi neigiamą krūvį, tokiu būdu legiruota medžiaga vadinama N tipo.
- P tipo priedai, tokie kaip boras ir galis, turi tris elektronus, todėl puslaidininkiniame kristale elektrono nėra. Taip susidaro skylė arba teigiamas krūvis, taigi ir pavadinimas P tipo.
Tiek N tipo, tiek P tipo priedai, net ir nedideliais kiekiais, puslaidininkį paverčia tinkamu laidininku. Tačiau N tipo ir P tipo puslaidininkiai nėra ypatingi ir yra tik padorūs laidininkai. Kai šie tipai liečiasi vienas su kitu, sudarydami P-N sandūrą, puslaidininkis elgiasi skirtingai ir naudingai.
P-N sankryžos diodas
P-N jungtis, skirtingai nei kiekviena medžiaga atskirai, neveikia kaip laidininkas. Užuot leidę srovei tekėti bet kuria kryptimi, P-N sandūra leidžia srovei tekėti tik viena kryptimi, sukuriant pagrindinį diodą.
Įtampos taikymas per P-N sandūrą į priekį (prieškryptis) padeda N tipo srities elektronams susijungti su skylėmis P tipo srityje. Bandymas pakeisti srovės srautą (atvirkštinis poslinkis) per diodą priverčia elektronus ir skyles atskirti, o tai neleidžia srovei tekėti per sankryžą. Sujungus P-N jungtis kitais būdais, atsiveria durys į kitus puslaidininkinius komponentus, tokius kaip tranzistorius.
Tranzistoriai
Pagrindinis tranzistorius pagamintas iš trijų N ir P tipo medžiagų jungties, o ne dviejų, naudojamų dioduose. Sujungus šias medžiagas gaunami NPN ir PNP tranzistoriai, žinomi kaip bipoliniai jungties tranzistoriai (BJT). Centrinė arba pagrindinė sritis BJT leidžia tranzistoriui veikti kaip jungikliu arba stiprintuvu.
NPN ir PNP tranzistoriai atrodo kaip du diodai, išdėstyti vienas prieš kitą, o tai neleidžia srovei tekėti bet kuria kryptimi. Kai centrinis sluoksnis yra pakreiptas į priekį taip, kad per centrinį sluoksnį teka nedidelė srovė, su centriniu sluoksniu suformuoto diodo savybės pasikeičia, kad per visą įrenginį tekėtų didesnė srovė. Toks elgesys suteikia tranzistoriui galimybę sustiprinti mažas sroves ir veikti kaip jungiklis, įjungiantis arba išjungiantis srovės š altinį.
Daugelis tranzistorių ir kitų puslaidininkinių įrenginių tipų atsiranda dėl P-N sandūrų derinimo keliais būdais – nuo pažangių, specialių funkcijų tranzistorių iki valdomų diodų. Toliau pateikiami keli komponentai, pagaminti kruopščiai derinant P-N jungtis:
- DIAC
- Lazerinis diodas
- Šviesos diodas (LED)
- Zener diodas
- Darlingtono tranzistorius
- Lauko efekto tranzistorius (įskaitant MOSFET)
- IGBT tranzistorius
- Siliciu valdomas lygintuvas
- Integrinė grandinė
- Mikroprocesorius
- Skaitmeninė atmintis (RAM ir ROM)
Jutikliai
Be srovės valdymo, kurį leidžia puslaidininkiai, puslaidininkiai taip pat turi savybių, kurios užtikrina efektyvius jutiklius. Jie gali būti jautrūs temperatūros, slėgio ir šviesos pokyčiams. Atsparumo pokytis yra labiausiai paplitęs puslaidininkio jutiklio atsako tipas.
Dėl puslaidininkių savybių įmanomi jutiklių tipai:
- Hall efekto jutiklis (magnetinio lauko jutiklis)
- Termistorius (varžinis temperatūros jutiklis)
- CCD/CMOS (vaizdo jutiklis)
- Fotodiodas (šviesos jutiklis)
- Fotorezistorius (šviesos jutiklis)
- Pjezorezistiniai (slėgio / deformacijos jutikliai)
