เทคโนโลยีสมัยใหม่เกิดขึ้นได้เพราะวัสดุประเภทหนึ่งที่เรียกว่าเซมิคอนดักเตอร์ ส่วนประกอบที่ใช้งาน วงจรรวม ไมโครชิป ทรานซิสเตอร์ และเซ็นเซอร์จำนวนมากทั้งหมดสร้างขึ้นด้วยวัสดุเซมิคอนดักเตอร์
ในขณะที่ซิลิกอนเป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ แต่ก็มีการใช้เซมิคอนดักเตอร์หลายประเภท เช่น เจอร์เมเนียม แกลเลียม อาร์เซไนด์ ซิลิกอนคาร์ไบด์ และเซมิคอนดักเตอร์อินทรีย์ วัสดุแต่ละชนิดมีข้อดี เช่น อัตราส่วนต้นทุนต่อประสิทธิภาพ การทำงานด้วยความเร็วสูง ความทนทานต่ออุณหภูมิสูง หรือการตอบสนองต่อสัญญาณที่ต้องการ
เซมิคอนดักเตอร์
เซมิคอนดักเตอร์มีประโยชน์เพราะวิศวกรควบคุมคุณสมบัติทางไฟฟ้าและพฤติกรรมในระหว่างกระบวนการผลิต คุณสมบัติของเซมิคอนดักเตอร์ถูกควบคุมโดยการเพิ่มสิ่งเจือปนจำนวนเล็กน้อยในเซมิคอนดักเตอร์ผ่านกระบวนการที่เรียกว่ายาสลบ สิ่งเจือปนและความเข้มข้นต่างกันสร้างผลกระทบที่แตกต่างกัน โดยการควบคุมยาสลบ สามารถควบคุมวิธีที่กระแสไฟฟ้าเคลื่อนผ่านเซมิคอนดักเตอร์ได้
ในตัวนำทั่วไป เช่น ทองแดง อิเล็กตรอนจะนำกระแสไฟฟ้าและทำหน้าที่เป็นตัวพาประจุ ในเซมิคอนดักเตอร์ ทั้งอิเล็กตรอนและรู (การไม่มีอิเล็กตรอน) ทำหน้าที่เป็นตัวพาประจุ โดยการควบคุมสารเติมแต่งของเซมิคอนดักเตอร์ การนำไฟฟ้าและตัวพาประจุจะถูกปรับแต่งให้เป็นแบบอิเล็กตรอนหรือแบบรู
ยาสลบมีสองประเภท:
- สารเจือปนชนิด N ซึ่งปกติคือฟอสฟอรัสหรือสารหนู มีอิเล็กตรอน 5 ตัว ซึ่งเมื่อเติมลงในเซมิคอนดักเตอร์ จะให้อิเล็กตรอนอิสระเพิ่มเติม เนื่องจากอิเล็กตรอนมีประจุเป็นลบ สารเจือด้วยวิธีนี้จึงเรียกว่า N-type
- สารเจือปนชนิด P เช่น โบรอนและแกลเลียม มีอิเล็กตรอนสามตัว ซึ่งส่งผลให้ไม่มีอิเล็กตรอนในผลึกเซมิคอนดักเตอร์ ทำให้เกิดหลุมหรือประจุบวก ดังนั้นชื่อประเภท P
สารเจือปนชนิด N และชนิด P แม้ในปริมาณที่น้อย ก็ทำให้เซมิคอนดักเตอร์เป็นตัวนำที่ดีได้ อย่างไรก็ตาม เซมิคอนดักเตอร์ชนิด N และชนิด P ไม่ได้มีลักษณะพิเศษและเป็นตัวนำที่เหมาะสมเท่านั้น เมื่อประเภทเหล่านี้สัมผัสกัน ทำให้เกิดทางแยก P-N เซมิคอนดักเตอร์จะมีพฤติกรรมที่เป็นประโยชน์และแตกต่างออกไป
ไดโอดชุมทาง P-N
A ทางแยก P-N ไม่เหมือนวัสดุแต่ละอย่างแยกจากกัน ไม่ทำตัวเป็นตัวนำ แทนที่จะให้กระแสไหลในทิศทางใดทิศทางหนึ่ง จุดเชื่อมต่อ P-N จะยอมให้กระแสไหลในทิศทางเดียวเท่านั้น ทำให้เกิดไดโอดพื้นฐาน
