Teknologjia moderne është bërë e mundur për shkak të një klase materialesh të quajtura gjysmëpërçues. Të gjithë komponentët aktivë, qarqet e integruara, mikroçipet, transistorët dhe shumë sensorë janë ndërtuar me materiale gjysmëpërçuese.
Ndërsa silikoni është materiali gjysmëpërçues më i përdorur në elektronikë, përdoret një sërë gjysmëpërçuesish, duke përfshirë germaniumin, arsenidin e galiumit, karbitin e silikonit dhe gjysmëpërçuesit organikë. Çdo material ka përparësi të tilla si raporti kosto-përformancë, funksionimi me shpejtësi të lartë, toleranca ndaj temperaturës së lartë ose përgjigja e dëshiruar ndaj një sinjali.
Gjysmëpërçuesit
Gjysmëpërçuesit janë të dobishëm sepse inxhinierët kontrollojnë vetitë elektrike dhe sjelljen gjatë procesit të prodhimit. Vetitë e gjysmëpërçuesve kontrollohen duke shtuar sasi të vogla papastërtish në gjysmëpërçues përmes një procesi të quajtur doping. Papastërtitë dhe përqendrimet e ndryshme prodhojnë efekte të ndryshme. Duke kontrolluar dopingun, mund të kontrollohet mënyra se si rryma elektrike lëviz nëpër një gjysmëpërçues.
Në një përcjellës tipik, si bakri, elektronet bartin rrymën dhe veprojnë si bartës i ngarkesës. Në gjysmëpërçuesit, të dy elektronet dhe vrimat (mungesa e një elektroni) veprojnë si bartës të ngarkesës. Duke kontrolluar dopingun e gjysmëpërçuesit, përçueshmëria dhe bartësi i ngarkesës janë përshtatur që të bazohen ose në elektron ose në vrima.
Ka dy lloje të dopingut:
- Dopantët e tipit N, zakonisht fosfori ose arseniku, kanë pesë elektrone, të cilat, kur shtohen në një gjysmëpërçues, japin një elektron shtesë të lirë. Meqenëse elektronet kanë një ngarkesë negative, një material i dopuar në këtë mënyrë quhet tipi N.
- Dopantët e tipit P, si bor dhe galium, kanë tre elektrone, të cilat rezultojnë në mungesën e një elektroni në kristalin gjysmëpërçues. Kjo krijon një vrimë ose një ngarkesë pozitive, prandaj emri P-lloj.
Të dy dopantët e tipit N dhe të tipit P, edhe në sasi të vogla, e bëjnë gjysmëpërçuesin një përcjellës të mirë. Sidoqoftë, gjysmëpërçuesit e tipit N dhe të tipit P nuk janë të veçantë dhe janë vetëm përçues të denjë. Kur këta tipa vendosen në kontakt me njëri-tjetrin, duke formuar një kryqëzim P-N, një gjysmëpërçues merr sjellje të ndryshme dhe të dobishme.
Dioda e kryqëzimit P-N
Një kryqëzim P-N, ndryshe nga çdo material veç e veç, nuk vepron si një përcjellës. Në vend që të lejojë që rryma të rrjedhë në cilindo drejtim, një kryqëzim P-N lejon që rryma të rrjedhë vetëm në një drejtim, duke krijuar një diodë bazë.
Zbatimi i një tensioni në një kryqëzim P-N në drejtimin përpara (paragjykimi përpara) ndihmon që elektronet në rajonin e tipit N të kombinohen me vrimat në rajonin e tipit P. Përpjekja për të ndryshuar rrjedhën e rrymës (paragjykim i kundërt) përmes diodës detyron elektronet dhe vrimat të largohen, gjë që parandalon që rryma të rrjedhë nëpër kryqëzim. Kombinimi i kryqëzimeve P-N në mënyra të tjera hap dyert për komponentët e tjerë gjysmëpërçues, siç është tranzitori.
Tranzistorë
Një tranzistor bazë është bërë nga kombinimi i tre materialeve të tipit N dhe P në vend të dy materialeve të përdorura në një diodë. Kombinimi i këtyre materialeve prodhon transistorët NPN dhe PNP, të cilët njihen si tranzistorë të kryqëzimit bipolar (BJT). Qendra, ose baza, rajoni BJT lejon transistorin të veprojë si një ndërprerës ose përforcues.
Tranzistorët NPN dhe PNP duken si dy dioda të vendosura njëra pas tjetrës, gjë që bllokon të gjithë rrymën të rrjedhë në çdo drejtim. Kur shtresa qendrore është e anuar përpara në mënyrë që një rrymë e vogël të rrjedhë nëpër shtresën qendrore, vetitë e diodës së formuar me shtresën qendrore ndryshojnë për të lejuar që një rrymë më e madhe të rrjedhë në të gjithë pajisjen. Kjo sjellje i jep një transistori aftësinë për të përforcuar rryma të vogla dhe për të vepruar si një ndërprerës që ndez ose fikë një burim rrymë.
Shumë lloje tranzistorë dhe pajisje të tjera gjysmëpërçuese rezultojnë nga kombinimi i kryqëzimeve P-N në disa mënyra, nga transistorët e avancuar me funksione të veçanta deri te diodat e kontrolluara. Më poshtë janë disa nga komponentët e bërë nga kombinime të kujdesshme të kryqëzimeve P-N:
- DIAC
- Diodë lazer
- Diodë që lëshon dritë (LED)
- Diodë Zener
- Tranzistor Darlington
- Tranzistor me efekt në terren (përfshirë MOSFET)
- Tranzistor IGBT
- ndreqës i kontrolluar silikoni
- Qarku i integruar
- Mikroprocesor
- Memorie dixhitale (RAM dhe ROM)
Sensors
Përveç kontrollit aktual që lejojnë gjysmëpërçuesit, gjysmëpërçuesit kanë gjithashtu veti që krijojnë sensorë efektivë. Këto mund të bëhen të ndjeshme ndaj ndryshimeve të temperaturës, presionit dhe dritës. Një ndryshim në rezistencë është lloji më i zakonshëm i përgjigjes për një sensor gjysmëpërçues.
Llojet e sensorëve të mundësuar nga vetitë e gjysmëpërçuesve përfshijnë:
- Sensori i efektit Hall (sensori i fushës magnetike)
- Termistor (sensori i temperaturës rezistente)
- CCD/CMOS (sensori i imazhit)
- Fotodiodë (sensori i dritës)
- Fotorezistor (sensori i dritës)
- Piezoresistive (sensorë presioni/sforcimi)
