Möglich wird moderne Technologie durch eine Klasse von Materialien, die Halbleiter genannt werden. Alle aktiven Komponenten, integrierten Schaltungen, Mikrochips, Transistoren sowie viele Sensoren sind aus Halbleitermaterialien aufgebaut. Während Silizium das am häufigsten verwendete und bekannteste Halbleitermaterial ist, das in der Elektronik verwendet wird, wird ein breites Spektrum von Halbleitern verwendet, einschließlich Germanium, Galliumarsenid, Siliziumkarbid sowie organische Halbleiter. Jedes Material bringt bestimmte Vorteile für die Tabelle mit sich, wie Kosten- / Leistungsverhältnis, Hochgeschwindigkeitsbetrieb, Hochtemperatur oder die gewünschte Reaktion auf ein Signal.
Halbleiter
Was Halbleiter so nützlich macht, ist die Fähigkeit, ihre elektrischen Eigenschaften und ihr Verhalten während des Herstellungsprozesses genau zu steuern. Die Halbleitereigenschaften werden durch Hinzufügen kleiner Mengen an Verunreinigungen im Halbleiter durch einen als Dotierung bezeichneten Prozess gesteuert, wobei unterschiedliche Verunreinigungen und Konzentrationen unterschiedliche Wirkungen erzeugen. Durch Steuern der Dotierung kann die Art und Weise, wie sich ein elektrischer Strom durch einen Halbleiter bewegt, gesteuert werden.
In einem typischen Leiter wie Kupfer tragen Elektronen den Strom und dienen als Ladungsträger. In Halbleitern fungieren sowohl Elektronen als auch Löcher als Ladungsträger. Durch Steuern der Dotierung des Halbleiters können die Leitfähigkeit und der Ladungsträger so gestaltet werden, dass sie entweder auf Elektronen oder Löchern basieren.
Es gibt zwei Arten von Dotierungen: N-Typ und P-Typ. Dotierstoffe vom N-Typ, typischerweise Phosphor oder Arsen, weisen fünf Elektronen auf, die bei Zugabe zu einem Halbleiter ein zusätzliches freies Elektron liefern. Da Elektronen eine negative Ladung haben, wird ein auf diese Weise dotiertes Material als N-Typ bezeichnet. Dotierstoffe vom P-Typ, wie Bor und Gallium, haben nur drei Elektronen, was dazu führt, dass im Halbleiterkristall keine Elektronen vorhanden sind, wodurch effektiv ein Loch oder eine positive Ladung erzeugt wird, daher der Name P-Typ. Sowohl Dotierstoffe vom N-Typ als auch P-Typ machen den Halbleiter selbst in winzigen Mengen zu einem anständigen Leiter. Halbleiter vom N-Typ und P-Typ sind jedoch an sich nicht sehr speziell, da sie nur anständige Leiter sind. Wenn Sie sie jedoch miteinander in Kontakt bringen, um eine P-N-Verbindung zu bilden, erhalten Sie einige sehr unterschiedliche und sehr nützliche Verhaltensweisen.
Die P-N-Verbindungsdiode
Ein P-N-Übergang wirkt anders als jedes Material separat wie ein Leiter. Anstatt den Strom in beide Richtungen fließen zu lassen, lässt ein P-N-Übergang nur Strom in eine Richtung zu, wodurch eine Basisdiode entsteht. Durch Anlegen einer Spannung über einen P-N-Übergang in Vorwärtsrichtung (Durchlassvorspannung) können sich die Elektronen im N-Typ-Bereich mit den Löchern im P-Typ-Bereich verbinden. Der Versuch, den Stromfluss (umgekehrte Vorspannung) durch die Diode umzukehren, drückt die Elektronen und Löcher auseinander, wodurch verhindert wird, dass Strom durch die Verbindung fließt. Durch die Kombination von P-N-Übergängen auf andere Weise werden andere Halbleiterkomponenten wie der Transistor geöffnet.
Transistoren
Ein Basistransistor besteht aus der Kombination der Verbindung von drei N-Typ- und P-Typ-Materialien anstelle der beiden, die in einer Diode verwendet werden. Die Kombination dieser Materialien ergibt die NPN- und PNP-Transistoren, die als Bipolar-Junction-Transistoren oder BJTs bekannt sind. Der mittlere oder Basisbereich BJT ermöglicht es dem Transistor, als Schalter oder Verstärker zu fungieren.
Während NPN- und PNP-Transistoren wie zwei hintereinanderliegende Dioden aussehen können, wird der Stromfluss in beide Richtungen blockiert. Wenn die Mittelschicht in Durchlassrichtung vorgespannt ist, so dass ein kleiner Strom durch die Mittelschicht fließt, ändern sich die Eigenschaften der mit der Mittelschicht gebildeten Diode, so dass ein viel größerer Strom über die gesamte Vorrichtung fließen kann. Dieses Verhalten gibt einem Transistor die Fähigkeit, kleine Ströme zu verstärken und als Schalter zu dienen, der eine Stromquelle ein- oder ausschaltet.
Eine Vielzahl von Arten von Transistoren und anderen Halbleiterbauelementen kann durch Kombinieren von P-N-Übergängen auf verschiedene Arten hergestellt werden, von fortgeschrittenen Transistoren mit Spezialfunktion bis zu gesteuerten Dioden. Nachfolgend sind nur einige der Komponenten aufgeführt, die aus sorgfältigen Kombinationen von P-N-Übergängen bestehen.
- DIAC
- Laserdiode
- Leuchtdiode (LED)
- Zenerdiode
- Darlington-Transistor
- Feldeffekttransistor einschließlich MOSFETs
- IGBT-Transistor
- Siliziumgesteuerter Gleichrichter (SCR)
- Integrierte Schaltung (ICs)
- Mikroprozessor
- Digitaler Speicher - RAM und ROM
Sensoren
Neben der Stromsteuerung, die Halbleiter ermöglichen, verfügen sie auch über Eigenschaften, die für effektive Sensoren sorgen. Sie können empfindlich auf Temperatur-, Druck- und Lichtschwankungen reagieren. Eine Widerstandsänderung ist die häufigste Antwortart für einen halbleitenden Sensor. Nachfolgend sind einige der durch Halbleitereigenschaften möglichen Sensortypen aufgeführt.
- Hall-Effekt-Sensor (Magnetfeldsensor)
- Thermistor (Widerstandstemperaturfühler)
- CCD / CMOS (Bildsensor)
- Fotodiode (Lichtsensor)
- Fotowiderstand (Lichtsensor)
- Piezoresistive (Druck- / Dehnungssensoren)
