Modern teknoloji, yarı iletken adı verilen bir malzeme sınıfı sayesinde mümkün olmuştur. Tüm aktif bileşenler, entegre devreler, mikroçipler, transistörler ve birçok sensör yarı iletken malzemelerden yapılmıştır.
Silikon elektronikte en yaygın kullanılan yarı iletken malzeme olsa da, germanyum, galyum arsenit, silisyum karbür ve organik yarı iletkenler dahil olmak üzere bir dizi yarı iletken kullanılır. Her malzemenin maliyet-performans oranı, yüksek hızlı çalışma, yüksek sıcaklık toleransı veya bir sinyale istenen yanıt gibi avantajları vardır.
Yarı iletkenler
Yarı iletkenler faydalıdır çünkü mühendisler üretim sürecinde elektriksel özellikleri ve davranışı kontrol eder. Yarı iletken özellikleri, doping adı verilen bir işlemle yarı iletkene az miktarda safsızlık eklenerek kontrol edilir. Farklı safsızlıklar ve konsantrasyonlar farklı etkiler üretir. Doping kontrol edilerek, elektrik akımının bir yarı iletkenden geçme şekli kontrol edilebilir.
Bakır gibi tipik bir iletkende elektronlar akımı taşır ve yük taşıyıcı görevi görür. Yarı iletkenlerde hem elektronlar hem de delikler (bir elektronun yokluğu) yük taşıyıcıları olarak işlev görür. Yarı iletkenin dopingini kontrol ederek, iletkenlik ve yük taşıyıcı elektron veya delik bazlı olacak şekilde uyarlanır.
İki tür doping vardır:
- N-tipi katkı maddeleri, tipik olarak fosfor veya arsenik, bir yarı iletkene eklendiğinde fazladan bir serbest elektron sağlayan beş elektrona sahiptir. Elektronlar negatif yüke sahip olduğundan, bu şekilde katkılı bir malzemeye N-tipi denir.
- Bor ve galyum gibi P-tipi katkı maddelerinin üç elektronu vardır, bu da yarı iletken kristalde bir elektronun olmamasına neden olur. Bu, bir delik veya pozitif yük oluşturur, dolayısıyla P-tipi adı verilir.
Hem N-tipi hem de P-tipi katkı maddeleri, küçük miktarlarda bile, bir yarı iletkeni iyi bir iletken yapar. Ancak, N-tipi ve P-tipi yarı iletkenler özel değildir ve sadece iyi iletkenlerdir. Bu tipler P-N eklemi oluşturarak birbirleriyle temas edecek şekilde yerleştirildiğinde, bir yarı iletken farklı ve kullanışlı davranışlar kazanır.
P-N Bağlantı Diyodu
P-N bağlantısı, her malzemenin ayrı ayrı aksine iletken gibi davranmaz. Akımın her iki yönde de akmasına izin vermek yerine, bir P-N bağlantısı, akımın yalnızca bir yönde akmasına izin vererek temel bir diyot oluşturur.
İleri yönde bir P-N bağlantısına voltaj uygulamak (ileri önyargı), N tipi bölgedeki elektronların P tipi bölgedeki deliklerle birleşmesine yardımcı olur. Diyot boyunca akımın akışını (ters önyargı) tersine çevirmeye çalışmak, elektronları ve delikleri birbirinden ayırmaya zorlar, bu da akımın bağlantı boyunca akmasını önler. P-N bağlantılarını başka şekillerde birleştirmek, transistör gibi diğer yarı iletken bileşenlerin kapılarını açar.
Transistörler
Basit bir transistör, bir diyotta kullanılan ikisi yerine üç N-tipi ve P-tipi malzemenin birleşiminden yapılır. Bu malzemeleri birleştirmek, bipolar bağlantı transistörleri (BJT) olarak bilinen NPN ve PNP transistörlerini verir. Merkez veya taban bölgesi BJT, transistörün bir anahtar veya yükseltici olarak hareket etmesine izin verir.
NPN ve PNP transistörleri, tüm akımın her iki yönde akmasını engelleyen arka arkaya yerleştirilmiş iki diyot gibi görünür. Orta katman, orta katmandan küçük bir akımın akması için ileriye doğru eğimli olduğunda, merkez katmanla oluşturulan diyotun özellikleri, tüm cihaz boyunca daha büyük bir akımın akmasına izin verecek şekilde değişir. Bu davranış, bir transistöre küçük akımları yükseltme ve bir akım kaynağını açıp kapatan bir anahtar görevi görme yeteneği verir.
Birçok transistör ve diğer yarı iletken cihaz türü, P-N bağlantılarının gelişmiş, özel işlevli transistörlerden kontrollü diyotlara kadar çeşitli şekillerde birleştirilmesinden kaynaklanır. Aşağıdakiler, P-N bağlantılarının dikkatli kombinasyonlarından yapılan bileşenlerden birkaçıdır:
- DIAC
- Lazer diyot
- Işık yayan diyot (LED)
- Zener diyot
- Darlington transistör
- Alan etkili transistör (MOSFET'ler dahil)
- IGBT transistör
- Silikon kontrollü doğrultucu
- Entegre devre
- Mikroişlemci
- Dijital bellek (RAM ve ROM)
Sensörler
Yarı iletkenlerin izin verdiği akım kontrolüne ek olarak, yarı iletkenler ayrıca etkili sensörler oluşturan özelliklere sahiptir. Bunlar sıcaklık, basınç ve ışıktaki değişikliklere duyarlı hale getirilebilir. Dirençteki bir değişiklik, yarı iletken bir sensör için en yaygın tepki türüdür.
Yarı iletken özelliklerinin mümkün kıldığı sensör türleri şunları içerir:
- Hall etkisi sensörü (manyetik alan sensörü)
- Termistör (dirençli sıcaklık sensörü)
- CCD/CMOS (görüntü sensörü)
- Fotodiyot (ışık sensörü)
- Fotodirenç (ışık sensörü)
- Piezoresistif (basınç/gerilme sensörleri)
