چگونه الکترونیک کار می کند

مبانی نیمه هادی

بررسی اجمالی

فن آوری مدرن به لطف یک طبقه از مواد به نام نیمه هادی ها امکان پذیر است. تمام اجزای فعال، مدارهای مجتمع، میکروچپهای، ترانزیستورها و همچنین بسیاری از سنسورها با مواد نیمه هادی ساخته می شوند. در حالی که سیلیکون مواد نیمه رسانای مورد استفاده در الکترونیک به طور گسترده ای مورد استفاده و شناخته شده است، طیف وسیعی از نیمه هادی ها از جمله ژرمانیم، گالیم آرسناید، سیلیکون کاربید و نیمه هادی های آلی استفاده می شود. هر ماده مزایای خاصی به جدول می دهد مانند نسبت هزینه / عملکرد، عملیات با سرعت بالا، درجه حرارت بالا یا پاسخ دلخواه به یک سیگنال.

نیمه هادی ها

چه چیزی باعث می شود نیمه هادی ها بسیار مفید باشند، توانایی دقیقا کنترل خواص الکتریکی و رفتار آنها در طی فرایند تولید است. خواص نیمه هادی با اضافه کردن مقدار کمی ناخالصی در نیمه هادی توسط یک فرایند به نام دوپینگ، با ناخالصی های مختلف و غلظت های مختلف تولید می شود. با کنترل دوپینگ، جریان جریان الکتریکی از طریق یک نیمه هادی می تواند کنترل شود.

در یک هادی معمولی مانند مس، الکترونها جریان را حمل می کنند و به عنوان حامل شارژ عمل می کنند. در نیمه هادی ها هر دو الکترون و سوراخ، عدم وجود یک الکترون، به عنوان بارهای بار عمل می کنند. با کنترل دوپینگ نیمه هادی، هدایت و حامل شارژ می توانند بر اساس الکترون یا سوراخ باشند.

دو نوع دوپینگ، N-type و P-type وجود دارد. دوزهای نوع N، معمولا فسفر یا آرسنیک دارای پنج الکترون هستند که در هنگام افزودن به نیمه هادی یک الکترون اضافی آزاد فراهم می کند. از آنجایی که الکترونها دارای بار منفی هستند، ماده ای که در این روش Doped به نام N-type نامیده می شود. دوزهای نوع P، مانند بور و گالیم، تنها سه الکترون دارند که منجر به عدم وجود الکترون در بلور نیمه رسانا می شود، به طور موثر یک حفره یا یک بار مثبت ایجاد می کند، از این رو نام P نوع است. هر دو نوع D-type و P-type، حتی در مقادیر جزئی، یک نیمه هادی را یک هادی مناسب می دانند. با این حال، نیمه هادی نوع N و نوع P به هیچ وجه بسیار خاص نیستند و تنها هادیهای مناسب هستند. با این حال، هنگامی که شما آنها را در تماس با یکدیگر، ایجاد اتصال PN، شما می توانید برخی از رفتار بسیار متفاوت و بسیار مفید است.

دیود پیوند PN

اتصالی PN، بر خلاف هر ماده جداگانه، مانند یک هادی عمل نمی کند. به جای اینکه جریان را در هر دو جهت جریان دهید، یک اتصال PN فقط اجازه می دهد که جریان در یک جهت، ایجاد یک دیود پایه باشد. اعمال ولتاژ در یک اتصال PN در جهت رو به جلو (تعویض پیش فرض) کمک می کند تا الکترون ها در ناحیه N نوع با حفره ها در منطقه P نوع ترکیب شوند. تلاش برای معکوس جریان جریان (تعویض معکوس) از طریق دیود، الکترونها و سوراخ ها را از هم جدا می کند که جریان را در جریان اتصال جریان می دهد. ترکیب اتصالات PN به روش های دیگر درب ها را به سایر اجزای نیمه هادی مانند ترانزیستور باز می کند.

ترانزیستورها

یک ترانزیستور پایه از ترکیبی از اتصالات سه نوع N و نوع P به جای دو مورد در دیود استفاده می شود. ترکیبی از این مواد، ترانزیستور NPN و PNP است که به عنوان ترانزیستورهای اتصال دو قطبی یا BJTs شناخته می شوند. مرکز یا پایه، منطقه BJT اجازه می دهد که ترانزیستور به عنوان یک سوئیچ یا تقویت کننده عمل کند.

در حالی که ترانزیستورهای NPN و PNP ممکن است مانند دو دیود به عقب بازگردند، که همه جریان را در هر دو جهت متوقف می کند. هنگامی که لایه مرکزی به سمت جلو حرکت می کند به طوری که یک جریان کوچک از طریق لایه مرکزی جریان می یابد، خواص دیود که با لایه مرکزی ایجاد می شود، تغییر می کند تا جریان بسیار بزرگتری را در سراسر دستگاه جریان دهد. این رفتار یک ترانزیستور را قادر می سازد تا جریان های کوچک را تقویت کند و به عنوان سوئیچ یک منبع جریان را روشن یا خاموش کند.

انواع ترانزیستورها و دیگر دستگاه های نیمه هادی می توان با ترکیب اتصالات PN به روش های مختلف از ترانزیستورهای پیشرفته و ویژه به دیودهای کنترل شده ساخته شده است. موارد زیر فقط چند اجزای ساخته شده از ترکیبات دقیق اتصالات PN هستند.

• DIAC
• دیود لیزری
• دیود (LED)
• دیود زینر
• ترانزیستور Darlington
• ترانزیستور میدان اثر، از جمله MOSFET ها
• ترانزیستور IGBT
• یکسو کننده کنترل سیلیکون (SCR)
• مدار یکپارچه (IC)
• میکروپروسسور
• حافظه دیجیتال - RAM و ROM

سنسورها

علاوه بر کنترل کنونی که نیمه رساناها اجازه می دهد، آنها همچنین دارای خواصی هستند که برای سنسورهای مؤثر ساخته می شوند. آنها می توانند به تغییرات دما، فشار و نور حساس باشند. تغییر در مقاومت، شایع ترین نوع پاسخ برای سنسور نیمه رسانا است. بعضی از انواع سنسورهایی که توسط خواص نیمه هادی ساخته شده اند، در زیر فهرست شده اند.

• سنسور حسگر (حسگر میدان مغناطیسی)
• ترمیستور (سنسور دمای مقاومت)
• CCD / CMOS (حسگر تصویر)
• Photodiode (حسگر نور)
• عکسبردار (حسگر نور)
• پوزوئیدی (سنسور فشار / سنسور)