Moderne Technologie wird durch eine Materialklasse namens Halbleiter ermöglicht. Alle aktiven Komponenten, integrierten Sch altkreise, Mikrochips, Transistoren und viele Sensoren werden aus Halbleitermaterialien hergestellt.
Während Silizium das am häufigsten verwendete Halbleitermaterial in der Elektronik ist, wird eine Reihe von Halbleitern verwendet, darunter Germanium, Galliumarsenid, Siliziumkarbid und organische Halbleiter. Jedes Material hat Vorteile wie Preis-Leistungs-Verhältnis, Hochgeschwindigkeitsbetrieb, Hochtemperaturtoleranz oder die gewünschte Reaktion auf ein Signal.
Halbleiter
Halbleiter sind nützlich, weil Ingenieure die elektrischen Eigenschaften und das Verh alten während des Herstellungsprozesses kontrollieren. Die Eigenschaften von Halbleitern werden gesteuert, indem dem Halbleiter durch einen als Dotierung bezeichneten Prozess kleine Mengen an Verunreinigungen hinzugefügt werden. Unterschiedliche Verunreinigungen und Konzentrationen erzeugen unterschiedliche Wirkungen. Durch Steuerung der Dotierung kann die Art und Weise, wie sich elektrischer Strom durch einen Halbleiter bewegt, gesteuert werden.
In einem typischen Leiter wie Kupfer tragen Elektronen den Strom und fungieren als Ladungsträger. In Halbleitern wirken sowohl Elektronen als auch Löcher (das Fehlen eines Elektrons) als Ladungsträger. Durch die Steuerung der Dotierung des Halbleiters werden die Leitfähigkeit und die Ladungsträger so angepasst, dass sie entweder elektronen- oder lochbasiert sind.
Es gibt zwei Arten von Doping:
- Dotierstoffe vom N-Typ, typischerweise Phosphor oder Arsen, haben fünf Elektronen, die, wenn sie einem Halbleiter hinzugefügt werden, ein zusätzliches freies Elektron liefern. Da Elektronen negativ geladen sind, nennt man ein so dotiertes Material N-Typ.
- Dotierstoffe vom P-Typ, wie Bor und Gallium, haben drei Elektronen, was dazu führt, dass im Halbleiterkristall kein Elektron vorhanden ist. Dadurch entsteht ein Loch oder eine positive Ladung, daher der Name P-Typ.
Sowohl N-Typ- als auch P-Typ-Dotierstoffe, selbst in winzigen Mengen, machen einen Halbleiter zu einem anständigen Leiter. N-Typ- und P-Typ-Halbleiter sind jedoch nichts Besonderes und nur anständige Leiter. Wenn diese Typen miteinander in Kontakt gebracht werden und einen PN-Übergang bilden, erhält ein Halbleiter ein anderes und nützliches Verh alten.
Die P-N-Übergangsdiode
Ein P-N-Übergang verhält sich im Gegensatz zu jedem Material einzeln nicht wie ein Leiter. Anstatt Strom in beide Richtungen fließen zu lassen, lässt ein PN-Übergang Strom nur in eine Richtung fließen, wodurch eine einfache Diode entsteht.
Das Anlegen einer Spannung über einen PN-Übergang in Durchlassrichtung (Durchlassvorspannung) hilft den Elektronen im N-Typ-Bereich, sich mit den Löchern im P-Typ-Bereich zu verbinden. Der Versuch, den Stromfluss (Sperrvorspannung) durch die Diode umzukehren, zwingt die Elektronen und Löcher auseinander, wodurch verhindert wird, dass Strom über den Übergang fließt. Die Kombination von P-N-Übergängen auf andere Weise öffnet die Türen zu anderen Halbleiterkomponenten, wie z. B. dem Transistor.
Transistoren
Ein einfacher Transistor besteht aus der Kombination der Verbindung von drei N-Typ- und P-Typ-Materialien und nicht aus den beiden, die in einer Diode verwendet werden. Die Kombination dieser Materialien ergibt die NPN- und PNP-Transistoren, die als Bipolartransistoren (BJT) bekannt sind. Der mittlere oder Basisbereich BJT ermöglicht es dem Transistor, als Sch alter oder Verstärker zu fungieren.
NPN- und PNP-Transistoren sehen aus wie zwei Dioden, die Rücken an Rücken angeordnet sind und den gesamten Stromfluss in beide Richtungen blockieren. Wenn die Mittelschicht in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist, so dass ein kleiner Strom durch die Mittelschicht fließt, ändern sich die Eigenschaften der mit der Mittelschicht gebildeten Diode, um zu ermöglichen, dass ein größerer Strom durch die gesamte Vorrichtung fließt. Dieses Verh alten gibt einem Transistor die Fähigkeit, kleine Ströme zu verstärken und als Sch alter zu fungieren, der eine Stromquelle ein- oder aussch altet.
Viele Arten von Transistoren und anderen Halbleiterbauelementen resultieren aus der Kombination von P-N-Übergängen auf verschiedene Weise, von fortschrittlichen Transistoren mit Spezialfunktion bis hin zu gesteuerten Dioden. Im Folgenden sind einige der Komponenten aufgeführt, die aus sorgfältigen Kombinationen von P-N-Übergängen hergestellt wurden:
- DIAC
- Laserdiode
- Leuchtdiode (LED)
- Zenerdiode
- Darlington-Transistor
- Feldeffekttransistor (einschließlich MOSFETs)
- IGBT-Transistor
- Siliziumgesteuerter Gleichrichter
- Integrierter Sch altkreis
- Mikroprozessor
- Digitalspeicher (RAM und ROM)
Sensoren
Zusätzlich zur Stromsteuerung, die Halbleiter ermöglichen, haben Halbleiter auch Eigenschaften, die für effektive Sensoren sorgen. Diese können empfindlich auf Temperatur-, Druck- und Lichtänderungen eingestellt werden. Eine Widerstandsänderung ist die häufigste Art der Reaktion eines Halbleitersensors.
Zu den Sensortypen, die durch Halbleitereigenschaften ermöglicht werden, gehören:
- Hallsensor (Magnetfeldsensor)
- Thermistor (resistiver Temperatursensor)
- CCD/CMOS (Bildsensor)
- Photodiode (Lichtsensor)
- Fotowiderstand (Lichtsensor)
- Piezoresistiv (Druck-/Dehnungssensoren)
