Dasar-Dasar Semikonduktor
Ikhtisar
Teknologi modern dimungkinkan berkat kelas material yang disebut semikonduktor. Semua komponen aktif, sirkuit terpadu, microchip, transistor, serta banyak sensor dibangun dengan bahan semikonduktor. Sementara silikon adalah bahan semikonduktor yang paling banyak digunakan dan paling terkenal digunakan dalam elektronik, berbagai semikonduktor digunakan termasuk Germanium, Gallium Arsenide, Silicon Carbide, serta semikonduktor organik. Setiap material membawa keuntungan tertentu ke meja seperti rasio biaya / kinerja, operasi kecepatan tinggi, suhu tinggi, atau respons yang diinginkan terhadap sinyal.
Semikonduktor
Apa yang membuat semikonduktor sangat berguna adalah kemampuan untuk secara tepat mengendalikan sifat dan perilaku listrik mereka selama proses pembuatan. Sifat semikonduktor dikendalikan dengan menambahkan sejumlah kecil kotoran di semikonduktor melalui proses yang disebut doping, dengan kotoran dan konsentrasi yang berbeda menghasilkan efek yang berbeda. Dengan mengendalikan doping, cara arus listrik bergerak melalui semikonduktor dapat dikendalikan.
Dalam konduktor yang khas, seperti tembaga, elektron membawa arus dan bertindak sebagai pembawa muatan. Dalam semikonduktor baik elektron dan 'lubang,' ketiadaan elektron, bertindak sebagai pembawa muatan. Dengan mengendalikan doping semikonduktor, konduktivitas, dan pembawa muatan dapat disesuaikan menjadi elektron atau lubang berbasis.
Ada dua jenis doping, tipe-N, dan tipe-P. Dopan tipe-N, biasanya fosfor atau arsenik, memiliki lima elektron, yang bila ditambahkan ke semikonduktor memberikan elektron bebas ekstra. Karena elektron memiliki muatan negatif, bahan yang didoping dengan cara ini disebut tipe-N. Dopan tipe-P, seperti boron dan galium, hanya memiliki tiga elektron yang mengakibatkan tidak adanya elektron dalam kristal semikonduktor, secara efektif menciptakan lubang atau muatan positif, maka nama P-type. Baik tipe-N dan tipe-P dopan, bahkan dalam jumlah kecil, akan membuat semikonduktor menjadi konduktor yang baik. Namun, semikonduktor tipe-N dan tipe-P tidak terlalu istimewa, hanya sebagai konduktor yang layak. Namun, ketika Anda menempatkan mereka dalam kontak satu sama lain, membentuk persimpangan PN, Anda mendapatkan perilaku yang sangat berbeda dan sangat berguna.
PN Junction Diode
Persimpangan PN, tidak seperti masing-masing material secara terpisah, tidak bertindak seperti konduktor. Daripada membiarkan arus mengalir ke kedua arah, persimpangan PN hanya memungkinkan arus mengalir ke satu arah, menciptakan dioda dasar. Menerapkan tegangan pada persimpangan PN ke arah depan (bias maju) membantu elektron di wilayah tipe-N bergabung dengan lubang di daerah tipe-P. Berupaya membalikkan arus arus (bias balik) melalui dioda memaksa elektron dan lubang terpisah yang mencegah arus mengalir melintasi persimpangan. Menggabungkan persimpangan PN dengan cara lain membuka pintu ke komponen semikonduktor lainnya, seperti transistor.
Transistor
Transistor dasar terbuat dari kombinasi persimpangan tiga tipe-N dan tipe-P material daripada dua yang digunakan dalam dioda. Menggabungkan bahan-bahan ini menghasilkan transistor NPN dan PNP yang dikenal sebagai transistor bipolar persimpangan atau BJTs. Pusat, atau basis, wilayah BJT memungkinkan transistor bertindak sebagai switch atau amplifier.
Sementara NPN dan PNP transistor mungkin terlihat seperti dua dioda yang ditempatkan kembali ke belakang, yang akan memblokir semua arus dari yang mengalir ke arah manapun. Ketika lapisan tengah bias ke depan sehingga arus kecil mengalir melalui lapisan tengah, sifat-sifat dioda terbentuk dengan perubahan lapisan pusat untuk memungkinkan arus yang jauh lebih besar mengalir di seluruh perangkat. Perilaku ini memberi transistor kemampuan untuk menguatkan arus kecil dan bertindak sebagai saklar memutar sumber arus menjadi aktif atau nonaktif.
Berbagai jenis transistor dan perangkat semikonduktor lainnya dapat dibuat dengan menggabungkan sambungan PN dalam beberapa cara, dari transistor fungsi khusus yang canggih hingga dioda terkontrol. Berikut ini adalah beberapa komponen yang dibuat dari kombinasi kombinasi PN secara hati-hati.
- DIAC
- Dioda laser
- Light-emitting diode (LED)
- Zener diode
- Transistor Darlington
- Transistor medan-efek, termasuk MOSFET
- Transistor IGBT
- Penyearah terkendali silikon (SCR)
- Sirkuit Terpadu (IC)
- Mikroprosesor
- Memori Digital - RAM dan ROM
Sensor
Selain kontrol saat ini yang memungkinkan semikonduktor, mereka juga memiliki properti yang membuat sensor yang efektif. Mereka dapat dibuat sensitif terhadap perubahan suhu, tekanan, dan cahaya. Perubahan resistensi adalah jenis respons yang paling umum untuk sensor semi-konduktif. Beberapa jenis sensor yang dimungkinkan oleh sifat semikonduktor tercantum di bawah ini.
- Sensor efek hall (sensor medan magnet)
- Thermistor (sensor suhu resistif)
- CCD / CMOS (sensor gambar)
- Photodiode (sensor cahaya)
- Photoresistor (sensor cahaya)
- Piezoresistive (sensor tekanan / regangan)