การใช้แรงดันไฟฟ้าข้ามทางแยก P-N ในทิศทางไปข้างหน้า (อคติไปข้างหน้า) ช่วยให้อิเล็กตรอนในบริเวณประเภท N รวมกับรูในบริเวณประเภท Pความพยายามที่จะย้อนกลับการไหลของกระแส (อคติแบบย้อนกลับ) ผ่านไดโอดจะบังคับให้อิเล็กตรอนและรูแยกออกจากกัน ซึ่งจะป้องกันไม่ให้กระแสไหลผ่านทางแยก การรวมทางแยก P-N ด้วยวิธีอื่นจะเปิดประตูสู่ส่วนประกอบเซมิคอนดักเตอร์อื่นๆ เช่น ทรานซิสเตอร์
ทรานซิสเตอร์
ทรานซิสเตอร์พื้นฐานทำจากการรวมกันของวัสดุชนิด N และชนิด P สามชนิด แทนที่จะเป็นสองชนิดที่ใช้ในไดโอด การรวมวัสดุเหล่านี้จะทำให้ทรานซิสเตอร์ NPN และ PNP ซึ่งเรียกว่าทรานซิสเตอร์สองขั้วทางแยก (BJT) ศูนย์กลางหรือฐานของภูมิภาค BJT อนุญาตให้ทรานซิสเตอร์ทำหน้าที่เป็นสวิตช์หรือเครื่องขยายเสียง
ทรานซิสเตอร์ NPN และ PNP ดูเหมือนไดโอดสองตัวที่วางอยู่ด้านหลัง ซึ่งบล็อกกระแสทั้งหมดไม่ให้ไหลในทิศทางใดทิศทางหนึ่ง เมื่อชั้นกลางมีความเอนเอียงไปข้างหน้าเพื่อให้กระแสไฟขนาดเล็กไหลผ่านชั้นกลาง คุณสมบัติของไดโอดที่เกิดขึ้นจากชั้นกลางจะเปลี่ยนไปเพื่อให้กระแสขนาดใหญ่ไหลผ่านอุปกรณ์ทั้งหมดลักษณะการทำงานนี้ทำให้ทรานซิสเตอร์มีความสามารถในการขยายกระแสขนาดเล็กและทำหน้าที่เป็นสวิตช์ที่เปิดหรือปิดแหล่งจ่ายกระแสไฟ
ทรานซิสเตอร์หลายประเภทและอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์อื่นๆ เป็นผลมาจากการรวมทางแยก P-N ในหลาย ๆ ทาง ตั้งแต่ทรานซิสเตอร์ขั้นสูงที่มีฟังก์ชันพิเศษไปจนถึงไดโอดควบคุม ต่อไปนี้เป็นส่วนประกอบบางส่วนที่ทำขึ้นจากการรวมทางแยก P-N อย่างระมัดระวัง:
- DIAC
- เลเซอร์ไดโอด
- Light-emitting diode (LED)
- ซีเนอร์ไดโอด
- ดาร์ลิงตันทรานซิสเตอร์
- ทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนาม (รวมถึง MOSFET)
- ทรานซิสเตอร์ IGBT
- วงจรเรียงกระแสควบคุมด้วยซิลิคอน
- วงจรรวม
- ไมโครโปรเซสเซอร์
- หน่วยความจำดิจิตอล (RAM และ ROM)
เซ็นเซอร์
นอกเหนือจากการควบคุมปัจจุบันที่เซมิคอนดักเตอร์อนุญาต เซมิคอนดักเตอร์ยังมีคุณสมบัติที่ทำให้เซ็นเซอร์มีประสิทธิภาพอีกด้วยสิ่งเหล่านี้สามารถทำให้ไวต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ความดัน และแสง การเปลี่ยนแปลงความต้านทานเป็นประเภทการตอบสนองที่พบบ่อยที่สุดสำหรับเซ็นเซอร์สารกึ่งตัวนำ
ประเภทของเซ็นเซอร์ที่เกิดจากคุณสมบัติของเซมิคอนดักเตอร์ ได้แก่:
- เซ็นเซอร์เอฟเฟกต์ฮอลล์ (เซ็นเซอร์สนามแม่เหล็ก)
- เทอร์มิสเตอร์ (เซ็นเซอร์อุณหภูมิตัวต้านทาน)
- CCD/CMOS (เซ็นเซอร์ภาพ)
- โฟโตไดโอด (เซ็นเซอร์แสง)
- โฟโตรีซีสเตอร์ (เซ็นเซอร์วัดแสง)
- Piezoresistive (เซ็นเซอร์ความดัน/ความเครียด)