Làm thế nào điện tử làm việc

Khái niệm cơ bản bán dẫn

Tổng quan

Công nghệ hiện đại có thể được thực hiện nhờ vào một loại vật liệu gọi là chất bán dẫn. Tất cả các thành phần hoạt động, mạch tích hợp, vi mạch, bóng bán dẫn, cũng như nhiều cảm biến được chế tạo bằng vật liệu bán dẫn. Trong khi silicon là vật liệu bán dẫn được sử dụng rộng rãi nhất và nổi tiếng nhất được sử dụng trong các thiết bị điện tử, một loạt các chất bán dẫn được sử dụng bao gồm Germanium, Gallium Arsenide, Silicon Carbide, cũng như các chất bán dẫn hữu cơ. Mỗi vật liệu mang lại những lợi thế nhất định cho bảng như tỷ lệ chi phí / hiệu suất, hoạt động tốc độ cao, nhiệt độ cao hoặc phản hồi mong muốn đối với tín hiệu.

Chất bán dẫn

Điều làm cho các chất bán dẫn trở nên hữu ích là khả năng kiểm soát chính xác các tính chất và hành vi điện của chúng trong quá trình sản xuất. Các tính chất bán dẫn được kiểm soát bằng cách thêm một lượng nhỏ các tạp chất trong chất bán dẫn thông qua một quá trình gọi là doping, với các tạp chất và nồng độ khác nhau tạo ra các hiệu ứng khác nhau. Bằng cách điều khiển doping, cách mà một dòng điện di chuyển qua một chất bán dẫn có thể được kiểm soát.

Trong một dây dẫn điển hình, giống như đồng, các electron mang dòng điện và hoạt động như chất mang điện tích. Trong chất bán dẫn cả electron và 'lỗ', sự vắng mặt của một electron, hoạt động như các sóng mang điện tích. Bằng cách kiểm soát độ doping của chất bán dẫn, độ dẫn điện và chất mang điện tích có thể được điều chỉnh theo dạng điện tử hoặc lỗ.

Có hai loại doping, N-type và P-type. N-loại dopants, thường phốt pho hoặc arsenic, có năm electron, khi được thêm vào một chất bán dẫn cung cấp thêm một electron miễn phí. Vì các electron có điện tích âm, một vật liệu được pha tạp theo cách này được gọi là loại N. Các chất dopant loại P, chẳng hạn như bo và gallium, chỉ có ba electron dẫn đến sự vắng mặt của một electron trong tinh thể bán dẫn, tạo ra một lỗ hoặc một điện tích dương, do đó có tên là loại P. Cả hai loại D-type và P-type, ngay cả với số lượng nhỏ, sẽ làm cho chất bán dẫn trở thành chất dẫn điện tốt. Tuy nhiên, các chất bán dẫn loại N và loại P không phải là rất đặc biệt bởi chính chúng, chỉ là các dây dẫn tốt. Tuy nhiên, khi bạn đặt chúng tiếp xúc với nhau, tạo thành một giao lộ PN, bạn sẽ có được một số hành vi rất khác nhau và rất hữu ích.

Di chuyển PN Junction

Một đường giao nhau PN, không giống như từng vật liệu riêng biệt, không hoạt động như một dây dẫn. Thay vì cho phép dòng điện chạy theo hai hướng, một điểm nối PN chỉ cho phép dòng điện chạy theo một hướng, tạo ra một diode cơ bản. Áp dụng một điện áp trên một đường giao nhau PN theo hướng về phía trước (độ lệch về phía trước) sẽ giúp các electron trong vùng loại N kết hợp với các lỗ trong vùng loại P. Cố gắng đảo ngược dòng chảy của hiện tại (đảo ngược thiên vị) thông qua các diode lực lượng các electron và lỗ ngoài mà ngăn chặn hiện tại chảy qua ngã ba. Kết hợp các mối nối PN theo các cách khác sẽ mở ra cánh cửa cho các thành phần bán dẫn khác, chẳng hạn như bóng bán dẫn.

Transitor

Một bóng bán dẫn cơ bản được thực hiện từ sự kết hợp của các đường giao nhau của ba loại vật liệu loại N và P hơn là hai được sử dụng trong một diode. Kết hợp các vật liệu này tạo ra các bóng bán dẫn NPN và PNP được gọi là các bóng bán dẫn tiếp xúc lưỡng cực hoặc BJT. Trung tâm, hoặc cơ sở, khu vực BJT cho phép các bóng bán dẫn hoạt động như một công tắc hoặc bộ khuếch đại.

Trong khi các bóng bán dẫn NPN và PNP có thể trông giống như hai điốt được đặt ngược lại, điều này sẽ chặn tất cả dòng điện chạy từ hai hướng. Khi lớp trung tâm được chuyển tiếp thiên vị sao cho dòng điện nhỏ chảy qua lớp trung tâm, các thuộc tính của diode được hình thành với lớp trung tâm thay đổi để cho phép dòng điện lớn hơn nhiều chảy qua toàn bộ thiết bị. Hành vi này cung cấp cho một bóng bán dẫn khả năng khuếch đại các dòng nhỏ và hoạt động như một công tắc chuyển đổi một nguồn hiện tại hoặc tắt.

Một loạt các loại bóng bán dẫn và các thiết bị bán dẫn khác có thể được thực hiện bằng cách kết hợp các mối nối PN theo một số cách, từ các bóng bán dẫn chức năng đặc biệt, tiên tiến đến các điốt được điều khiển. Sau đây chỉ là một vài trong số các thành phần được làm từ sự kết hợp cẩn thận của các mối nối PN.

Cảm biến

Ngoài điều khiển hiện tại mà các chất bán dẫn cho phép, chúng cũng có các đặc tính tạo ra các cảm biến hiệu quả. Chúng có thể được thực hiện để nhạy cảm với những thay đổi về nhiệt độ, áp suất và ánh sáng. Sự thay đổi về điện trở là loại phản ứng phổ biến nhất đối với cảm biến bán dẫn. Một vài loại cảm biến được thực hiện bởi các đặc tính bán dẫn được liệt kê dưới đây.