Teknolojia ya kisasa imewezekana kwa sababu ya aina ya nyenzo zinazoitwa semiconductors. Vipengee vyote amilifu, saketi zilizounganishwa, microchips, transistors na vihisi vingi vimeundwa kwa nyenzo za semiconductor.
Wakati silicon ndiyo nyenzo ya semiconductor inayotumika zaidi katika vifaa vya elektroniki, aina mbalimbali za halvledare hutumika, ikiwa ni pamoja na germanium, gallium arsenide, silicon carbide, na halvledare hai. Kila nyenzo ina manufaa kama vile uwiano wa gharama-kwa-utendaji, uendeshaji wa kasi ya juu, ustahimilivu wa halijoto ya juu, au mwitikio unaohitajika kwa mawimbi.
Semiconductors
Semiconductors ni muhimu kwa sababu wahandisi hudhibiti sifa na tabia za umeme wakati wa mchakato wa utengenezaji. Sifa za semiconductor hudhibitiwa kwa kuongeza kiasi kidogo cha uchafu kwenye semiconductor kupitia mchakato unaoitwa doping. Uchafu na viwango tofauti hutoa athari tofauti. Kwa kudhibiti upunguzaji wa dawa za kusisimua misuli, jinsi mkondo wa umeme unavyosonga kupitia semicondukta inaweza kudhibitiwa.
Katika kondakta wa kawaida, kama vile shaba, elektroni hubeba mkondo na hufanya kazi kama chaji. Katika semiconductors, elektroni na mashimo (kutokuwepo kwa elektroni) hufanya kama wabebaji wa malipo. Kwa kudhibiti upunguzaji wa dawa za kulevya wa semiconductor, upitishaji hewa na kibebea chaji hulengwa kulingana na elektroni au shimo.
Kuna aina mbili za dawa za kuongeza nguvu mwilini:
- N-aina ya dopanti, kwa kawaida fosforasi au arseniki, zina elektroni tano, ambazo, zikiongezwa kwenye semicondukta, hutoa elektroni ya ziada isiyolipishwa. Kwa kuwa elektroni zina chaji hasi, nyenzo iliyochanganywa kwa njia hii inaitwa N-aina.
- P-aina ya dopanti, kama vile boroni na gallium, zina elektroni tatu, ambayo husababisha kukosekana kwa elektroni katika fuwele ya semiconductor. Hii hutengeneza tundu au chaji chaji, hivyo basi jina P-aina.
Dopanti za aina ya N na P, hata kwa idadi ndogo, hufanya semicondukta kuwa kondakta bora. Walakini, semiconductors za aina ya N na P sio maalum na ni waendeshaji wa heshima tu. Aina hizi zinapowekwa katika kugusana, na kutengeneza makutano ya P-N, semiconductor hupata tabia tofauti na muhimu.
The P-N Junction Diode
Mkutano wa P-N, tofauti na kila nyenzo kivyake, haufanyi kama kondakta. Badala ya kuruhusu mkondo kutiririka upande wowote, makutano ya P-N huruhusu mkondo wa mkondo kutiririka kuelekea upande mmoja tu, na kuunda diode msingi.
Kuweka volteji kwenye makutano ya P-N katika mwelekeo wa mbele (upendeleo wa mbele) husaidia elektroni katika eneo la aina ya N kuchanganyika na mashimo katika eneo la aina ya P. Jaribio la kubadilisha mtiririko wa mkondo wa sasa (upendeleo wa nyuma) kupitia diode hulazimisha elektroni na mashimo kutengana, ambayo huzuia mkondo kupita kwenye makutano. Kuchanganya makutano ya P-N kwa njia zingine hufungua milango kwa vijenzi vingine vya semicondukta, kama vile transistor.
Transistors
Transistor ya kimsingi imetengenezwa kwa mchanganyiko wa makutano ya nyenzo tatu za aina ya N na P badala ya mbili zinazotumika kwenye diode. Kuchanganya nyenzo hizi hutoa transistors za NPN na PNP, ambazo hujulikana kama transistors za makutano ya bipolar (BJT). Eneo la katikati, au msingi, BJT huruhusu transistor kufanya kazi kama swichi au amplifier.
NPN na transistors za PNP zinaonekana kama diodi mbili zilizowekwa nyuma, ambazo huzuia mkondo wote usitirike upande wowote. Safu ya katikati inapoegemezwa mbele ili mkondo mdogo utiririke kwenye safu ya katikati, sifa za diode zinazoundwa na safu ya katikati hubadilika ili kuruhusu mkondo mkubwa zaidi kutiririka kwenye kifaa kizima. Tabia hii huipa transistor uwezo wa kukuza mikondo midogo na kutenda kama swichi inayowasha au kuzima chanzo cha sasa.
Aina nyingi za transistors na vifaa vingine vya semicondukta hutokana na kuchanganya makutano ya P-N kwa njia kadhaa, kutoka kwa transistors za hali ya juu, za kazi maalum hadi diodi zinazodhibitiwa. Vifuatavyo ni vipengee vichache vilivyotengenezwa kutokana na mchanganyiko makini wa makutano ya P-N:
- DIAC
- Diodi ya laser
- Diodi inayotoa mwanga (LED)
- Zener diode
- Darlington transistor
- transistor yenye athari ya shamba (pamoja na MOSFET)
- IGBT transistor
- Kirekebishaji kinachodhibitiwa na silicon
- Mzunguko jumuishi
- Microprocessor
- Kumbukumbu ya dijiti (RAM na ROM)
Vihisi
Mbali na udhibiti wa sasa unaoruhusu semiconductors, halvledare pia zina sifa zinazounda vitambuzi madhubuti. Hizi zinaweza kufanywa kuwa nyeti kwa mabadiliko ya joto, shinikizo, na mwanga. Mabadiliko ya ukinzani ndiyo aina ya kawaida ya jibu la kihisi cha nusu conductive.
Aina za vitambuzi vilivyowezeshwa na sifa za semiconductor ni pamoja na:
- Kihisi cha athari ya ukumbi (sensa ya sumaku)
- Thermistor (kihisi joto kinachostahimili)
- CCD/CMOS (kitambuzi cha picha)
- Photodiode (sensa ya mwanga)
- Photoresistor (kihisi mwanga)
- Piezoresistive (vihisi shinikizo/strain)
