فناوری مدرن به دلیل دسته ای از مواد به نام نیمه هادی ها امکان پذیر شده است. تمام اجزای فعال، مدارهای مجتمع، ریزتراشه ها، ترانزیستورها و بسیاری از حسگرها با مواد نیمه هادی ساخته شده اند.
در حالی که سیلیکون پرکاربردترین ماده نیمه هادی در الکترونیک است، طیف وسیعی از نیمه هادی ها از جمله ژرمانیوم، آرسنید گالیم، کاربید سیلیکون و نیمه هادی های آلی استفاده می شود. هر ماده دارای مزایایی مانند نسبت هزینه به عملکرد، عملکرد با سرعت بالا، تحمل دمای بالا یا پاسخ مطلوب به یک سیگنال است.
نیمه رساناها
نیمه هادی ها مفید هستند زیرا مهندسان خواص و رفتار الکتریکی را در طول فرآیند تولید کنترل می کنند. خواص نیمه هادی با افزودن مقادیر کمی ناخالصی در نیمه هادی از طریق فرآیندی به نام دوپینگ کنترل می شود. ناخالصی ها و غلظت های مختلف اثرات متفاوتی ایجاد می کنند. با کنترل دوپینگ، نحوه حرکت جریان الکتریکی از طریق یک نیمه هادی را می توان کنترل کرد.
در یک رسانای معمولی، مانند مس، الکترون ها جریان را حمل می کنند و به عنوان حامل بار عمل می کنند. در نیمه هادی ها، هم الکترون ها و هم حفره ها (عدم وجود الکترون) به عنوان حامل بار عمل می کنند. با کنترل دوپینگ نیمه هادی، رسانایی و حامل بار بر اساس الکترون یا حفره تنظیم می شوند.
دو نوع دوپینگ وجود دارد:
- ناخالصی های نوع N، معمولاً فسفر یا آرسنیک، دارای پنج الکترون هستند که وقتی به یک نیمه هادی اضافه می شوند، یک الکترون آزاد اضافی ایجاد می کنند. از آنجایی که الکترون ها دارای بار منفی هستند، ماده ای که به این روش دوپ شده است، نوع N نامیده می شود.
- ناخالصی های نوع P، مانند بور و گالیم، دارای سه الکترون هستند که منجر به عدم وجود الکترون در کریستال نیمه هادی می شود. این یک سوراخ یا یک بار مثبت ایجاد می کند، از این رو P-type نامیده می شود.
هم ناخالصی های نوع N و هم نوع P، حتی در مقادیر بسیار کم، یک نیمه هادی را به یک هادی مناسب تبدیل می کنند. با این حال، نیمه هادی های نوع N و نوع P خاص نیستند و فقط هادی های مناسبی هستند. هنگامی که این انواع در تماس با یکدیگر قرار می گیرند و یک اتصال P-N را تشکیل می دهند، یک نیمه هادی رفتارهای متفاوت و مفیدی پیدا می کند.
دیود اتصال P-N
یک اتصال P-N، بر خلاف هر ماده به طور جداگانه، مانند یک هادی عمل نمی کند. به جای اجازه دادن به جریان در هر جهت، یک اتصال P-N به جریان اجازه می دهد فقط در یک جهت جریان داشته باشد و یک دیود اصلی ایجاد می کند.
اعمال ولتاژ در یک اتصال P-N در جهت رو به جلو (بایاس رو به جلو) به الکترون های ناحیه نوع N با حفره های ناحیه نوع P کمک می کند.تلاش برای معکوس کردن جریان جریان (بایاس معکوس) از طریق دیود، الکترون‌ها و حفره‌ها را از هم جدا می‌کند، که از عبور جریان در سراسر محل اتصال جلوگیری می‌کند. ترکیب اتصالات P-N به روش های دیگر درها را به روی سایر اجزای نیمه هادی مانند ترانزیستور باز می کند.
ترانزیستور
یک ترانزیستور پایه از ترکیب سه ماده از نوع N و نوع P به جای دو مورد استفاده شده در یک دیود ساخته می شود. با ترکیب این مواد، ترانزیستورهای NPN و PNP به دست می‌آیند که به ترانزیستورهای پیوند دوقطبی (BJT) معروف هستند. مرکز، یا پایه، منطقه BJT به ترانزیستور اجازه می دهد تا به عنوان یک کلید یا تقویت کننده عمل کند.
ترانزیستورهای NPN و PNP شبیه دو دیود هستند که پشت هم قرار گرفته اند، که مانع از جریان تمام جریان در هر جهت می شود. هنگامی که لایه مرکزی به سمت جلو حرکت می کند به طوری که جریان کمی از لایه مرکزی عبور می کند، ویژگی های دیود تشکیل شده با لایه مرکزی تغییر می کند تا جریان بزرگتری در کل دستگاه جریان یابد.این رفتار به یک ترانزیستور این قابلیت را می دهد که جریان های کوچک را تقویت کند و به عنوان کلیدی عمل کند که منبع جریان را روشن یا خاموش می کند.
بسیاری از انواع ترانزیستورها و سایر دستگاه های نیمه هادی از ترکیب اتصالات P-N به روش های مختلف، از ترانزیستورهای پیشرفته با عملکرد خاص گرفته تا دیودهای کنترل شده، به وجود می آیند. در زیر تعدادی از اجزای ساخته شده از ترکیب دقیق اتصالات P-N آورده شده است:
- DIAC
- دیود لیزر
- دیود ساطع نور (LED)
- دیود زنر
- ترانزیستور دارلینگتون
- ترانزیستور اثر میدانی (شامل ماسفت ها)
- ترانزیستور IGBT
- یکسو کننده کنترل‌شده سیلیکونی
- مدار مجتمع
- ریزپردازنده
- حافظه دیجیتال (RAM و ROM)
سنسور
علاوه بر کنترل جریانی که نیمه هادی ها اجازه می دهند، نیمه هادی ها دارای ویژگی هایی هستند که حسگرهای موثری را ایجاد می کنند.اینها را می توان به گونه ای ساخت که به تغییرات دما، فشار و نور حساس باشند. تغییر در مقاومت رایج ترین نوع پاسخ برای یک حسگر نیمه رسانا است.
انواع حسگرهایی که با ویژگی های نیمه هادی ممکن می شوند عبارتند از:
- سنسور اثر هال (حسگر میدان مغناطیسی)
- ترمیستور (سنسور دمای مقاومتی)
- CCD/CMOS (حسگر تصویر)
- فتودیود (حسگر نور)
- Photoresistor (حسگر نور)
- Piezoresistive (سنسورهای فشار/کرنش)
