Fonaments de semiconductors
Visió general
La tecnologia moderna es fa possible gràcies a una classe de materials anomenats semiconductors. Tots els components actius, circuits integrats, microxips, transistors, així com molts sensors estan construïts amb materials semiconductors. Mentre que el silici és el material semiconductor més utilitzat i més conegut que s'utilitza en l'electrònica, s'utilitza una àmplia gamma de semiconductors, incloent Germanium, Gallium Arsenide, Silicon Carbide, així com semiconductors orgànics. Cada material presenta certs avantatges a la taula, com ara la relació cost / rendiment, el funcionament d'alta velocitat, la temperatura alta o la resposta desitjada a un senyal.
Semiconductors
El que fa que els semiconductors sigui tan útil és la capacitat de controlar amb precisió les seves propietats elèctriques i el seu comportament durant el procés de fabricació. Les propietats de semiconductors es controlen afegint petites quantitats d'impureses en el semiconductor mitjançant un procés anomenat dopatge, amb diferents impureses i concentracions que produeixen efectes diferents. Al controlar el dopatge, es pot controlar la manera com es mou un corrent elèctric a través d'un semiconductor.
En un conductor típic, com el coure, els electrons porten el corrent i actuen com a portador de càrrega. En semiconductors, tant els electrons com els "forats", l'absència d'un electró, actuen com a operadors de càrrega. Al controlar el dopatge del semiconductor, la conductivitat i el portador de càrrega es poden adaptar a partir d'electrons o forats.
Hi ha dos tipus de dopatge, tipus N i tipus P. Els dopantes de tipus N, normalment fòsfor o arsènic, tenen cinc electrons, que quan s'afegeixen a un semiconductor proporcionen un electró lliure addicional. Atès que els electrons tenen una càrrega negativa, un material dopat d'aquesta manera es denomina tipus N. Els dopants tipus P, com el bor i el gal, només tenen tres electrons que donen lloc a l'absència d'un electró en el cristall de semiconductors, creant un forat o una càrrega positiva, d'aquí el nom de tipus P. Tant els dopants tipus N com els tipus P, fins i tot en quantitats mínimes, faran que un semiconductor sigui un conductor decent. Tanmateix, els semiconductors tipus N i tipus P no són molt especials per si mateixos, ja que són només conductors decents. Tanmateix, quan es posa en contacte entre ells, formant una unió PN, s'obtenen comportaments molt diferents i molt útils.
El PN Diode d'unió
Una unió PN, a diferència de cada material per separat, no actua com un conductor. En lloc de permetre que el corrent flueixi en qualsevol direcció, una unió PN només permet que el corrent flueixi en una direcció, creant un díode bàsic. Aplicar una tensió a través d'una unió PN en la direcció cap endavant (polarització endavant) permet que els electrons de la regió de tipus N es combinin amb els forats de la regió de tipus P. Intentar invertir el flux de corrent (biaix invers) a través del díode obliga els electrons i els forats que impedeixen que la corrent flueix a través de la unió. La combinació d'unions PN d'altres maneres obre les portes a altres components semiconductors, com el transistor.
Transistors
Un transistor bàsic es fa a partir de la combinació de la unió de tres tipus de tipus N i tipus P més que els dos utilitzats en un díode. La combinació d'aquests materials produeix els transistors NPN i PNP que es coneixen com a transistors bipolars o BJT. El centre, o base, regió BJT permet que el transistor actuï com un interruptor o amplificador.
Mentre que els transistors NPN i PNP poden semblar dos díodes situats de nou a l'esquena, el que impedirà que tot el corrent flueixi en qualsevol direcció. Quan la capa central és inclinada cap a endavant perquè una corrent petita flueixi a través de la capa central, les propietats del díode format amb la capa central canvien per permetre que un corrent molt més gran flueixi a tot el dispositiu. Aquest comportament proporciona a un transistor la capacitat d'amplificar petits corrents i d'actuar com a interruptor activant o desactivant una font de corrent.
Una varietat de tipus de transistors i altres dispositius semiconductors es poden fer combinant unions PN de diverses maneres, des dels transistors de funció avançats especials fins als díodes controlats. Els següents són només alguns dels components realitzats a partir de combinacions acurades de connexions PN.
- DIAC
- Diode làser
- Diode emissor de llum (LED)
- Díode zener
- Transistor de Darlington
- Transistor d'efecte de camp, incloent MOSFETs
- Transistor IGBT
- Rectificador amb control de silici (SCR)
- Circuit integrat (circuits integrats)
- Microprocessador
- Memòria digital: memòria RAM i ROM
Sensors
A més del control actual que permeten els semiconductors, també tenen propietats que fan que els sensors siguin efectius. Es pot fer que siguin sensibles als canvis de temperatura, pressió i llum. Un canvi de resistència és el tipus de resposta més comú per a un sensor semiconductor. Alguns dels tipus de sensors possibles per propietats de semiconductors es detallen a continuació.
- Sensor d'efecte Hall (sensor de camp magnètic)
- Termòmetre (sensor de temperatura resistiva)
- CCD / CMOS (sensor d'imatge)
- Fotodiode (sensor de llum)
- Fotoresistor (sensor de llum)
- Piezoresistives (sensors de pressió / tensió)