Nykyaikainen tekniikka on mahdollista puolijohteiksi kutsuttujen materiaalien ansiosta. Kaikki aktiiviset komponentit, integroidut piirit, mikrosirut, transistorit ja monet anturit on rakennettu puolijohdemateriaaleista. Vaikka pii on elektroniikassa yleisimmin käytetty puolijohdemateriaali, käytetään useita puolijohteita, mukaan lukien germanium, galliumarsenidi, piikarbidi ja orgaaniset puolijohteet. Jokaisella materiaalilla on etuja, kuten kustannus-suorituskykysuhde, suuri nopeus, korkean lämpötilan sietokyky tai haluttu vaste signaaliin.
puolijohteet
Puolijohteet ovat hyödyllisiä, koska insinöörit hallitsevat sähköisiä ominaisuuksia ja käyttäytymistä valmistusprosessin aikana. Puolijohteiden ominaisuudet tarkistetaan lisäämällä puolijohteeseen pieniä määriä epäpuhtauksia doping-nimisellä prosessilla. Eri epäpuhtauksilla ja pitoisuuksilla on erilaisia vaikutuksia. Ohjaamalla dopingia voidaan ohjata tapaa, jolla sähkövirta liikkuu puolijohteen läpi. Tyypillisessä johtimessa, kuten kuparissa, elektronit kuljettavat virtaa ja toimivat varauksen kantajana. Puolijohteissa sekä elektronit että reiät (elektronin puuttuminen) toimivat varauksen kantajina. Puolijohteen seostusta ohjaamalla johtavuus ja varauksenkantaja säädetään joko elektroni- tai reikäpohjaisiksi. Dopingia on kahta tyyppiä:
- N-tyypin seostusaineissa, yleensä fosforissa tai arseenissa, on viisi elektronia, jotka puolijohteeseen lisättynä muodostavat ylimääräisen vapaan elektronin. Koska elektroneilla on negatiivinen varaus, tällä tavalla seostettua materiaalia kutsutaan N-tyypiksi.
- P-tyypin seostusaineissa, kuten boorissa ja galliumissa, on kolme elektronia, mikä johtaa elektronin puuttumiseen puolijohdekiteessä. Tämä luo reiän tai positiivisen varauksen, mistä johtuu nimi P-tyyppi.
Sekä N-tyypin että P-tyypin seostusaineet tekevät puolijohteesta kunnon johtimen, jopa pieninä määrinä. N-tyypin ja P-tyypin puolijohteet eivät kuitenkaan ole erityisiä ja ovat vain kiinteitä johtimia. Kun nämä tyypit saatetaan kosketukseen toistensa kanssa ja muodostavat PN-liitoksen, puolijohde käyttäytyy erilaisena ja hyödyllisenä.
PN-liitosdiodi
PN-liitos, toisin kuin mikään materiaali yksittäin, ei toimi johtimen tavoin. Sen sijaan, että se antaisi virran kulkea molempiin suuntiin, PN-liitos sallii virran kulkea vain yhteen suuntaan, jolloin syntyy perusdiodi. Jännitteen kohdistaminen PN-liitoksen yli eteenpäin (forward bias) auttaa N-tyypin alueella olevia elektroneja yhdistymään P-tyypin alueen reikiin. Yritykset kääntää virran kulku (käänteinen bias) diodin läpi pakottaa elektronit ja reiät erilleen, estäen virtaa kulkemasta liitoksen poikki. PN-liitosten yhdistäminen muilla tavoilla avaa ovet muille puolijohdekomponenteille, kuten transistorille.
Transistorit
Kantatransistori on valmistettu kolmen N-tyypin ja P-tyypin materiaalin liitoksesta diodissa käytetyn kahden sijaan. Yhdistämällä näitä materiaaleja saadaan NPN- ja PNP-transistorit, jotka tunnetaan bipolaaristen liitostransistoreina (BJT). Keski- tai perusalue BJT sallii transistorin toimia kytkimenä tai vahvistimena. NPN- ja PNP-transistorit näyttävät kahdelta vastakkain sijoitetulta diodilta, jotka estävät kaiken virran kumpaankin suuntaan. Kun keskikerros on esijännitetty eteenpäin siten, että pieni virta kulkee keskikerroksen läpi, keskikerroksen kanssa muodostetun diodin ominaisuudet muuttuvat sallien suuremman virran kulkemisen koko laitteen läpi. Tämän toiminnan ansiosta transistori voi vahvistaa pieniä virtoja ja toimia kytkimenä, joka kytkee virtalähteen päälle tai pois päältä. Monen tyyppiset transistorit ja muut puolijohdelaitteet ovat tulosta yhdistelemällä PN-liitoksia eri tavoin, edistyneistä transistoreista erikoistoiminnoilla ohjattuihin diodeihin. Tässä on joitain PN-liitosten huolellisista yhdistelmistä valmistettuja komponentteja:
- DIAC
- laserdiodi
- Light-emitting diodi (LED)
- Zener diodi
- Darlington transistori
- Kenttätehostetransistori (mukaan lukien MOSFETit)
- IGBT transistori
- Silikoniohjattu tasasuuntaaja
- Integroitu virtapiiri
- Mikroprosessori
- Digitaalinen muisti (RAM ja ROM)
Anturit
Puolijohteiden mahdollistaman virtaohjauksen lisäksi puolijohteilla on myös ominaisuuksia, jotka tekevät antureista tehokkaita. Ne voidaan tehdä herkiksi lämpötilan, paineen ja valon muutoksille. Resistanssin muutos on puolijohdeanturin yleisin vastetyyppi. Puolijohdeominaisuuksien mahdollistamia anturityyppejä ovat:
- Hall-anturi (magneettikenttäanturi)
- Termistori (resistiivinen lämpötila-anturi)
- CCD/CMOS (kuvakenno)
- Valodiodi (valoanturi)
- Valovastus (valoanturi)
- Pietsoresistiiviset (paine-/venymäanturit)