Moderni tekniikka on mahdollista puolijohteiksi kutsutun materiaaliluokan ansiosta. Kaikki aktiiviset komponentit, integroidut piirit, mikrosirut, transistorit ja monet anturit on rakennettu puolijohdemateriaaleista.
Vaikka pii on laajimmin käytetty puolijohdemateriaali elektroniikassa, käytetään useita puolijohteita, mukaan lukien germanium, galliumarsenidi, piikarbidi ja orgaaniset puolijohteet. Jokaisella materiaalilla on etuja, kuten kustannus-suorituskykysuhde, nopea toiminta, korkean lämpötilan sietokyky tai haluttu vaste signaaliin.
Puolijohteet
Puolijohteet ovat hyödyllisiä, koska insinöörit hallitsevat sähköisiä ominaisuuksia ja käyttäytymistä valmistusprosessin aikana. Puolijohteiden ominaisuuksia ohjataan lisäämällä puolijohteeseen pieniä määriä epäpuhtauksia doping-nimisellä prosessilla. Erilaiset epäpuhtaudet ja pitoisuudet tuottavat erilaisia vaikutuksia. Ohjaamalla dopingia voidaan ohjata tapaa, jolla sähkövirta liikkuu puolijohteen läpi.
Tyypillisessä johtimessa, kuten kuparissa, elektronit kuljettavat virtaa ja toimivat varauksen kantajana. Puolijohteissa sekä elektronit että reiät (elektronin puuttuminen) toimivat varauksen kantajina. Puolijohteen seostusta ohjaamalla johtavuus ja varauksenkantaja räätälöidään joko elektroni- tai aukkopohjaisiksi.
Dopingia on kahdenlaisia:
- N-tyypin seostusaineissa, tyypillisesti fosforissa tai arseenissa, on viisi elektronia, jotka puolijohteeseen lisättynä muodostavat ylimääräisen vapaan elektronin. Koska elektroneilla on negatiivinen varaus, tällä tavalla seostettua materiaalia kutsutaan N-tyypiksi.
- P-tyypin seostusaineissa, kuten boorissa ja galliumissa, on kolme elektronia, mikä johtaa elektronin puuttumiseen puolijohdekiteessä. Tämä luo reiän tai positiivisen varauksen, mistä johtuu nimi P-tyyppi.
Sekä N-tyypin että P-tyypin seostusaineet tekevät puolijohteesta kunnollisen johtimen, jopa pieninä määrinä. N- ja P-tyyppiset puolijohteet eivät kuitenkaan ole erityisiä ja ovat vain kunnollisia johtimia. Kun nämä tyypit asetetaan kosketukseen toistensa kanssa muodostaen P-N-liitoksen, puolijohde käyttäytyy eri tavalla ja hyödyllistä.
P-N-liitosdiodi
P-N-liitos, toisin kuin jokainen materiaali erikseen, ei toimi johtimena. Sen sijaan, että se antaisi virran kulkea kumpaankin suuntaan, P-N-liitos sallii virran kulkea vain yhteen suuntaan, jolloin syntyy perusdiodi.
Jännityksen kohdistaminen P-N-liitoksen yli eteenpäin (forward bias) auttaa N-tyypin alueella olevia elektroneja yhdistymään P-tyypin alueen reikiin. Virran virtauksen kääntäminen (käänteinen bias) diodin läpi pakottaa elektronit ja reiät erilleen, mikä estää virtaa kulkemasta liitoksen poikki. P-N-liitosten yhdistäminen muilla tavoilla avaa ovet muille puolijohdekomponenteille, kuten transistorille.
Transistors
Perustransistori on tehty yhdistämällä kolme N-tyypin ja P-tyypin materiaalia diodissa käytettävien kahden sijaan. Yhdistämällä näitä materiaaleja saadaan NPN- ja PNP-transistorit, jotka tunnetaan bipolaarisina liitostransistoreina (BJT). Keski- tai kanta-alue BJT sallii transistorin toimia kytkimenä tai vahvistimena.
NPN- ja PNP-transistorit näyttävät kahdelta vastakkain sijoitetulta diodilta, mikä estää kaiken virran kulkemisen kumpaankin suuntaan. Kun keskikerros on esijännitetty eteenpäin siten, että pieni virta kulkee keskikerroksen läpi, keskikerroksen kanssa muodostetun diodin ominaisuudet muuttuvat sallien suuremman virran kulkemisen koko laitteen läpi. Tämä toiminta antaa transistorille mahdollisuuden vahvistaa pieniä virtoja ja toimia kytkimenä, joka kytkee virtalähteen päälle tai pois.
Monen tyyppiset transistorit ja muut puolijohdelaitteet syntyvät yhdistämällä P-N-liitoksia useilla tavoilla, edistyneistä erikoistoimintotransistoreista ohjattuihin diodeihin. Seuraavassa on muutamia P-N-liitosten huolellisista yhdistelmistä valmistettuja komponentteja:
- DIAC
- Laserdiodi
- Light-Emitting Diodi (LED)
- Zener-diodi
- Darlington-transistori
- Kenttätransistori (mukaan lukien MOSFETit)
- IGBT-transistori
- Piiohjattu tasasuuntaaja
- Integroitu piiri
- Mikroprosessori
- Digitaalinen muisti (RAM ja ROM)
Anturit
Puolijohteiden salliman nykyisen ohjauksen lisäksi puolijohteilla on myös ominaisuuksia, jotka tekevät antureista tehokkaita. Ne voidaan tehdä herkiksi lämpötilan, paineen ja valon muutoksille. Resistanssin muutos on puolijohtavan anturin yleisin vastetyyppi.
Puolijohteiden ominaisuuksien mahdollistamia anturityyppejä ovat:
- Hall-anturi (magneettikenttäanturi)
- Termistori (resistiivinen lämpötila-anturi)
- CCD/CMOS (kuvakenno)
- Photodiodi (valoanturi)
- Valovastus (valoanturi)
- Piezoresistiiviset (paine-/venymäanturit)
