A tecnologia moderna é possível graças a uma classe de materiais chamados semicondutores. Todos os componentes ativos, circuitos integrados, microchips, transistores, bem como muitos sensores são construídos com materiais semicondutores. Enquanto o silício é o material semicondutor mais utilizado e mais amplamente utilizado na eletrônica, uma ampla gama de semicondutores é usada, incluindo germânio, arseneto de gálio, carboneto de silício, bem como semicondutores orgânicos. Cada material traz certas vantagens para a mesa, tais como relação custo / desempenho, operação de alta velocidade, alta temperatura ou a resposta desejada para um sinal.
Semicondutores
O que torna os semicondutores tão úteis é a capacidade de controlar com precisão suas propriedades elétricas e comportamento durante o processo de fabricação. As propriedades dos semicondutores são controladas pela adição de pequenas quantidades de impurezas no semicondutor através de um processo chamado doping, com diferentes impurezas e concentrações produzindo diferentes efeitos. Controlando a dopagem, o modo como uma corrente elétrica passa por um semicondutor pode ser controlado.
Em um condutor típico, como o cobre, os elétrons carregam a corrente e agem como o transportador de carga. Nos semicondutores, tanto os elétrons quanto os "buracos", a ausência de um elétron, atuam como portadores de carga. Ao controlar a dopagem do semicondutor, a condutividade e o portador de carga podem ser adaptados para serem baseados em elétrons ou em orifícios.
Existem dois tipos de doping, tipo N e tipo P. Dopantes do tipo N, tipicamente fósforo ou arsênico, possuem cinco elétrons, que quando adicionados a um semicondutor fornecem um elétron extra livre. Como os elétrons têm uma carga negativa, um material assim dopado é chamado de tipo-N. Os dopantes do tipo P, como o boro e o gálio, possuem apenas três elétrons que resultam na ausência de um elétron no cristal semicondutor, criando efetivamente um furo ou uma carga positiva, daí o nome tipo P. Os dopantes do tipo N e do tipo P, mesmo em pequenas quantidades, farão do semicondutor um condutor decente. No entanto, os semicondutores do tipo N e do tipo P não são muito especiais sozinhos, sendo apenas condutores decentes. No entanto, quando você os coloca em contato uns com os outros, formando uma junção P-N, você obtém alguns comportamentos muito diferentes e muito úteis.
O Diodo de Junção P-N
Uma junção P-N, diferentemente de cada material separadamente, não age como um condutor. Em vez de permitir que a corrente flua em qualquer direção, uma junção P-N apenas permite que a corrente flua em uma direção, criando um diodo básico. A aplicação de uma tensão através de uma junção P-N na direção para frente (polarização direta) ajuda os elétrons na região do tipo N a se combinarem com os orifícios na região do tipo P. A tentativa de inverter o fluxo de corrente (polarização reversa) através do diodo força os elétrons e os furos a se afastarem, impedindo que a corrente flua pela junção. Combinar as junções P-N de outras maneiras abre as portas para outros componentes semicondutores, como o transistor.
Transistores
Um transistor básico é feito a partir da combinação da junção de três materiais do tipo N e do tipo P, em vez dos dois usados em um diodo. A combinação desses materiais produz os transistores NPN e PNP, conhecidos como transistores de junção bipolar ou BJTs. O centro, ou base, região BJT permite que o transistor atue como um interruptor ou amplificador.
Enquanto os transistores NPN e PNP podem parecer com dois diodos colocados de costas, o que bloquearia toda a corrente de fluir em qualquer direção. Quando a camada central é polarizada para a frente de modo que uma pequena corrente flua através da camada central, as propriedades do diodo formado com a camada central mudam para permitir que uma corrente muito maior flua através do dispositivo inteiro. Esse comportamento dá a um transistor a capacidade de amplificar pequenas correntes e atuar como um interruptor que liga ou desliga uma fonte de corrente.
Uma variedade de tipos de transistores e outros dispositivos semicondutores pode ser feita combinando-se as junções P-N de várias maneiras, desde transistores avançados de funções especiais até diodos controlados. A seguir estão apenas alguns dos componentes feitos a partir de combinações cuidadosas de junções P-N.
- DIAC
- Diodo laser
- Diodo emissor de luz (LED)
- Diodo Zener
- Transistor de Darlington
- Transistor de efeito de campo, incluindo MOSFETs
- Transistor IGBT
- Retificador controlado por silício (SCR)
- Circuito Integrado (ICs)
- Microprocessador
- Memória Digital - RAM e ROM
Sensores
Além do controle atual que os semicondutores permitem, eles também têm propriedades que produzem sensores eficazes. Eles podem ser feitos para serem sensíveis a mudanças de temperatura, pressão e luz. Uma mudança na resistência é o tipo mais comum de resposta para um sensor semicondutor. Alguns dos tipos de sensores possibilitados pelas propriedades de semicondutores estão listados abaixo.
- Sensor de efeito Hall (sensor de campo magnético)
- Termistor (sensor de temperatura resistivo)
- CCD / CMOS (sensor de imagem)
- Fotodiodo (sensor de luz)
- Fotoresistor (sensor de luz)
- Piezoresistivo (sensores de pressão / deformação)
