თანამედროვე ტექნოლოგია შესაძლებელი გახდა მასალების კლასის წყალობით, რომელსაც ეწოდება ნახევარგამტარები. ყველა აქტიური კომპონენტი, ინტეგრირებული სქემები, მიკროჩიპები, ტრანზისტორი და მრავალი სენსორი აგებულია ნახევარგამტარული მასალებით.
მიუხედავად იმისა, რომ სილიციუმი არის ყველაზე ფართოდ გამოყენებული ნახევარგამტარული მასალა ელექტრონიკაში, გამოიყენება ნახევარგამტარების მთელი რიგი, მათ შორის გერმანიუმი, გალიუმის არსენიდი, სილიციუმის კარბიდი და ორგანული ნახევარგამტარები. თითოეულ მასალას აქვს ისეთი უპირატესობები, როგორიცაა ღირებულებისა და შესრულების თანაფარდობა, მაღალი სიჩქარით მუშაობა, მაღალი ტემპერატურის ტოლერანტობა ან სასურველი პასუხი სიგნალზე.
ნახევარგამტარები
ნახევარგამტარები სასარგებლოა, რადგან ინჟინრები აკონტროლებენ ელექტრულ თვისებებს და ქცევას წარმოების პროცესში. ნახევარგამტარის თვისებები კონტროლდება ნახევარგამტარში მცირე რაოდენობით მინარევების დამატებით პროცესის საშუალებით, რომელსაც დოპინგი ეწოდება. სხვადასხვა მინარევები და კონცენტრაცია სხვადასხვა ეფექტს იძლევა. დოპინგის კონტროლით შესაძლებელია ელექტრული დენის გადაადგილების გზა ნახევარგამტარში.
ტიპიურ გამტარში, როგორიცაა სპილენძი, ელექტრონები ატარებენ დენს და მოქმედებენ როგორც მუხტის მატარებელი. ნახევარგამტარებში ელექტრონებიც და ხვრელებიც (ელექტრონის არარსებობა) მოქმედებენ როგორც მუხტის მატარებლები. ნახევარგამტარის დოპინგის კონტროლით გამტარობა და მუხტის მატარებელი მორგებულია ელექტრონებზე ან ხვრელებზე.
არსებობს დოპინგის ორი ტიპი:
- N ტიპის დოპანტებს, როგორც წესი, ფოსფორს ან დარიშხანს, აქვთ ხუთი ელექტრონი, რომლებიც ნახევარგამტარს დაემატება დამატებით თავისუფალ ელექტრონს. ვინაიდან ელექტრონებს აქვთ უარყოფითი მუხტი, ამ გზით დოპინგის მასალას ეწოდება N-ტიპი.
- P ტიპის დოპანტებს, როგორიცაა ბორი და გალიუმი, აქვთ სამი ელექტრონი, რაც იწვევს ელექტრონის არარსებობას ნახევარგამტარ კრისტალში. ეს ქმნის ხვრელს ან დადებით მუხტს, აქედან მომდინარეობს სახელწოდება P-ტიპი.
როგორც N-ტიპის, ისე P-ტიპის დოპანტები, თუნდაც მცირე რაოდენობით, ნახევარგამტარს აქცევს ღირსეულ გამტარს. თუმცა, N- და P- ტიპის ნახევარგამტარები არ არის განსაკუთრებული და მხოლოდ წესიერი გამტარებია. როდესაც ეს ტიპები ერთმანეთთან კონტაქტშია და ქმნიან P-N შეერთებას, ნახევარგამტარი იღებს განსხვავებულ და სასარგებლო ქცევას.
P-N შეერთების დიოდი
P-N შეერთება, თითოეული მასალისგან ცალკე, არ მოქმედებს როგორც გამტარი. იმის ნაცვლად, რომ დენი მიეცეს რომელიმე მიმართულებით, P-N შეერთება იძლევა დენს მხოლოდ ერთი მიმართულებით, რაც ქმნის ძირითად დიოდს.
