La tecnologia moderna è resa possibile grazie a una classe di materiali chiamati semiconduttori. Tutti i componenti attivi, i circuiti integrati, i microchip, i transistor e molti sensori sono costruiti con materiali semiconduttori. Mentre il silicio è il materiale semiconduttore più utilizzato e più noto utilizzato nell'elettronica, viene utilizzata una vasta gamma di semiconduttori tra cui germanio, arseniuro di gallio, carburo di silicio e semiconduttori organici. Ogni materiale offre alcuni vantaggi in termini di rapporto costo / prestazioni, funzionamento ad alta velocità, temperatura elevata o la risposta desiderata a un segnale.
Semiconduttori
Ciò che rende i semiconduttori così utili è la capacità di controllare con precisione le loro proprietà elettriche e il loro comportamento durante il processo di produzione. Le proprietà dei semiconduttori sono controllate aggiungendo piccole quantità di impurità nel semiconduttore attraverso un processo chiamato drogaggio, con diverse impurità e concentrazioni che producono effetti diversi. Controllando il drogaggio, è possibile controllare il modo in cui una corrente elettrica si muove attraverso un semiconduttore.
In un tipico conduttore, come il rame, gli elettroni trasportano la corrente e fungono da portatori di carica. Nei semiconduttori sia gli elettroni che i "buchi", l'assenza di un elettrone, fungono da portatori di carica. Controllando il drogaggio del semiconduttore, la conduttività e il portatore di carica possono essere adattati per essere basati su elettroni o fori.
Esistono due tipi di drogaggio, tipo N e tipo P. I droganti di tipo N, tipicamente fosforo o arsenico, hanno cinque elettroni, che quando aggiunti a un semiconduttore forniscono un elettrone libero extra. Poiché gli elettroni hanno una carica negativa, un materiale drogato in questo modo è chiamato tipo N. I droganti di tipo P, come il boro e il gallio, hanno solo tre elettroni che provocano l'assenza di un elettrone nel cristallo semiconduttore, creando effettivamente un buco o una carica positiva, da cui il nome di tipo P. Sia i droganti di tipo N che quelli di tipo P, anche in quantità minuscole, renderanno un semiconduttore un conduttore decente. Tuttavia, i semiconduttori di tipo N e P non sono molto speciali da soli, essendo solo dei conduttori decenti. Tuttavia, quando li metti in contatto tra loro, formando una giunzione P-N, ottieni alcuni comportamenti molto diversi e molto utili.
Il diodo di giunzione P-N
Una giunzione P-N, a differenza di ogni materiale separatamente, non si comporta come un conduttore. Piuttosto che consentire alla corrente di fluire in entrambe le direzioni, una giunzione P-N consente solo alla corrente di fluire in una direzione, creando un diodo di base. L'applicazione di una tensione attraverso una giunzione P-N nella direzione in avanti (polarizzazione diretta) aiuta gli elettroni nella regione di tipo N a combinarsi con i fori nella regione di tipo P. Il tentativo di invertire il flusso di corrente (polarizzazione inversa) attraverso il diodo costringe a separare gli elettroni e i fori, impedendo che la corrente scorra attraverso la giunzione. La combinazione di giunzioni P-N in altri modi apre le porte ad altri componenti a semiconduttore, come il transistor.
transistor
Un transistor di base è costituito dalla combinazione della giunzione di tre materiali di tipo N e di tipo P piuttosto che i due utilizzati in un diodo. Combinando questi materiali si ottengono i transistor NPN e PNP che sono noti come transistor a giunzione bipolare o BJT. Il centro, o base, regione BJT consente al transistor di agire come un interruttore o amplificatore.
Mentre i transistor NPN e PNP possono assomigliare a due diodi posti indietro, il che impedirebbe a tutta la corrente di fluire in entrambe le direzioni. Quando lo strato centrale viene polarizzato in avanti in modo che una piccola corrente attraversi lo strato centrale, le proprietà del diodo formato con lo strato centrale cambiano per consentire a una corrente molto più grande di fluire attraverso l'intero dispositivo. Questo comportamento dà a un transistor la capacità di amplificare piccole correnti e di agire come un interruttore che attiva o disattiva una sorgente di corrente.
Una varietà di tipi di transistor e altri dispositivi a semiconduttore può essere realizzata combinando giunzioni P-N in un certo numero di modi, da transistor a funzioni speciali avanzate a diodi controllati. I seguenti sono solo alcuni dei componenti realizzati con accorte combinazioni di giunzioni P-N.
- DIAC
- Diodo laser
- Diodo ad emissione luminosa (LED)
- Diodo Zener
- Transistor Darlington
- Transistor ad effetto di campo, inclusi MOSFET
- Transistor IGBT
- Raddrizzatore controllato al silicio (SCR)
- Circuito integrato (CI)
- microprocessore
- Memoria digitale - RAM e ROM
sensori
Oltre al controllo corrente consentito dai semiconduttori, hanno anche proprietà che rendono i sensori efficaci. Possono essere fatti per essere sensibili ai cambiamenti di temperatura, pressione e luce. Un cambiamento di resistenza è il tipo più comune di risposta per un sensore semiconduttivo. Alcuni dei tipi di sensori resi possibili dalle proprietà dei semiconduttori sono elencati di seguito.
- Sensore ad effetto Hall (sensore di campo magnetico)
- Termistore (sensore di temperatura resistivo)
- CCD / CMOS (sensore immagine)
- Fotodiodo (sensore di luce)
- Fotoresistenza (sensore di luce)
- Piezoresistivo (sensori di pressione / deformazione)
