半導體基礎知識
概觀
現代科技由於一類被稱為半導體的材料而成為可能。 所有有源元件，集成電路，微芯片，晶體管以及許多傳感器均採用半導體材料製造。 儘管矽是電子學中使用最廣泛和最著名的半導體材料，但使用了各種各樣的半導體，包括鍺，砷化鎵，碳化矽以及有機半導體。 每種材料都會為表格帶來某些優勢，例如成本/性能比，高速運行，高溫或對信號的期望響應。
半導體
使半導體如此有用的是在製造過程中精確控制其電性質和行為的能力。 通過稱為摻雜的工藝，通過在半導體中添加少量雜質來控制半導體特性，不同的雜質和濃度產生不同的影響。 通過控制摻雜，可以控制電流流過半導體的方式。
在像銅這樣的典型導體中，電子攜帶電流並充當電荷載體。 在半導體中，電子和'空穴'，缺少電子，充當電荷載體。 通過控制半導體的摻雜，可以使電導率和電荷載流子定制為基於電子或空穴的。
有兩種類型的摻雜，N型和P型。 典型的磷或砷的N型摻雜物具有五個電子，當添加到半導體時提供額外的自由電子。 由於電子具有負電荷，因此以這種方式摻雜的材料被稱為N型。 諸如硼和鎵的P型摻雜劑僅具有三個電子，這導致半導體晶體中不存在電子，從而有效地產生空穴或正電荷，因此稱為P型。 N型和P型摻雜劑即使在微量的情況下也會使半導體成為不錯的導體。 然而，N型和P型半導體本身並不是很特別，只是體面的導體。 然而，當你把它們放在一起時，形成一個PN結，你會得到一些非常不同和非常有用的行為。
PN結二極管
一個PN結，不同於每種材料分開，不像導體。 PN結只允許電流在一個方向上流動，而不是讓電流流向任何一個方向，從而形成一個基本的二極管。 在正向（正向偏壓）的PN結上施加電壓有助於N型區域中的電子與P型區域中的空穴結合。 試圖扭轉通過二極管的電流（反向偏壓）的流動迫使電子和空穴分開，這阻止電流流過結。 以其他方式組合PN結可打開其他半導體組件（如晶體管）的大門。
晶體管
一個基本的晶體管是由三種N型和P型材料的接點組合而成，而不是二極管中使用的兩種。 結合這些材料產生了被稱為雙極結晶體管或BJT的NPN和PNP晶體管。 中心或基極區域BJT允許晶體管充當開關或放大器。
雖然NPN和PNP晶體管可能看起來像背靠背放置的兩個二極管，這將阻止所有電流在任一方向流動。 當中心層正向偏置以使小電流流過中心層時，由中心層形成的二極管的性質改變，以允許大得多的電流流過整個器件。 這種行為賦予晶體管放大小電流的能力，並充當開啟或關閉電流源的開關。
多種類型的晶體管和其他半導體器件可以通過以多種方式組合PN結來製造，從先進的特殊功能晶體管到受控二極管。 以下僅是通過PN結的小心組合製造的一些組件。
- DIAC
- 激光二極管
- 發光二極管（LED）
- 齊納二極管
- 達林頓晶體管
- 場效應晶體管，包括MOSFET
- IGBT晶體管
- 可控矽整流器（SCR）
- 集成電路（IC）
- 微處理器
- 數字存儲器 - RAM和ROM
傳感器
除了半導體允許的電流控制之外，它們還具有可用於有效傳感器的特性。 它們可以對溫度，壓力和光線的變化敏感。 電阻變化是半導體傳感器最常見的響應類型。 下面列出了由半導體屬性製成的一些類型的傳感器。
- 霍爾效應傳感器（磁場傳感器）
- 熱敏電阻（電阻式溫度傳感器）
- CCD / CMOS（圖像傳感器）
- 光電二極管（光傳感器）
- 光敏電阻（光傳感器）
- 壓阻式（壓力/應變傳感器）