現代の技術は、半導体と呼ばれるクラスの材料のおかげで可能になりました。すべてのアクティブコンポーネント、集積回路、マイクロチップ、トランジスタ、および多くのセンサは、半導体材料で構築されています。シリコンはエレクトロニクスで最も広く使用され、最もよく知られている半導体材料ですが、ゲルマニウム、ガリウムヒ素、シリコンカーバイド、有機半導体など幅広い半導体が使用されています。各材料は、コスト/性能比、高速動作、高温、または信号に対する所望の応答など、テーブルにある利点をもたらす。
半導体
半導体を非常に有用なものにするのは、製造プロセス中の電気的特性および挙動を正確に制御する能力である。半導体の特性は、ドーピングと呼ばれるプロセスによって半導体中に少量の不純物を添加することによって制御され、異なる不純物および濃度が異なる効果を生じる。ドーピングを制御することによって、電流が半導体を通過する方法を制御することができる。
銅のような典型的な導体では、電子は電流を運び、電荷キャリアとして働く。半導体では、電子と「ホール」の両方が電子の不存在であり、電荷キャリアとして働く。半導体のドーピングを制御することによって、導電率および電荷キャリアは、電子または正孔のいずれかになるように調整することができる。
ドーピングには、N型とP型の2種類があります。 N型ドーパント、典型的にはリンまたはヒ素は、5つの電子を有し、半導体に添加されると余分な自由電子を提供する。電子は負電荷を有するので、このようにドープされた材料はN型と呼ばれる。ホウ素およびガリウムのようなP型ドーパントは、半導体結晶中に電子が存在しない結果として3つの電子しか持たず、結果的に正孔または正電荷を生成するので、P型と呼ばれる。 N型ドーパントとP型ドーパントの両方は、たとえ微量であっても、半導体をまともな導体にする。しかし、N型とP型の半導体はそれほど特別な導体ではありません。しかし、それらをお互いに接触させてP-N接合を形成すると、非常に異なる非常に有用な挙動を得ることができます。
P-N接合ダイオード
P-N接合は、それぞれの材料とは異なり、導体のようには機能しません。どちらの方向にも電流を流すのではなく、P-N接合は電流を一方向に流すだけで基本ダイオードを作ります。順方向（順方向バイアス）のP-N接合間に電圧を印加すると、N型領域の電子がP型領域の正孔と結合するのに役立つ。ダイオードを通る電流の流れ（逆バイアス）を逆転させようとすると、電流が接合部を横切って流れないように電子と正孔が分離される。他の方法でP-N接合を組み合わせることにより、トランジスタなどの他の半導体部品への扉が開かれる。
トランジスタ
基本的なトランジスタは、ダイオードで使用される2つのN型とP型の材料の接合よりもむしろ3つのN型とP型の接合の組み合わせから作られる。これらの材料を組み合わせると、バイポーラ接合トランジスタまたはBJTとして知られているNPNおよびPNPトランジスタが得られます。中央またはベース領域BJTは、トランジスタがスイッチまたは増幅器として機能することを可能にする。
NPNトランジスタとPNPトランジスタは、背中合わせに配置された2つのダイオードのように見えるかもしれませんが、どちらの方向にもすべての電流が流れ込むのを妨げます。中心層が順方向バイアスされて、小さな電流が中心層を流れるとき、中央層で形成されたダイオードの特性が変化して、より大きな電流がデバイス全体に流れることを可能にする。この動作により、トランジスタは小さな電流を増幅し、電流源をオンまたはオフにするスイッチとして機能することができます。
高度な特殊機能トランジスタから制御されたダイオードまで、様々なタイプのP-N接合を組み合わせることによって、様々なタイプのトランジスタおよび他の半導体デバイスを作製することができる。以下は、P-N接合の慎重な組み合わせから作られたコンポーネントのほんの一部です。
- DIAC
- レーザーダイオード
- 発光ダイオード（LED）
- ツェナーダイオード
- ダーリントントランジスタ
- 電界効果トランジスタ、MOSFETを含む
- IGBTトランジスタ
- シリコン制御整流器（SCR）
- 集積回路（IC）
- マイクロプロセッサ
- デジタルメモリ - RAMとROM
センサ
半導体が許容する現在の制御に加えて、有効なセンサを作る特性も有する。それらは温度、圧力、光の変化に敏感になるようにすることができます。抵抗の変化は、半導電性センサの最も一般的な応答のタイプです。半導体特性によって可能にされたセンサのタイプのいくつかを以下に列挙する。
- ホール効果センサ（磁界センサ）
- サーミスタ（抵抗温度センサ）
- CCD / CMOS（イメージセンサ）
- フォトダイオード（光センサ）
- フォトレジスト（光センサ）
- ピエゾ抵抗（圧力/歪みセンサー）
