איך לעבוד אלקטרוניקה

יסודות מוליכים למחצה

סקירה כללית

הטכנולוגיה המודרנית מתאפשרת הודות למעמד של חומרים הנקראים מוליכים למחצה. כל המרכיבים הפעילים, מעגלים משולבים, שבבים, טרנזיסטורים, כמו גם חיישנים רבים בנויים עם חומרים מוליכים למחצה. בעוד הסיליקון הוא חומר המוליכים למחצה הנפוץ ביותר והמפורסם ביותר המשמש את האלקטרוניקה, מגוון רחב של מוליכים למחצה משמש כולל גרמניום, גליום ארסניד, סיליקון קרביד, כמו גם מוליכים למחצה אורגני. כל חומר מביא יתרונות מסוימים לטבלה כגון יחס עלות / ביצועים, פעולה במהירות גבוהה, טמפרטורה גבוהה או התגובה הרצויה לאות.

מוליכים למחצה

מה עושה מוליכים למחצה כל כך שימושי הוא היכולת לשלוט במדויק תכונות החשמל שלהם והתנהגות במהלך תהליך הייצור. תכונות מוליכים למחצה נשלטים על ידי הוספת כמויות קטנות של זיהומים של המוליכים למחצה באמצעות תהליך הנקרא סימום, עם זיהומים שונים וריכוזים לייצר השפעות שונות. על ידי שליטה על סימום, הדרך זרם חשמלי עובר דרך מוליכים למחצה ניתן לשלוט.

במוליך אופייני, כמו נחושת, האלקטרונים נושאים את הזרם ומשמשים כמוביל המטען. ב מוליכים למחצה הן אלקטרונים "חורים", היעדר אלקטרון, לשמש נושאות תשלום. על ידי שליטה על סימום של מוליכים למחצה, מוליכות, ואת נושאת תשלום יכול להיות מותאם להיות או אלקטרון או חור מבוסס.

ישנם שני סוגים של סימום, N- סוג, ו- P סוג. N-type dopants, בדרך כלל זרחן או ארסן, יש חמישה אלקטרונים, אשר כאשר הוסיף מוליכים למחצה מספק אלקטרונים חינם נוסף. מאז האלקטרונים יש מטען שלילי, חומר מסומם בדרך זו נקרא N- סוג. P- סוג dopants, כגון בורון וגאליום, יש רק שלושה אלקטרונים אשר תוצאה של היעדר אלקטרון של גביש המוליכים למחצה, למעשה יצירת חור או חיוב חיובי, ומכאן שם P-type. הן מסוג N ו- P מסוג dopants, אפילו בכמויות זעירות, יהפכו מוליכים למחצה למוליך הגון. עם זאת, N- סוג ו- P סוג מוליכים למחצה אינם מיוחדים מאוד בכוחות עצמם, להיות רק מנצחים הגון. עם זאת, כאשר אתה במקום אותם במגע אחד עם השני, יצירת צומת PN, אתה מקבל כמה התנהגויות שונות מאוד מאוד שימושי.

דיודת צומת ה- PN

צומת ה- PN, שלא כמו כל חומר בנפרד, אינה מתנהגת כמו מנצח. במקום לאפשר לזרימה הנוכחית בשני הכיוונים, צומת ה- PN מאפשרת רק לזרום לזרום בכיוון אחד, וליצור דיודה בסיסית. החלת מתח על צומת PN בכיוון הקדמי (הטיה קדימה) מסייעת לאלקטרונים באזור N-type לשלב עם החורים באזור מסוג P. ניסיון להפוך את זרם הזרם (הטיה הפוכה) באמצעות הדיודה מאלץ את האלקטרונים והחורים המפריעים לזרימה על פני הצומת. שילוב צמתי PN בדרכים אחרות פותח את הדלתות למרכיבי מוליכים למחצה אחרים, כגון הטרנזיסטור.

טרנזיסטורים

טרנזיסטור בסיסי מורכב משילוב של צומת של שלושה N- סוג ו- P חומרים סוג ולא שני משמש דיודה. שילוב חומרים אלה מניב את הטרנזיסטורים NPN ו PNP אשר ידועים טרנזיסטורים בצומת דו קוטבית או BJTs. המרכז, או הבסיס, אזור BJT מאפשר הטרנזיסטור לשמש מתג או מגבר.

בעוד NPN ו PNP טרנזיסטורים עשוי להיראות כמו שתי דיודות להציב גב אל גב, אשר יחסום את כל הזרם הנוכחי זורם בשני הכיוונים. כאשר שכבת המרכז היא מוטה קדימה, כך זרם קטן זורם דרך השכבה המרכזית, המאפיינים של דיודה נוצר עם שכבת המרכז לשנות כדי לאפשר זרם הרבה יותר גדול לזרום על פני המכשיר כולו. התנהגות זו נותנת טרנזיסטור את היכולת להגביר זרמים קטנים לפעול במתג הפעלת מקור הנוכחי או כבוי.

מגוון של טרנזיסטורים והתקנים מוליכים למחצה אחרים ניתן לבצע על ידי שילוב צמתים PN במספר דרכים, מ טרנזיסטורים מתקדמים, פונקציה מיוחדת דיודות מבוקר. להלן רק כמה מן הרכיבים שנעשו מתוך שילובים זהירים של צמתים PN.

• DIAC
• דיודת לייזר
• דיודות פולטות אור (LED)
• דיודת זנר
• טרנזיסטור דרלינגטון
• טרנזיסטור שדה אפקט, כולל MOSFETs
• טרנזיסטור IGBT
• סיליקון מבוקרת מיישר (SCR)
• מעגל משולב (IC)
• מיקרו
• זיכרון דיגיטלי - זיכרון RAM ו- ROM

חיישנים

בנוסף השליטה הנוכחית כי מוליכים למחצה מאפשרים, יש להם גם תכונות שהופכות חיישנים יעיל. הם יכולים להיות רגישים לשינויים בטמפרטורה, לחץ ואור. שינוי בהתנגדות הוא הסוג הנפוץ ביותר של תגובה לחיישן מוליך למחצה. כמה סוגים של חיישנים מתאפשרת על ידי תכונות מוליכים למחצה המפורטים להלן.

• חיישן אפקט הול (חיישן שדה מגנטי)
• Thermistor (חיישן טמפרטורה התנגדות)
• CCD / CMOS (חיישן תמונה)
• פוטודיודה (חיישן אור)
• Photoresistor (חיישן אור)
• Piezoresistive (לחץ / חיישנים זן)