Moderne technologie wordt mogelijk gemaakt door een klasse materialen die halfgeleiders worden genoemd. Alle actieve componenten, geïntegreerde schakelingen, microchips, transistors en veel sensoren zijn gebouwd met halfgeleidermaterialen.
Hoewel silicium het meest gebruikte halfgeleidermateriaal in de elektronica is, wordt een reeks halfgeleiders gebruikt, waaronder germanium, galliumarsenide, siliciumcarbide en organische halfgeleiders. Elk materiaal heeft voordelen zoals de kosten-prestatieverhouding, hoge snelheid, tolerantie bij hoge temperaturen of de gewenste reactie op een signaal.
Halfgeleiders
Halfgeleiders zijn nuttig omdat ingenieurs de elektrische eigenschappen en het gedrag tijdens het productieproces controleren. Halfgeleidereigenschappen worden gecontroleerd door kleine hoeveelheden onzuiverheden in de halfgeleider toe te voegen via een proces dat doping wordt genoemd. Verschillende onzuiverheden en concentraties hebben verschillende effecten. Door de dotering te regelen, kan de manier waarop elektrische stroom door een halfgeleider beweegt worden gecontroleerd.
In een typische geleider, zoals koper, dragen elektronen de stroom en fungeren ze als ladingsdrager. In halfgeleiders fungeren zowel elektronen als gaten (de afwezigheid van een elektron) als ladingsdragers. Door de dotering van de halfgeleider te regelen, worden de geleidbaarheid en de ladingsdrager aangepast om ofwel op elektronen ofwel op gaten gebaseerd te zijn.
Er zijn twee soorten doping:
- N-type doteringsmiddelen, meestal fosfor of arseen, hebben vijf elektronen, die, wanneer ze aan een halfgeleider worden toegevoegd, een extra vrij elektron opleveren. Omdat elektronen een negatieve lading hebben, wordt een materiaal dat op deze manier is gedoteerd, het N-type genoemd.
- P-type doteermiddelen, zoals boor en gallium, hebben drie elektronen, wat resulteert in de afwezigheid van een elektron in het halfgeleiderkristal. Hierdoor ontstaat er een gat of een positieve lading, vandaar de naam P-type.
Zowel N-type als P-type doteringsmiddelen, zelfs in minieme hoeveelheden, maken een halfgeleider tot een behoorlijke geleider. Halfgeleiders van het N-type en P-type zijn echter niet speciaal en zijn alleen fatsoenlijke geleiders. Wanneer deze typen met elkaar in contact worden gebracht en een PN-overgang vormen, krijgt een halfgeleider ander en nuttig gedrag.
De P-N Junction Diode
Een PN-overgang gedraagt zich, in tegenstelling tot elk materiaal afzonderlijk, niet als een geleider. In plaats van stroom in beide richtingen te laten stromen, laat een PN-overgang stroom in slechts één richting stromen, waardoor een basisdiode ontstaat.
Het toepassen van een spanning over een P-N-overgang in de voorwaartse richting (voorwaartse bias) helpt de elektronen in het N-type gebied te combineren met de gaten in het P-type gebied. Pogingen om de stroom van stroom (reverse bias) door de diode om te keren, dwingt de elektronen en gaten uit elkaar, waardoor wordt voorkomen dat er stroom over de junctie vloeit. Het op andere manieren combineren van PN-overgangen opent de deuren naar andere halfgeleidercomponenten, zoals de transistor.
Transistors
Een basistransistor is gemaakt van de combinatie van de kruising van drie N-type en P-type materialen in plaats van de twee die in een diode worden gebruikt. Het combineren van deze materialen levert de NPN- en PNP-transistors op, die bekend staan als bipolaire junctietransistoren (BJT). Het midden- of basisgebied BJT stelt de transistor in staat om als schakelaar of versterker te fungeren.
NPN- en PNP-transistors zien eruit als twee dioden die rug aan rug zijn geplaatst, waardoor alle stroom in beide richtingen wordt geblokkeerd. Wanneer de middelste laag naar voren is voorgespannen zodat er een kleine stroom door de middelste laag vloeit, veranderen de eigenschappen van de diode die met de middelste laag is gevormd, zodat er een grotere stroom door het hele apparaat kan stromen. Dit gedrag geeft een transistor de mogelijkheid om kleine stromen te versterken en te fungeren als een schakelaar die een stroombron in- of uitschakelt.
Veel soorten transistors en andere halfgeleiderapparaten zijn het resultaat van het op verschillende manieren combineren van PN-overgangen, van geavanceerde transistors met speciale functies tot gecontroleerde diodes. Hier volgen enkele van de componenten die zijn gemaakt van zorgvuldige combinaties van P-N-overgangen:
- DIAC
- Laserdiode
- Light-emitting diode (LED)
- Zenerdiode
- Darlington-transistor
- Veldeffecttransistor (inclusief MOSFET's)
- IGBT-transistor
- Silicium gestuurde gelijkrichter
- Geïntegreerd circuit
- Microprocessor
- Digitaal geheugen (RAM en ROM)
Sensoren
Naast de huidige controle die halfgeleiders mogelijk maken, hebben halfgeleiders ook eigenschappen die zorgen voor effectieve sensoren. Deze kunnen gevoelig worden gemaakt voor veranderingen in temperatuur, druk en licht. Een verandering in weerstand is het meest voorkomende type reactie voor een halfgeleidende sensor.
De typen sensoren die mogelijk worden gemaakt door halfgeleidereigenschappen zijn onder meer:
- Hall-effectsensor (magneetveldsensor)
- Thermistor (resistieve temperatuursensor)
- CCD/CMOS (beeldsensor)
- Fotodiode (lichtsensor)
- Fotoweerstand (lichtsensor)
- Piëzoresistief (druk-/reksensoren)
