Puolijohde

Puolijohde on materiaali, joka johtaa sähköä paremmin kuin eriste, mutta huonommin kuin metallit.[1] Se on materiaali, jonka valenssivyön ja johtavuusvyön välinen energiaero (noin 1 eV)[2] on huomattavasti pienempi kuin eristeillä, mikä helpottaa elektronin siirtymistä vyöltä toiselle.[3]

Puolijohteita ovat puolimetalleiksi luokitellut alkuaineet ja useat niitä sisältävät yhdisteet. Teknisesti tärkeimmät puolijohteet ovat pii, germanium sekä jaksollisen järjestelmän III ja V ryhmän alkuaineiden yhdisteet (III-V -puolijohteet) kuten galliumarsenidi.

Historia

Varhainen puolijohteiden käyttö oli Jagadis Chandra Bosen vuonna 1901 patentoima "kissanviiksi" tasasuuntaaja radiosignaalien ilmaisemiseen kidekoneessa[4].[5] Kesti kuitenkin pitkään ennen kuin tyydyttävä selitys ilmiölle saatiin.[6]

Merkitys

Puolijohteet ovat nykyaikaisen elektroniikan perusta. Puolijohdekomponenteilla on joukko hyödyllisiä ominaisuuksia, kuten sähkövirran päästäminen läpi helpommin toiseen suuntaan, muutettavissa oleva virranvastus ja mahdollisuus vaikuttaa niiden ominaisuuksiin valolla ja lämmöllä. Koska puolijohdemateriaalien sähköisiä ominaisuuksia voidaan muuttaa lisäämällä joukkoon sopivia määriä epäpuhtauksia tai sähkökentällä tai valolla, puolijohdekomponentteja voidaan käyttää vahvistimissa, kytkimissä ja energian muuntimissa.

Osa puolijohteiden ominaisuuksista havaittiin jo 1800-luvun loppupuoliskolla. Löydökset kvanttifysiikassa puolestaan kulminoituivat transistorin keksimiseen 1947.

Puolijohteiden ominaisuuksien nykyinen ymmärrys turvautuu kvanttifysiikkaan, selittääkseen elektronien ja aukkojen liikkeen kiderakenteessa. Lisääntynyt ymmärrys puolijohdemateriaaleista ja valmistustavoista on mahdollistanut mikroprosessoreiden ja muistien nopeuden ja monimutkaisuuden jatkuvan kasvattamisen.

Puolijohteen toimintaperiaate

Kiinteässä aineessa elektronit voivat olla joko valenssivyöllä tai johtavuusvyöllä. Näiden välissä on niin sanottu kielletty energiavyö, jossa elektronit eivät voi olla. Sähkövirran kuljetukseen osallistuvat vain elektronit, jotka ovat vajaasti täytetyllä vyöllä. Jos valenssivyö on täynnä, virtaa kuljettavat vain johtavuusvyöllä olevat elektronit.

Puolijohteessa johtavuusvyö kylmässä on tyhjä, joten matalissa lämpötiloissa puolijohde toimii eristeenä, mutta huoneenlämmössä lämpövärähtelyt nostavat elektroneja valenssivyöstä johtavuusvyöhön ja puolijohde toimii johteena.

Puolijohteen sähkönjohtavuutta voidaan muuttaa lisäämällä siihen epäpuhtauksia douppauksella.[3] Nämä epäpuhtaudet lisäävät joko elektronien (elektronien ylimäärää) tai elektroniaukkojen (elektronien vajausta) määrää. Näitä kutsutaan n- ja p-tyypeiksi.

