La tecnologia moderna és possible gràcies a una classe de materials anomenats semiconductors. Tots els components actius, circuits integrats, microxips, transistors i molts sensors estan construïts amb materials semiconductors.
Si bé el silici és el material semiconductor més utilitzat en electrònica, s'utilitza una gamma de semiconductors, com ara germani, arsenur de gal·li, carbur de silici i semiconductors orgànics. Cada material té avantatges com ara la relació cost-rendiment, funcionament a alta velocitat, tolerància a alta temperatura o la resposta desitjada a un senyal.
Semiconductors
Els semiconductors són útils perquè els enginyers controlen les propietats elèctriques i el comportament durant el procés de fabricació. Les propietats dels semiconductors es controlen afegint petites quantitats d'impureses al semiconductor mitjançant un procés anomenat dopatge. Les diferents impureses i concentracions produeixen diferents efectes. Controlant el dopatge, es pot controlar la manera com es mou el corrent elèctric a través d'un semiconductor.
En un conductor típic, com el coure, els electrons porten el corrent i actuen com a portador de càrrega. En els semiconductors, tant els electrons com els forats (l'absència d'un electró) actuen com a portadors de càrrega. Mitjançant el control del dopatge del semiconductor, la conductivitat i el portador de càrrega s'adapten per basar-se en electrons o forats.
Hi ha dos tipus de dopatge:
- Els dopants de tipus N, normalment fòsfor o arsènic, tenen cinc electrons que, quan s'afegeixen a un semiconductor, proporcionen un electró lliure addicional. Com que els electrons tenen càrrega negativa, un material dopat d'aquesta manera s'anomena tipus N.
- Els dopants de tipus P, com el bor i el gal·li, tenen tres electrons, cosa que provoca l'absència d'un electró al cristall semiconductor. Això crea un forat o una càrrega positiva, d'aquí el nom tipus P.
Tant els dopants de tipus N com de tipus P, fins i tot en petites quantitats, fan d'un semiconductor un conductor decent. Tanmateix, els semiconductors de tipus N i de tipus P no són especials i només són conductors decents. Quan aquests tipus es posen en contacte entre si, formant una unió P-N, un semiconductor obté comportaments diferents i útils.
El díode d'unió P-N
Una unió P-N, a diferència de cada material per separat, no actua com un conductor. En lloc de permetre que el corrent flueixi en qualsevol direcció, una unió P-N permet que el corrent flueixi en una sola direcció, creant un díode bàsic.
L'aplicació d'una tensió a través d'una unió P-N en la direcció cap endavant (biaix cap endavant) ajuda els electrons de la regió de tipus N a combinar-se amb els forats de la regió de tipus P. Intentar invertir el flux de corrent (polarització inversa) a través del díode obliga els electrons i els forats a separar-se, cosa que impedeix que el corrent flueixi per la unió. La combinació d'unions P-N d' altres maneres obre les portes a altres components semiconductors, com ara el transistor.
Transistors
Un transistor bàsic està fet de la combinació de la unió de tres materials de tipus N i tipus P en lloc dels dos utilitzats en un díode. La combinació d'aquests materials produeix els transistors NPN i PNP, que es coneixen com a transistors d'unió bipolar (BJT). La regió central, o base, BJT permet que el transistor actuï com a interruptor o amplificador.
Els transistors NPN i PNP semblen dos díodes col·locats esquena, cosa que impedeix que tot el corrent flueixi en qualsevol direcció. Quan la capa central està esbiaixada cap endavant de manera que un petit corrent flueixi per la capa central, les propietats del díode format amb la capa central canvien per permetre que un corrent més gran flueixi per tot el dispositiu. Aquest comportament dóna a un transistor la capacitat d'amplificar petits corrents i actuar com un interruptor que activa o desactiva una font de corrent.
Molts tipus de transistors i altres dispositius semiconductors resulten de la combinació d'unions P-N de diverses maneres, des de transistors avançats amb funcions especials fins a díodes controlats. A continuació es mostren alguns dels components fets a partir de combinacions acurades d'unions P-N:
- DIAC
- Díode làser
- Díode emissor de llum (LED)
- Díode Zener
- Transistor de Darlington
- Transistor d'efecte de camp (inclosos els MOSFET)
- transistor IGBT
- Rectificador controlat de silicona
- Circuit integrat
- Microprocessador
- Memòria digital (RAM i ROM)
Sensors
A més del control actual que permeten els semiconductors, els semiconductors també tenen propietats que fan que els sensors siguin efectius. Es poden fer que siguin sensibles als canvis de temperatura, pressió i llum. Un canvi de resistència és el tipus de resposta més comú per a un sensor semiconductor.
Els tipus de sensors possibles gràcies a les propietats dels semiconductors inclouen:
- Sensor d'efecte Hall (sensor de camp magnètic)
- Termistor (sensor de temperatura resistiu)
- CCD/CMOS (sensor d'imatge)
- Fotodíode (sensor de llum)
- Fotoresistor (sensor de llum)
- Piezoresistiu (sensors de pressió/deformació)
