Moderne teknologi er gjort mulig på grund af en klasse af materialer, der kaldes halvledere. Alle aktive komponenter, integrerede kredsløb, mikrochips, transistorer og mange sensorer er bygget med halvledermaterialer.
Mens silicium er det mest udbredte halvledermateriale i elektronik, bruges en række halvledere, herunder germanium, galliumarsenid, siliciumcarbid og organiske halvledere. Hvert materiale har fordele såsom forhold mellem omkostninger og ydeevne, højhastighedsdrift, højtemperaturtolerance eller den ønskede reaktion på et signal.
Semiconductors
Halvledere er nyttige, fordi ingeniører kontrollerer de elektriske egenskaber og adfærd under fremstillingsprocessen. Halvlederegenskaber styres ved at tilføje små mængder urenheder i halvlederen gennem en proces kaldet doping. Forskellige urenheder og koncentrationer giver forskellige virkninger. Ved at styre dopingen kan den måde, elektrisk strøm bevæger sig gennem en halvleder på, kontrolleres.
I en typisk leder, som kobber, bærer elektroner strømmen og fungerer som ladningsbærer. I halvledere fungerer både elektroner og huller (fraværet af en elektron) som ladningsbærere. Ved at kontrollere halvlederens doping skræddersyes ledningsevnen og ladningsbæreren til at være enten elektron- eller hulbaseret.
Der er to typer doping:
- N-type dopingmidler, typisk fosfor eller arsen, har fem elektroner, som, når de føjes til en halvleder, giver en ekstra fri elektron. Da elektroner har en negativ ladning, kaldes et materiale dopet på denne måde N-type.
- P-type dopingmidler, såsom bor og gallium, har tre elektroner, hvilket resulterer i fravær af en elektron i halvlederkrystallen. Dette skaber et hul eller en positiv ladning, deraf navnet P-type.
Både N-type og P-type dopingmidler, selv i små mængder, gør en halvleder til en anstændig leder. Imidlertid er N-type og P-type halvledere ikke specielle og er kun anstændige ledere. Når disse typer placeres i kontakt med hinanden og danner et P-N-kryds, får en halvleder anderledes og nyttig adfærd.
P-N Junction Diode
En PN-kryds, i modsætning til hvert materiale separat, fungerer ikke som en leder. I stedet for at lade strømmen flyde i begge retninger, tillader en P-N-forbindelse kun strømmen at flyde i én retning, hvilket skaber en grundlæggende diode.
At påføre en spænding over et P-N-kryds i fremadgående retning (forward bias) hjælper elektronerne i N-type-området med at kombinere med hullerne i P-type-området. Forsøg på at vende strømmen af strøm (omvendt bias) gennem dioden tvinger elektronerne og hullerne fra hinanden, hvilket forhindrer strømmen i at flyde over krydset. Kombination af P-N-forbindelser på andre måder åbner dørene til andre halvlederkomponenter, såsom transistoren.
Transistorer
En grundlæggende transistor er lavet af kombinationen af krydset mellem tre N-type og P-type materialer i stedet for de to, der bruges i en diode. Kombination af disse materialer giver NPN- og PNP-transistorerne, som er kendt som bipolære junction-transistorer (BJT). Center- eller basisområdet BJT gør det muligt for transistoren at fungere som en switch eller forstærker.
NPN- og PNP-transistorer ligner to dioder placeret ryg mod ryg, hvilket blokerer al strøm i at flyde i begge retninger. Når midterlaget er forspændt fremad, så en lille strøm løber gennem midterlaget, ændres egenskaberne af dioden, der er dannet med midterlaget, for at tillade en større strøm at flyde over hele enheden. Denne adfærd giver en transistor mulighed for at forstærke små strømme og fungere som en switch, der tænder eller slukker for en strømkilde.
Mange typer transistorer og andre halvlederenheder er resultatet af at kombinere P-N-forbindelser på flere måder, fra avancerede transistorer med specialfunktioner til kontrollerede dioder. Følgende er et par af komponenterne lavet af omhyggelige kombinationer af P-N-kryds:
- DIAC
- Laserdiode
- Lysemitterende diode (LED)
- Zenerdiode
- Darlington-transistor
- Felteffekttransistor (inklusive MOSFET'er)
- IGBT-transistor
- Siliconestyret ensretter
- Integreret kredsløb
- Mikroprocessor
- Digital hukommelse (RAM og ROM)
Sensorer
Ud over den aktuelle kontrol, som halvledere tillader, har halvledere også egenskaber, der giver effektive sensorer. Disse kan gøres til at være følsomme over for ændringer i temperatur, tryk og lys. En ændring i modstand er den mest almindelige type respons for en halvledende sensor.
De sensortyper, der er muliggjort af halvlederegenskaber, omfatter:
- Haleffektsensor (magnetfeltsensor)
- Termistor (resistiv temperatursensor)
- CCD/CMOS (billedsensor)
- Fotodiode (lyssensor)
- Fotomodstand (lyssensor)
- Piezoresistive (tryk-/belastningssensorer)
