Kaasaegne tehnoloogia on võimalik tänu materjalide klassile, mida nimetatakse pooljuhtideks. Kõik aktiivsed komponendid, integraallülitused, mikrokiibid, transistorid ja paljud andurid on ehitatud pooljuhtmaterjalidest.
Kuigi räni on elektroonikas kõige laialdasem alt kasutatav pooljuhtmaterjal, kasutatakse mitmesuguseid pooljuhte, sealhulgas germaaniumi, galliumarseniidi, ränikarbiidi ja orgaanilisi pooljuhte. Igal materjalil on eelised, nagu kulu ja jõudluse suhe, kiire töö, kõrge temperatuuri taluvus või soovitud vastus signaalile.
Pooljuhid
Pooljuhid on kasulikud, kuna insenerid kontrollivad elektrilisi omadusi ja käitumist tootmisprotsessi ajal. Pooljuhtide omadusi kontrollitakse väikese koguse lisandite lisamisega pooljuhtidesse protsessi, mida nimetatakse dopinguks. Erinevad lisandid ja kontsentratsioonid avaldavad erinevat mõju. Dopingut kontrollides saab kontrollida elektrivoolu liikumist läbi pooljuhi.
Tüüpilises juhis, nagu vases, kannavad elektronid voolu ja toimivad laengukandjana. Pooljuhtides toimivad laengukandjatena nii elektronid kui ka augud (elektroni puudumine). Pooljuhi dopingu juhtimisega kohandatakse juhtivus ja laengukandja elektroni- või augupõhiseks.
Dopingut on kahte tüüpi:
- N-tüüpi lisanditel, tavaliselt fosforil või arseenil, on viis elektroni, mis pooljuhile lisamisel annavad täiendava vaba elektroni. Kuna elektronidel on negatiivne laeng, nimetatakse sel viisil legeeritud materjali N-tüüpi.
- P-tüüpi lisanditel, nagu boor ja gallium, on kolm elektroni, mille tulemuseks on elektroni puudumine pooljuhtkristallides. See loob augu või positiivse laengu, sellest ka nimi P-tüüp.
Nii N-tüüpi kui ka P-tüüpi lisandid, isegi väikestes kogustes, teevad pooljuhist korraliku juhi. N- ja P-tüüpi pooljuhid pole aga erilised ja on ainult korralikud juhid. Kui need tüübid asetatakse üksteisega kontakti, moodustades P-N-siirde, käitub pooljuht erinev alt ja kasulikult.
P-N-ühendusdiood
P-N-ristmik, erinev alt igast materjalist eraldi, ei toimi nagu juht. Selle asemel, et lasta voolul voolata kummaski suunas, võimaldab P-N-siire voolu voolata ainult ühes suunas, luues põhidioodi.
Pinge rakendamine P-N-siirdele edasisuunas (edasisuunaline bias) aitab N-tüüpi piirkonna elektronidel ühineda P-tüüpi piirkonna aukudega. Katse pöörata voolu voolu (vastupidine eelpinge) läbi dioodi sunnib elektronid ja augud lahku, mis takistab voolu liikumist üle ristmiku. P-N-siirde muul viisil kombineerimine avab uksed teistele pooljuhtkomponentidele, näiteks transistoridele.
Transistors
Põhitransistor on valmistatud pigem kolme N-tüüpi ja P-tüüpi materjali ristmike kombinatsioonist, mitte kahest, mida kasutatakse dioodides. Nende materjalide kombineerimisel saadakse NPN- ja PNP-transistorid, mida tuntakse bipolaarsete ristmiktransistoritena (BJT). Kesk- ehk baaspiirkond BJT võimaldab transistoril toimida lüliti või võimendina.
NPN- ja PNP-transistorid näevad välja nagu kaks dioodi, mis on paigutatud vastamisi, mis blokeerivad kogu voolu voolamise kummaski suunas. Kui keskkiht on ettepoole kallutatud, nii et väike vool voolab läbi keskkihi, muutuvad keskkihiga moodustatud dioodi omadused, võimaldades suuremal voolul läbida kogu seadme. See käitumine annab transistorile võime võimendada väikeseid voolusid ja toimida lülitina, mis lülitab vooluallika sisse või välja.
Paljud transistorite ja muude pooljuhtseadmete tüübid tulenevad P-N-siirde kombineerimisest mitmel viisil, alates täiustatud erifunktsiooniga transistoridest kuni juhitavate dioodideni. Järgmised on mõned komponendid, mis on valmistatud P-N-ristmike hoolika kombinatsiooniga:
- DIAC
- Laserdiood
- Light-emitting diode (LED)
- Zeneri diood
- Darlingtoni transistor
- Väljatransistor (sh MOSFET-id)
- IGBT-transistor
- Räni juhitav alaldi
- Integreeritud ahel
- Mikroprotsessor
- Digitaalne mälu (RAM ja ROM)
Andurid
Lisaks praegusele juhtimisele, mida pooljuhid võimaldavad, on pooljuhtidel ka omadusi, mis muudavad andurid tõhusaks. Neid saab muuta temperatuuri, rõhu ja valguse muutuste suhtes tundlikuks. Takistuse muutus on pooljuhtanduri kõige levinum reaktsioonitüüp.
Pooljuhtide omadustest tulenevad andurite tüübid on järgmised:
- Halli efekti andur (magnetväljaandur)
- Termistor (takistuslik temperatuuriandur)
- CCD/CMOS (pildisensor)
- Fotodiood (valgusandur)
- Fototakisti (valgusandur)
- Piezoresistiivne (rõhu-/pingeandurid)
