Teknologi moden diwujudkan kerana kelas bahan yang dipanggil semikonduktor. Semua komponen aktif, litar bersepadu, mikrocip, transistor dan banyak penderia dibina dengan bahan semikonduktor.
Walaupun silikon ialah bahan semikonduktor yang paling banyak digunakan dalam elektronik, pelbagai semikonduktor digunakan, termasuk germanium, galium arsenide, silikon karbida dan semikonduktor organik. Setiap bahan mempunyai kelebihan seperti nisbah kos kepada prestasi, operasi berkelajuan tinggi, toleransi suhu tinggi atau tindak balas yang diingini kepada isyarat.
Semikonduktor
Semikonduktor berguna kerana jurutera mengawal sifat dan tingkah laku elektrik semasa proses pembuatan. Sifat semikonduktor dikawal dengan menambahkan sejumlah kecil kekotoran dalam semikonduktor melalui proses yang dipanggil doping. Kekotoran dan kepekatan yang berbeza menghasilkan kesan yang berbeza. Dengan mengawal doping, cara arus elektrik bergerak melalui semikonduktor boleh dikawal.
Dalam konduktor biasa, seperti kuprum, elektron membawa arus dan bertindak sebagai pembawa cas. Dalam semikonduktor, kedua-dua elektron dan lubang (ketiadaan elektron) bertindak sebagai pembawa cas. Dengan mengawal doping semikonduktor, kekonduksian dan pembawa cas disesuaikan sama ada berasaskan elektron atau lubang.
Terdapat dua jenis doping:
- N-jenis dopan, biasanya fosforus atau arsenik, mempunyai lima elektron, yang, apabila ditambahkan pada semikonduktor, memberikan elektron bebas tambahan. Memandangkan elektron mempunyai cas negatif, bahan yang didopkan dengan cara ini dipanggil jenis-N.
- Dopan jenis P, seperti boron dan galium, mempunyai tiga elektron, yang mengakibatkan ketiadaan elektron dalam hablur semikonduktor. Ini menghasilkan lubang atau cas positif, maka dinamakan jenis P.
Dopan jenis N dan jenis P, walaupun dalam kuantiti yang kecil, menjadikan semikonduktor sebagai konduktor yang baik. Walau bagaimanapun, semikonduktor jenis N dan jenis P tidak istimewa dan hanya konduktor yang baik. Apabila jenis ini diletakkan bersentuhan antara satu sama lain, membentuk persimpangan P-N, semikonduktor mendapat gelagat yang berbeza dan berguna.
Diod Junction P-N
Simpang P-N, tidak seperti setiap bahan secara berasingan, tidak bertindak seperti konduktor. Daripada membenarkan arus mengalir dalam mana-mana arah, persimpangan P-N membenarkan arus mengalir dalam satu arah sahaja, mewujudkan diod asas.
Menggunakan voltan merentasi persimpangan P-N dalam arah hadapan (pincang ke hadapan) membantu elektron dalam rantau jenis N bergabung dengan lubang di rantau jenis P. Percubaan untuk membalikkan aliran arus (pincang songsang) melalui diod memaksa elektron dan lubang terpisah, yang menghalang arus daripada mengalir merentasi simpang. Menggabungkan persimpangan P-N dengan cara lain membuka pintu kepada komponen semikonduktor lain, seperti transistor.
Transistor
Transistor asas dibuat daripada gabungan gabungan tiga bahan jenis-N dan jenis-P dan bukannya dua yang digunakan dalam diod. Menggabungkan bahan-bahan ini menghasilkan transistor NPN dan PNP, yang dikenali sebagai transistor simpang bipolar (BJT). Pusat, atau pangkalan, rantau BJT membenarkan transistor bertindak sebagai suis atau penguat.
Transistor NPN dan PNP kelihatan seperti dua diod yang diletakkan di belakang, yang menghalang semua arus daripada mengalir ke mana-mana arah. Apabila lapisan tengah dipincang ke hadapan supaya arus kecil mengalir melalui lapisan tengah, sifat-sifat diod yang terbentuk dengan lapisan tengah berubah untuk membolehkan arus yang lebih besar mengalir merentasi keseluruhan peranti. Tingkah laku ini memberikan transistor keupayaan untuk menguatkan arus kecil dan bertindak sebagai suis yang menghidupkan atau mematikan sumber arus.
Banyak jenis transistor dan peranti semikonduktor lain terhasil daripada gabungan persimpangan P-N dalam beberapa cara, daripada transistor fungsi khas termaju kepada diod terkawal. Berikut ialah beberapa komponen yang dibuat daripada gabungan simpang P-N yang teliti:
- DIAC
- Diod laser
- Diod pemancar cahaya (LED)
- Diod Zener
- transistor Darlington
- Transistor kesan medan (termasuk MOSFET)
- transistor IGBT
- Penerus terkawal silikon
- Litar bersepadu
- PemprosesMikro
- Memori digital (RAM dan ROM)
Penderia
Selain kawalan semasa yang dibenarkan oleh semikonduktor, semikonduktor juga mempunyai sifat yang menghasilkan penderia yang berkesan. Ini boleh dibuat supaya sensitif kepada perubahan suhu, tekanan dan cahaya. Perubahan dalam rintangan ialah jenis tindak balas yang paling biasa untuk penderia semikonduktif.
Jenis penderia yang dimungkinkan oleh sifat semikonduktor termasuk:
- Penderia kesan dewan (penderia medan magnet)
- Termistor (sensor suhu rintangan)
- CCD/CMOS (penderia imej)
- Fotodiod (penderia cahaya)
- Photoresistor (penderia cahaya)
- Piezoresistive (penderia tekanan/tekanan)
