טכנולוגיה מודרנית מתאפשרת בגלל מחלקה של חומרים הנקראים מוליכים למחצה. כל הרכיבים הפעילים, המעגלים המשולבים, המיקרו-שבבים, הטרנזיסטורים וחיישנים רבים בנויים מחומרים מוליכים למחצה.
בעוד שסיליקון הוא החומר המוליך למחצה הנפוץ ביותר באלקטרוניקה, נעשה שימוש במגוון של מוליכים למחצה, כולל גרמניום, גליום ארסניד, סיליקון קרביד ומוליכים למחצה אורגניים. לכל חומר יש יתרונות כמו יחס עלות לביצועים, פעולה במהירות גבוהה, סובלנות לטמפרטורות גבוהות או התגובה הרצויה לאות.
מוליכים למחצה
מוליכים למחצה שימושיים מכיוון שמהנדסים שולטים במאפיינים ובהתנהגות החשמליים במהלך תהליך הייצור. תכונות המוליכים למחצה נשלטות על ידי הוספת כמויות קטנות של זיהומים במוליך למחצה באמצעות תהליך הנקרא סימום. זיהומים וריכוזים שונים מייצרים השפעות שונות. על ידי שליטה בסימום, ניתן לשלוט באופן שבו זרם חשמלי עובר דרך מוליך למחצה.
במוליך טיפוסי, כמו נחושת, אלקטרונים נושאים את הזרם ופועלים בתור נושא המטען. במוליכים למחצה, גם אלקטרונים וגם חורים (היעדר אלקטרון) פועלים כנשאי מטען. על ידי שליטה בסימום של המוליך למחצה, המוליכות ונשא המטען מותאמים להיות מבוססי אלקטרונים או חור.
ישנם שני סוגים של סימום:
- דופטנטים מסוג N, בדרך כלל זרחן או ארסן, הם בעלי חמישה אלקטרונים, שכאשר מוסיפים אותם למוליך למחצה, מספקים אלקטרון חופשי נוסף. מכיוון שלאלקטרונים יש מטען שלילי, חומר המסומם בצורה זו נקרא N-type.
- לסמפטומים מסוג P, כגון בורון וגאליום, יש שלושה אלקטרונים, שגורמים להיעדר אלקטרון בגביש המוליך למחצה. זה יוצר חור או מטען חיובי, ומכאן השם P-type.
גם דופטנטים מסוג N וגם מסוג P, אפילו בכמויות זעירות, הופכים מוליך למחצה למוליך הגון. עם זאת, מוליכים למחצה מסוג N ו-P אינם מיוחדים והם רק מוליכים הגונים. כאשר הטיפוסים האלה נמצאים במגע אחד עם השני, ויוצרים צומת P-N, מוליך למחצה מקבל התנהגויות שונות ושימושיות.
The P-N Junction Diode
צומת P-N, בניגוד לכל חומר בנפרד, אינו פועל כמו מנצח. במקום לאפשר לזרם לזרום בכל כיוון, צומת P-N מאפשר לזרם לזרום בכיוון אחד בלבד, ויוצר דיודה בסיסית.
הפעלת מתח על פני צומת P-N בכיוון קדימה (הטיה קדימה) עוזרת לאלקטרונים באזור מסוג N להתאחד עם החורים באזור מסוג P.ניסיון להפוך את זרימת הזרם (הטיה הפוכה) דרך הדיודה מאלץ את האלקטרונים והחורים זה מזה, מה שמונע לזרם לזרום על פני הצומת. שילוב של חיבורי P-N בדרכים אחרות פותח את הדלתות לרכיבי מוליכים למחצה אחרים, כגון הטרנזיסטור.
טרנזיסטורים
טרנזיסטור בסיסי עשוי מהשילוב של החיבור של שלושה חומרים מסוג N ו-P במקום השניים המשמשים בדיודה. שילוב חומרים אלה מניב את הטרנזיסטורים NPN ו-PNP, הידועים כטרנזיסטורי צומת דו-קוטביים (BJT). אזור המרכז, או הבסיס, BJT מאפשר לטרנזיסטור לפעול כמתג או מגבר.
טרנזיסטורים NPN ו-PNP נראים כמו שתי דיודות הממוקמות גב אל גב, מה שחוסם את כל הזרם מלזרום לשני הכיוונים. כאשר השכבה המרכזית מוטה קדימה כך שזרם קטן זורם בשכבה המרכזית, המאפיינים של הדיודה שנוצרת עם השכבה המרכזית משתנות כדי לאפשר לזרם גדול יותר לזרום על פני המכשיר כולו.התנהגות זו מעניקה לטרנזיסטור את היכולת להגביר זרמים קטנים ולפעול כמתג שמדליק או מכבה מקור זרם.
סוגים רבים של טרנזיסטורים והתקני מוליכים למחצה אחרים נובעים משילוב של צמתי P-N בכמה דרכים, מטרנזיסטורים מתקדמים בעלי פונקציה מיוחדת ועד דיודות מבוקרות. להלן כמה מהרכיבים העשויים משילובים זהירים של צמתים P-N:
- DIAC
- דיודת לייזר
- דיודה פולטת אור (LED)
- דיודת זנר
- טרנזיסטור דארלינגטון
- טרנזיסטור אפקט שדה (כולל MOSFETs)
- טרנזיסטור IGBT
- מיישר מבוקר סיליקון
- מעגל משולב
- מיקרומעבד
- זיכרון דיגיטלי (RAM ו-ROM)
Sensors
בנוסף לבקרה הנוכחית שמאפשרים מוליכים למחצה, למוליכים למחצה יש גם מאפיינים שמייצרים חיישנים יעילים.ניתן לגרום לאלו להיות רגישים לשינויים בטמפרטורה, לחץ ואור. שינוי בהתנגדות הוא סוג התגובה הנפוץ ביותר עבור חיישן מוליך למחצה.
סוגי החיישנים המתאפשרים על ידי מאפייני מוליכים למחצה כוללים:
- חיישן אפקט הול (חיישן שדה מגנטי)
- תרמיסטור (חיישן טמפרטורה התנגדות)
- CCD/CMOS (חיישן תמונה)
- Photodiode (חיישן אור)
- Photoresistor (חיישן אור)
- Piezoresistive (חיישני לחץ/מתח)