P-N შეერთებაზე ძაბვის გამოყენება წინა მიმართულებით (წინ მიკერძოება) ეხმარება ელექტრონებს N-ტიპის რეგიონში გაერთიანდეს P- ტიპის რეგიონში არსებულ ხვრელებს.დიოდის მეშვეობით დენის დინების შებრუნების მცდელობა (უკუ მიკერძოება) აიძულებს ელექტრონებს და ხვრელებს ერთმანეთისგან დაშორდეს, რაც ხელს უშლის დენის გადინებას შეერთების გასწვრივ. P-N შეერთების სხვა გზებით გაერთიანება ხსნის კარებს სხვა ნახევარგამტარული კომპონენტებისთვის, როგორიცაა ტრანზისტორი.
ტრანზისტორი
საბაზისო ტრანზისტორი მზადდება სამი N- და P-ტიპის მასალის შეერთების კომბინაციით, ვიდრე დიოდში გამოყენებული ორი. ამ მასალების შერწყმით წარმოიქმნება NPN და PNP ტრანზისტორები, რომლებიც ცნობილია როგორც ბიპოლარული შეერთების ტრანზისტორები (BJT). ცენტრი ან ბაზის რეგიონი BJT საშუალებას აძლევს ტრანზისტორს იმოქმედოს როგორც გადამრთველი ან გამაძლიერებელი.
NPN და PNP ტრანზისტორები ჰგავს ორ დიოდს, რომლებიც განლაგებულია უკანა მხარეს, რაც ბლოკავს ყველა დენს ორივე მიმართულებით. როდესაც ცენტრალური ფენა წინ მიკერძოებულია ისე, რომ მცირე დენი მიედინება ცენტრალურ ფენაში, დიოდის თვისებები, რომლებიც წარმოიქმნება ცენტრალურ ფენასთან ერთად, იცვლება, რათა უფრო დიდი დენი მიედინოს მთელ მოწყობილობაზე.ეს ქცევა აძლევს ტრანზისტორს შესაძლებლობას გააძლიეროს მცირე დენები და იმოქმედოს როგორც გადამრთველი, რომელიც რთავს ან გამორთავს დენის წყაროს.
ბევრი ტიპის ტრანზისტორი და სხვა ნახევარგამტარული მოწყობილობა წარმოიქმნება P-N შეერთების რამდენიმე გზით შერწყმის შედეგად, მოწინავე, სპეციალური ფუნქციის ტრანზისტორებიდან კონტროლირებად დიოდებამდე. ქვემოთ მოცემულია რამდენიმე კომპონენტი, რომელიც დამზადებულია P-N შეერთების ფრთხილად კომბინაციით:
- DIAC
- ლაზერული დიოდი
- შუქის გამოსხივების დიოდი (LED)
- ზენერის დიოდი
- დარლინგტონის ტრანზისტორი
- საველე ეფექტის ტრანზისტორი (მასფეტების ჩათვლით)
- IGBT ტრანზისტორი
- სილიკონის კონტროლირებადი გამსწორებელი
- ინტეგრირებული წრე
- მიკროპროცესორი
- ციფრული მეხსიერება (RAM და ROM)
სენსორები
მიმდინარე კონტროლის გარდა, რომელიც საშუალებას იძლევა ნახევარგამტარები, ნახევარგამტარებს ასევე აქვთ თვისებები, რომლებიც ქმნიან ეფექტურ სენსორებს.ისინი შეიძლება იყოს მგრძნობიარე ტემპერატურის, წნევის და სინათლის ცვლილებების მიმართ. წინააღმდეგობის ცვლილება ნახევრადგამტარი სენსორისთვის ყველაზე გავრცელებული პასუხია.
სენსორების ტიპები, რომლებიც შესაძლებელი გახდა ნახევარგამტარული თვისებებით, მოიცავს:
- ჰოლის ეფექტის სენსორი (მაგნიტური ველის სენსორი)
- თერმისტორი (რეზისტენტული ტემპერატურის სენსორი)
- CCD/CMOS (გამოსახულების სენსორი)
- ფოტოდიოდი (შუქის სენსორი)
- ფოტორეზისტორი (შუქის სენსორი)
- პიეზორეზისტი (წნევის/დაძაბულობის სენსორები)
