Công nghệ hiện đại được tạo ra nhờ một lớp vật liệu gọi là chất bán dẫn. Tất cả các thành phần hoạt động, mạch tích hợp, vi mạch, bóng bán dẫn và nhiều cảm biến được chế tạo bằng vật liệu bán dẫn.
Trong khi silicon là vật liệu bán dẫn được sử dụng rộng rãi nhất trong điện tử, một loạt các chất bán dẫn được sử dụng, bao gồm germani, gallium arsenide, silicon carbide và các chất bán dẫn hữu cơ. Mỗi vật liệu đều có những ưu điểm như tỷ lệ chi phí trên hiệu suất, hoạt động tốc độ cao, khả năng chịu nhiệt độ cao hoặc phản ứng mong muốn đối với tín hiệu.
Chất bán dẫn
Chất bán dẫn rất hữu ích vì các kỹ sư kiểm soát các đặc tính và hành vi điện trong quá trình sản xuất. Tính chất bán dẫn được kiểm soát bằng cách thêm một lượng nhỏ tạp chất vào chất bán dẫn thông qua một quá trình gọi là pha tạp. Các tạp chất và nồng độ khác nhau tạo ra các hiệu ứng khác nhau. Bằng cách kiểm soát sự pha tạp, có thể kiểm soát cách dòng điện di chuyển qua chất bán dẫn.
Trong một vật dẫn điển hình, như đồng, các electron mang dòng điện và hoạt động như vật mang điện tích. Trong chất bán dẫn, cả electron và lỗ trống (không có electron) đều đóng vai trò là hạt tải điện. Bằng cách kiểm soát sự pha tạp của chất bán dẫn, độ dẫn điện và chất mang điện tích được điều chỉnh để dựa trên electron hoặc lỗ trống.
Có hai loại doping:
- Chất pha tạp loại N, thường là phốt pho hoặc asen, có năm điện tử, khi được thêm vào chất bán dẫn, sẽ cung cấp thêm một điện tử tự do. Vì các electron mang điện tích âm nên vật liệu được pha tạp theo cách này được gọi là loại N.
- Chất pha tạp loại P, chẳng hạn như boron và gali, có ba điện tử, dẫn đến sự thiếu vắng một điện tử trong tinh thể bán dẫn. Điều này tạo ra một lỗ trống hoặc một điện tích dương, do đó có tên là loại P.
Cả chất pha tạp loại N và loại P, ngay cả với số lượng nhỏ, làm cho chất bán dẫn trở thành một chất dẫn điện tốt. Tuy nhiên, chất bán dẫn loại N và loại P không phải là đặc biệt và chỉ là chất dẫn điện tốt. Khi các loại này được đặt tiếp xúc với nhau, tạo thành đường giao nhau P-N, chất bán dẫn sẽ có các hành vi hữu ích và khác nhau.
Diode nối P-N
Một điểm nối P-N, không giống như từng vật liệu riêng biệt, không hoạt động như một chất dẫn điện. Thay vì cho phép dòng điện chạy theo một trong hai hướng, điểm nối P-N cho phép dòng điện chỉ chạy theo một hướng, tạo ra một diode cơ bản.
Đặt điện áp qua tiếp giáp P-N theo chiều thuận (phân cực thuận) giúp các electron trong vùng loại N kết hợp với các lỗ trống trong vùng loại P. Cố gắng đảo ngược dòng điện (phân cực ngược) qua diode buộc các điện tử và lỗ trống xa nhau, điều này ngăn dòng điện chạy qua đường giao nhau. Việc kết hợp các điểm nối P-N theo những cách khác sẽ mở ra cánh cửa cho các linh kiện bán dẫn khác, chẳng hạn như bóng bán dẫn.
Bóng bán dẫn
Một bóng bán dẫn cơ bản được tạo ra từ sự kết hợp của đường giao nhau của ba vật liệu loại N và loại P chứ không phải là hai vật liệu được sử dụng trong một diode. Kết hợp các vật liệu này tạo ra các bóng bán dẫn NPN và PNP, được gọi là bóng bán dẫn tiếp giáp lưỡng cực (BJT). BJT vùng trung tâm hoặc cơ sở cho phép bóng bán dẫn hoạt động như một công tắc hoặc bộ khuếch đại.
Các bóng bán dẫnNPN và PNP trông giống như hai điốt được đặt ngược nhau, giúp chặn tất cả dòng điện chạy theo một trong hai hướng. Khi lớp trung tâm được phân cực thuận để một dòng điện nhỏ chạy qua lớp trung tâm, các đặc tính của diode hình thành với lớp trung tâm thay đổi để cho phép dòng điện lớn hơn chạy qua toàn bộ thiết bị. Hành vi này cung cấp cho một bóng bán dẫn khả năng khuếch đại dòng điện nhỏ và hoạt động như một công tắc bật hoặc tắt nguồn hiện tại.
Nhiều loại bóng bán dẫn và các thiết bị bán dẫn khác là kết quả của việc kết hợp các điểm nối P-N theo nhiều cách, từ bóng bán dẫn tiên tiến, chức năng đặc biệt đến điốt được điều khiển. Sau đây là một số thành phần được tạo ra từ sự kết hợp cẩn thận của các điểm nối P-N:
- DIAC
- Diode laser
- Đi-ốt phát sáng (LED)
- Điốt Zener
- Bóng bán dẫn Darlington
- Bóng bán dẫn hiệu ứng trường (bao gồm MOSFET)
- Bóng bán dẫn IGBT
- Chỉnh lưu điều khiển silicon
- Mạch tích hợp
- Vi xử lý
- Bộ nhớ kỹ thuật số (RAM và ROM)
Cảm biến
Ngoài khả năng kiểm soát dòng điện mà chất bán dẫn cho phép, chất bán dẫn còn có các đặc tính tạo nên cảm biến hiệu quả. Chúng có thể được chế tạo để nhạy cảm với những thay đổi về nhiệt độ, áp suất và ánh sáng. Sự thay đổi điện trở là loại phản hồi phổ biến nhất đối với cảm biến bán dẫn.
Các loại cảm biến được tạo ra nhờ đặc tính bán dẫn bao gồm:
- Cảm biến hiệu ứng Hall (cảm biến từ trường)
- Thermistor (cảm biến nhiệt độ điện trở)
- CCD / CMOS (cảm biến hình ảnh)
- Photodiode (cảm biến ánh sáng)
- Điện trở quang (cảm biến ánh sáng)
- Piezoresistive (cảm biến áp suất / biến dạng)
