电子如何工作

半导体基础知识

概观

现代科技由于一类被称为半导体的材料而成为可能。 所有有源元件,集成电路,微芯片,晶体管以及许多传感器均采用半导体材料制造。 尽管硅是电子学中使用最广泛和最着名的半导体材料,但使用了各种各样的半导体,包括锗,砷化镓,碳化硅以及有机半导体。 每种材料都会为表格带来某些优势,例如成本/性能比,高速运行,高温或对信号的期望响应。

半导体

使半导体如此有用的是在制造过程中精确控制其电性质和行为的能力。 通过称为掺杂的工艺,通过在半导体中添加少量杂质来控制半导体特性,不同的杂质和浓度产生不同的影响。 通过控制掺杂,可以控制电流流过半导体的方式。

在像铜这样的典型导体中,电子携带电流并充当电荷载体。 在半导体中,电子和'空穴',缺少电子,充当电荷载体。 通过控制半导体的掺杂,可以使电导率和电荷载流子定制为基于电子或空穴的。

有两种类型的掺杂,N型和P型。 典型的磷或砷的N型掺杂物具有五个电子,当添加到半导体时提供额外的自由电子。 由于电子具有负电荷,因此以这种方式掺杂的材料被称为N型。 诸如硼和镓的P型掺杂剂仅具有三个电子,这导致半导体晶体中不存在电子,从而有效地产生空穴或正电荷,因此称为P型。 N型和P型掺杂剂即使在微量的情况下也会使半导体成为不错的导体。 然而,N型和P型半导体本身并不是很特别,只是体面的导体。 然而,当你把它们放在一起时,形成一个PN结,你会得到一些非常不同和非常有用的行为。

PN结二极管

一个PN结,不同于每种材料分开,不像导体。 PN结只允许电流在一个方向上流动,而不是让电流流向任何一个方向,从而形成一个基本的二极管。 在正向(正向偏压)的PN结上施加电压有助于N型区域中的电子与P型区域中的空穴结合。 试图扭转通过二极管的电流(反向偏压)的流动迫使电子和空穴分开,这阻止电流流过结。 以其他方式组合PN结可打开其他半导体组件(如晶体管)的大门。

晶体管

一个基本的晶体管是由三种N型和P型材料的接点组合而成,而不是二极管中使用的两种。 结合这些材料产生了被称为双极结晶体管或BJT的NPN和PNP晶体管。 中心或基极区域BJT允许晶体管充当开关或放大器。

虽然NPN和PNP晶体管可能看起来像背靠背放置的两个二极管,这将阻止所有电流在任一方向流动。 当中心层正向偏置以使小电流流过中心层时,由中心层形成的二极管的性质改变,以允许大得多的电流流过整个器件。 这种行为赋予晶体管放大小电流的能力,并充当开启或关闭电流源的开关。

多种类型的晶体管和其他半导体器件可以通过以多种方式组合PN结来制造,从先进的特殊功能晶体管到受控二极管。 以下仅是通过PN结的小心组合制造的一些组件。

传感器

除了半导体允许的电流控制之外,它们还具有可用于有效传感器的特性。 它们可以对温度,压力和光线的变化敏感。 电阻变化是半导体传感器最常见的响应类型。 下面列出了由半导体属性制成的一些类型的传感器。