Yarıiletken Temelleri
genel bakış
Yarı iletkenler olarak adlandırılan bir malzeme sınıfı sayesinde modern teknoloji mümkün kılınmıştır. Tüm aktif bileşenler, entegre devreler, mikroçipler, transistörler ve birçok sensör yarı iletken malzemelerle üretilmiştir. Silikon, elektronikte kullanılan en yaygın kullanılan ve en çok bilinen yarı iletken malzeme iken, Germanyum, Gallium Arsenide, Silisyum Karbür ve organik yarı iletkenleri içeren çok çeşitli yarı iletkenler kullanılmaktadır. Her malzeme, maliyet / performans oranı, yüksek hızlı çalışma, yüksek sıcaklık veya bir sinyale istenen yanıt gibi tabloya belirli avantajlar getirmektedir.
Yarı iletkenler
Yarı iletkenleri bu kadar kullanışlı kılan şey, üretim sürecinde elektriksel özelliklerini ve davranışlarını tam olarak kontrol etme kabiliyetidir. Yarıiletken özellikleri, farklı etkiler üreten farklı safsızlıklar ve konsantrasyonlar ile doping adı verilen bir işlem yoluyla yarı iletkenlere az miktarda katılarak kontrol edilir. Dopingi kontrol ederek, bir elektrik akımının bir yarı iletkenden geçme şekli kontrol edilebilir.
Tipik bir iletkende, bakır gibi, elektronlar akımı taşır ve yük taşıyıcı görevi görür. Yarı iletkenlerde hem elektronlar hem de 'delikler', bir elektronun yokluğu, yük taşıyıcı olarak görev yapar. Yarı iletkenin dopingini kontrol ederek, iletkenlik ve yük taşıyıcı elektron veya delik tabanlı olacak şekilde uyarlanabilir.
İki tür doping, N tipi ve P tipi vardır. Tipik olarak fosfor veya arsenik olan N-tipi katkı maddeleri, bir yarı iletkene eklendiğinde ekstra bir serbest elektron sağlayan beş elektrona sahiptir. Elektronların negatif yükü olduğundan, bu şekilde katkılı bir malzeme N-tipi olarak adlandırılır. Bor ve galyum gibi P-tipi katkı maddeleri, sadece yarı iletken kristalde bir elektronun bulunmamasıyla sonuçlanan üç elektrona sahiptir, bu da etkili bir delik ya da pozitif yük oluşturur, dolayısıyla P-tipi olarak adlandırılır. Hem N-tipi hem de P-tipi katkı maddeleri, birkaç dakika içinde bile, bir yarı iletkene iyi bir iletken yapacaktır. Ancak, N-tipi ve P-tipi yarı iletkenler, sadece iyi iletkenler olmak üzere, kendileri tarafından çok özel değildir. Ancak, birbirleriyle temas halinde olduğunuzda, bir PN kavşağı oluşturarak, çok farklı ve çok yararlı davranışlar elde edersiniz.
PN Kavşağı Diyot
Her bir malzemeden farklı olarak bir PN bağlantısı, bir iletken gibi davranmaz. Akışın her iki yönde akmasına izin vermek yerine, bir PN bağlantısı sadece akımın tek bir yönde akmasına izin vererek temel bir diyot yaratır. Bir PN bağlantısında bir ileriye doğru bir gerilim uygulanması (ileri yönlendirme), N-tipi bölgedeki elektronların P-tipi bölgedeki deliklerle birleşmesine yardımcı olur. Akımın (ters sapmayı) diode boyunca tersine çevirmeye çalışılması, elektronları ve delikleri, birleşme noktasından akan akımın akmasını engeller. PN bağlantılarını başka yollarla birleştirmek, kapıları transistör gibi diğer yarı iletken bileşenlere açar.
transistörler
Bir temel transistör, bir diyotta kullanılandan ziyade, üç N-tipi ve P-tipi malzemenin birleşiminden oluşur. Bu materyalleri birleştirmek, bipolar bağlantı transistörleri veya BJT'ler olarak bilinen NPN ve PNP transistörlerini verir. Merkez veya taban bölgesi BJT, transistörün bir anahtar veya amplifikatör olarak hareket etmesini sağlar.
NPN ve PNP transistörleri arka arkaya yerleştirilmiş iki diyot gibi görünebilir, bu da tüm akımın her iki yönde akmasını engeller. Merkez tabaka, orta tabaka boyunca küçük bir akımın akması için önyargılı olduğunda, merkezi tabaka ile oluşturulan diyodun özellikleri, tüm cihaz boyunca çok daha büyük bir akımın akmasına izin verecek şekilde değişir. Bu davranış, bir transistöre, küçük akımları büyütme ve bir akım kaynağını açıp kapatan bir anahtar görevi yapabilme yeteneği kazandırır.
Çeşitli tipte transistörler ve diğer yarı iletken cihazlar, PN bağlantılarının, gelişmiş, özel fonksiyon transistörlerinden kontrollü diyotlara kadar birçok şekilde birleştirilmesiyle yapılabilir. Aşağıdakiler, PN bağlantılarının dikkatli kombinasyonlarından yapılan bileşenlerden sadece birkaçıdır.
- DIAC
- Lazer diyot
- Işık yayan diyot (LED)
- Zener diyot
- Darlington transistörü
- MOSFET'ler dahil olmak üzere alan etkili transistör
- IGBT transistörü
- Silikon kontrollü doğrultucu (SCR)
- Entegre devre (IC)
- mikroişlemci
- Dijital Bellek - RAM ve ROM
Sensörler
Yarıiletkenlerin izin verdiği mevcut kontrole ek olarak, aynı zamanda etkili sensörler için uygun özelliklere de sahiptirler. Sıcaklık, basınç ve ışıktaki değişikliklere duyarlı olmaları için yapılabilir. Dirençte bir değişiklik, yarı iletken bir sensör için en yaygın tepki türüdür. Yarıiletken özellikleri ile mümkün olan birkaç sensör tipi aşağıda listelenmiştir.
- Hall etkisi sensörü (manyetik alan sensörü)
- Termistör (dirençli sıcaklık sensörü)
- CCD / CMOS (görüntü sensörü)
- Fotodiyot (ışık sensörü)
- Fotodirenç (ışık sensörü)
- Piezoresistif (basınç / gerilme sensörleri)