Kielletty energiavyö[7] (engl. band gap) viittaa energiaeroon, joka tarvitaan jotta aineesta tulee sähköä johtavaa ja sallii elektronien kulkea läpi.[8][9] Ääripäissä johtavilla aineilla ei ole eroa, kun taas eristeillä ero on mahdoton ylittää.[8] Puolijohteilla on pieni ero välissä, joka on mahdollista ylittää kun tarpeeksi energiaa käytetään.[8]

Puolijohdetyypit ja -komponentit

N-tyyppisiä puolijohteita saadaan seostamalla rakenteeseen atomeja (esimerkiksi arseenia, As), joilla on enemmän valenssielektroneja kuin isäntäatomeilla (tässä Si). Tällöin ylimääräiset elektronit voivat johtaa sähköä.

P-tyyppinen puolijohde saadaan lisäämällä rakenteeseen atomeja (esimerkiksi booria, B), jolla on vähemmän valenssielektroneja kuin isäntäatomeilla (tässä Si). Tällöin muodostuvat positiiviset aukot toimivat varauksenkuljettajina. Piissä aukoilla on varauksenkuljettajina huonompi liikkuvuus kuin elektroneilla.

Yhdistepuolijohteet ovat kahden tai useamman alkuaineen yhdisteitä, jotka yhdessä toimivat puolijohteena. Niitä käytetään usein LEDeissä, koska niillä on mahdollista tuottaa ihmissilmälle näkyvän valon aallonpituuksia. Joistakin yhdistelmäpuolijohteista pystyy valmistamaan pii- ja germaniumpuolijohteita nopeampia transistoreita. Esimerkiksi galliumarsenidi, galliumarsenidifosfidi, galliumfosfidi, galliumantimonidi, indiumarsenidi, indiumfosfidi ja indiumantimonidi ovat yhdistepuolijohteita.

Galliumnitridi (GaN) ja galliumarsenidi (GaAs) puolijohteita käytetään korkean energian laitteissa kuten tutkajärjestelmissä.[8] Galliumarsenidilla on normaalilämpötiloissa korkeampi kielletty energiavyö kuin piillä, joka on merkittävää tietyissä sovelluskohteissa, koska se voi käsitellä korkeampaa energiaa ja silti toimia eristeenä.[8]

Piikarbidi-yhdistettä tutkitaan optisen sirun materiaalina sen parempien lämpö-, sähkö- ja mekaanisien ominaisuuksien johdosta.[10]

Puolijohdekomponentteja ovat: diodi, LED (valodiodi), transistori, tyristori, mikropiiri, diac, triac, aurinkokenno

Katso myös

Lähteet
  1. Rolf Enderlein & Norman J. M. Horing: Fundamentals Of Semiconductor Physics And Devices, s. 1. World Scientific, 1997. ISBN 9789810223878. (englanniksi)
  2. Alan Owens: Compound Semiconductor Radiation Detectors, s. 6. CRC Press, 2012. ISBN 9781439873120. (englanniksi)
  3. Juha Aaltonen & Seppo Kousa & Jyrki Stor-Pellinen: Elektroniikan perusteet, s. 48. Limes ry, 1999. ISBN 9517451822.
  4. R. Shaw: The cat's-whisker detector v14.rileyjshaw.com. Viitattu 23.10.2021. (englanniksi)
  5. 1901: Semiconductor Rectifiers Patented as "Cat's Whisker" Detectors computerhistory.org. Viitattu 23.10.2021. (englanniksi)
  6. 1931: "The Theory Of Electronic Semi-Conductors" is Published computerhistory.org. Viitattu 23.10.2021. (englanniksi)
  7. https://termipankki.fi/tepa/en/search/energiavy%C3%B6
  8. Sean Gallagher: A reprieve for Moore’s law: milspec chip writes computing’s next chapter Ars Technica. Viitattu 11.2.2020. (englanniksi)
  9. Band Theory of Solids hyperphysics.phy-astr.gsu.edu. Viitattu 24.10.2021. (englanniksi)
  10. Tunable optical chip paves way for new quantum devices phys.org. 2.10.2019. Viitattu 11.2.2020. (englanniksi)

    Aiheesta muualla
    This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.