Ang modernong teknolohiya ay naging posible dahil sa isang klase ng mga materyales na tinatawag na semiconductors. Lahat ng aktibong bahagi, integrated circuit, microchip, transistor, at maraming sensor ay binuo gamit ang mga semiconductor na materyales.
Habang ang silicon ang pinakamalawak na ginagamit na materyal na semiconductor sa electronics, isang hanay ng mga semiconductors ang ginagamit, kabilang ang germanium, gallium arsenide, silicon carbide, at organic semiconductors. Ang bawat materyal ay may mga pakinabang gaya ng cost-to-performance ratio, high-speed operation, high-temperature tolerance, o ang gustong tugon sa isang signal.
Mga Semiconductor
Ang mga semiconductor ay kapaki-pakinabang dahil kinokontrol ng mga inhinyero ang mga katangian at gawi ng kuryente sa panahon ng proseso ng pagmamanupaktura. Ang mga katangian ng semiconductor ay kinokontrol sa pamamagitan ng pagdaragdag ng maliit na halaga ng mga impurities sa semiconductor sa pamamagitan ng prosesong tinatawag na doping. Ang iba't ibang mga dumi at konsentrasyon ay gumagawa ng iba't ibang epekto. Sa pamamagitan ng pagkontrol sa doping, makokontrol ang paraan ng paggalaw ng kuryente sa isang semiconductor.
Sa isang karaniwang konduktor, tulad ng tanso, ang mga electron ang nagdadala ng agos at nagsisilbing tagadala ng singil. Sa mga semiconductor, ang parehong mga electron at butas (ang kawalan ng isang elektron) ay gumaganap bilang mga tagadala ng singil. Sa pamamagitan ng pagkontrol sa doping ng semiconductor, ang conductivity at ang charge carrier ay iniakma upang maging electron o hole based.
Mayroong dalawang uri ng doping:
- Ang N-type na dopants, karaniwang phosphorus o arsenic, ay may limang electron, na, kapag idinagdag sa isang semiconductor, ay nagbibigay ng dagdag na libreng electron. Dahil ang mga electron ay may negatibong singil, ang isang materyal na na-doped sa ganitong paraan ay tinatawag na N-type.
- Ang P-type na dopant, gaya ng boron at gallium, ay may tatlong electron, na nagreresulta sa kawalan ng electron sa semiconductor crystal. Lumilikha ito ng butas o positive charge, kaya tinawag itong P-type.
Parehong N-type at P-type na dopant, kahit na sa maliit na dami, ay ginagawang isang disenteng conductor ang semiconductor. Gayunpaman, ang N-type at P-type na semiconductors ay hindi espesyal at disenteng conductor lamang. Kapag ang mga uri na ito ay inilagay sa pakikipag-ugnayan sa isa't isa, na bumubuo ng isang P-N junction, ang isang semiconductor ay nakakakuha ng iba't ibang at kapaki-pakinabang na pag-uugali.
Ang P-N Junction Diode
Ang isang P-N junction, hindi katulad ng bawat materyal na magkahiwalay, ay hindi kumikilos na parang konduktor. Sa halip na hayaang dumaloy ang current sa alinmang direksyon, pinapayagan ng P-N junction na dumaloy ang current sa isang direksyon lang, na lumilikha ng basic diode.
Ang paglalagay ng boltahe sa isang P-N junction sa direksyong pasulong (forward bias) ay tumutulong sa mga electron sa rehiyong N-type na pagsamahin sa mga butas sa rehiyong P-type. Ang pagtatangka na baligtarin ang daloy ng kasalukuyang (reverse bias) sa pamamagitan ng diode ay pinipilit ang mga electron at mga butas na magkahiwalay, na pumipigil sa kasalukuyang daloy sa junction. Ang pagsasama-sama ng mga P-N junction sa ibang mga paraan ay magbubukas ng mga pinto sa iba pang mga bahagi ng semiconductor, gaya ng transistor.
Transistors
Ang pangunahing transistor ay ginawa mula sa kumbinasyon ng junction ng tatlong N-type at P-type na materyales kaysa sa dalawang ginamit sa isang diode. Ang pagsasama-sama ng mga materyales na ito ay magbubunga ng NPN at PNP transistors, na kilala bilang bipolar junction transistors (BJT). Ang center, o base, region na BJT ay nagbibigay-daan sa transistor na kumilos bilang switch o amplifier.
Ang NPN at PNP transistor ay parang dalawang diode na inilagay pabalik-balik, na humaharang sa lahat ng kasalukuyang daloy sa alinmang direksyon. Kapag ang center layer ay forward biased upang ang isang maliit na kasalukuyang dumadaloy sa gitnang layer, ang mga katangian ng diode na nabuo sa gitnang layer ay nagbabago upang payagan ang isang mas malaking kasalukuyang dumaloy sa buong device. Ang gawi na ito ay nagbibigay sa isang transistor ng kakayahan na palakasin ang maliliit na agos at kumilos bilang switch na nag-o-on o nag-o-off sa kasalukuyang pinagmumulan.
Maraming uri ng transistor at iba pang semiconductor device ang nagreresulta mula sa pagsasama-sama ng mga P-N junction sa ilang paraan, mula sa advanced, mga espesyal na function na transistor hanggang sa mga kinokontrol na diode. Ang mga sumusunod ay ilan sa mga bahaging ginawa mula sa maingat na kumbinasyon ng mga junction ng P-N:
- DIAC
- Laser diode
- Light-emitting diode (LED)
- Zener diode
- Darlington transistor
- Field-effect transistor (kabilang ang mga MOSFET)
- IGBT transistor
- Silicon controlled rectifier
- Integrated circuit
- Microprocessor
- Digital memory (RAM at ROM)
Sensors
Bilang karagdagan sa kasalukuyang kontrol na pinapayagan ng mga semiconductors, mayroon ding mga katangian ang mga semiconductor na gumagawa para sa mga epektibong sensor. Ang mga ito ay maaaring gawing sensitibo sa mga pagbabago sa temperatura, presyon, at liwanag. Ang pagbabago sa resistensya ay ang pinakakaraniwang uri ng pagtugon para sa isang semiconductive sensor.
Ang mga uri ng sensor na ginawang posible ng mga katangian ng semiconductor ay kinabibilangan ng:
- Hall effect sensor (magnetic field sensor)
- Thermistor (resistive temperature sensor)
- CCD/CMOS (image sensor)
- Photodiode (light sensor)
- Photoresistor (light sensor)
- Piezoresistive (mga sensor ng presyon/strain)
