Puolijohde – mitä se on ja miten se toimii elektroniikassa

Puolijohde on materiaali, joka joissakin tapauksissa johtaa sähköä mutta toisissa ei. Hyvät sähköä johtavat aineet, kuten kupari tai hopea, päästävät sähkön helposti virtaamaan niiden läpi. Materiaaleja, jotka estävät sähkön kulun, kuten kumia tai muovia, kutsutaan eristeiksi. Eristeitä käytetään usein suojaamaan ihmisiä sähköiskuilta. Kuten nimikin kertoo, puolijohde ei johda yhtä hyvin kuin johdin. Pii on käytetyin puolijohde, mutta myös galliumarsenidia käytetään.

Lisäämällä eri atomeja puolijohteen kideristikkoon (ristikkoon) se muuttaa sen johtavuutta tekemällä n- ja p-tyypin puolijohteita. Pii on tärkein kaupallinen puolijohde, vaikka monia muitakin puolijohteita käytetään. Niistä voidaan tehdä transistoreja, jotka ovat pieniä vahvistimia. Transistoreja käytetään tietokoneissa, matkapuhelimissa, digitaalisissa audiosoittimissa ja monissa muissa elektronisissa laitteissa.

Kuten muissakin kiinteissä aineissa, myös puolijohteiden elektroneilla voi olla energiaa vain tietyillä kaistoilla (eli energiatasojen välillä), jotka ovat perustilan energian, joka vastaa materiaalin atomiytimiin tiukasti sidottuja elektroneja, ja vapaan elektronin energian välillä, joka on energia, joka tarvitaan, jotta elektroni voi poistua kokonaan materiaalista.

Miten puolijohde toimii — energiakaistat ja varauksenkuljettajat

Puolijohteissa tärkeä käsite on energiakaista. Kahden tärkeimmän kaistan nimiä ovat valenssikaista (täynnä sidottuja elektroneja) ja johtavuuskaista (jossa vapaat elektronit voivat liikkua ja johtaa sähköä). Näiden kaistojen välinen erotus on kaistaväli (band gap). Puolijohteilla kaistaväli on riittävän pieni, että lämpö tai valon fotonit voivat siirtää elektroneja valenssikaistasta johtavuuskaistaan, mutta riittävän suuri, ettei materiaali käyttäydy kuten metalli.

Kun elektroni siirtyy valenssikaistasta johtavuuskaistaan, sen paikalle jää positiivinen varauspuutos, jota kutsutaan aukoksi (hole). Aukot käyttäytyvät kuin positiiviset varauksenkuljettajat ja voivat liikkua kiderakenteessa. Käytännössä sähkön johtaminen puolijohteessa tapahtuu elektronien ja aukkojen yhteisvaikutuksena.

Dopaus — n- ja p-tyypin puolijohteet

Dopauksessa puolijohdemateriaaliin lisätään hyvin pieni määrä vierasatomeja, jotka antavat tai ottavat elektroneja:

n-tyyppi: Lisätään atomityyppejä, joilla on ylimääräinen elektroni (esim. fosfori piin joukkoon). N-tyyppi sisältää runsaasti vapaita elektroneja, jotka toimivat kantajina.
p-tyyppi: Lisätään atomityyppejä, joilla on vähemmän elektroneja (esim. boori piissä). Tämä luo aukkoja, jotka toimivat positiivisina kantajina.

Dopauksella voidaan säätää johtavuutta erittäin tarkasti, mikä on välttämätöntä puolijohdelaitteiden, kuten transistoreiden ja diodien, toiminnalle.

p–n-liitos ja peruslaitteet

Kun n- ja p-tyypin puolijohteet tuodaan kosketuksiin, muodostuu p–n-liitos. Rajapinnalla elektronit ja aukot yhdistyvät ja muodostavat varauksesta tyhjän depletion-alueen, joka estää lähinnä vapaata kulkua. Kun liitosta jännitetään oikein päin (käänteisesti/eteenpäin), toimintatapa muuttuu:

Eteenpäin kytketty p–n-liitos johtaa sähköä helposti (periaate diodissa).
Käänteiskytketty liitos estää suurimman osan johtamisesta (pienet vuovirtaukset ovat mahdollisia).

Tämän periaatteen päälle rakentuvat diodit, LEDit (valo-emissiot ilmiön kautta), aurinkokennot ja monenlaiset anturit. Lisäksi monimutkaisemmista rakenteista, kuten kahdesta p–n-liitoksesta koostuvista komponenteista, saadaan aikaan transistoreja, jotka toimivat kytkiminä ja vahvistimina.

Transistorit — BJT vs. MOSFET ja mikropiirit

Transistorit ovat puolijohdeelektroniikan perusyksiköitä. Kaksi yleisintä tyyppiä ovat:

BJT (bipolaarinen transistori) käyttää sekä elektroneja että aukkoja virran kuljettajina ja sopii tiettyihin vahvistus- ja kytkentätehtäviin.
MOSFET (metal–oxide–semiconductor FET) on yksivaiheinen kenttävaikutustransistori, jota käytetään laajasti digitaalipiireissä ja tehokkaissa kytkentäpiireissä. CMOS-teknologia (complementary MOS) yhdistää p- ja n-kanavat ja on mikroelektroniikan perusta.

Nykyiset mikroprosessorit ja muistipiirit sisältävät miljardeja transistoreja, jotka on toteutettu piisirulla käyttäen tarkkaa fotolitografiaa ja kerroksellista yhteenrakennetta.

Valmistus ja materiaalit

Piisirujen valmistus alkaa wafer-levystä (ohut leikattu sakanne piitä). Tärkeitä vaiheita ovat:

Ohuet oksidikerrokset, jotka toimivat eristeinä (esim. piidioksidi).
Dopaus implantoinnilla tai difuusiolla.
Fotolitografia ja etsaus, joilla määritellään piirin kuviot.
Metallisoinnit signaalien ja virransyötön toteuttamiseksi.

Lisäksi käytetään muita puolijohdemateriaaleja: galliumarsenidi (GaAs) nopeisiin ja radiosignaalien sovelluksiin, silikoni karbidi (SiC) ja gallium nitridi (GaN) tehokkaaseen tehoelektroniikkaan ja korkeisiin lämpötiloihin, sekä germanium joissain erikoissovelluksissa.

Käyttökohteet ja ominaisuudet

Puolijohteet ovat läsnä lähes kaikissa moderneissa elektroniikkalaitteissa:

Tietokoneiden ja mobiililaitteiden prosessorit ja muistit.
Tehoelektroniikka (muuntajat, invertterit, sähköajoneuvot).
Valoelektroniikka: LEDit, laserkohteet ja aurinkokennot.
Anturit, radiokommunikaatio ja signaaliprosessointi.

Puolijohteiden toimintaan vaikuttavat lämpötila, materiaalin puhtaus ja rakenteen geometria. Lämmön kasvu lisää Lähes aina myös aiheuttaa vuovirtia ja muuttaa kantajien liikkuvuutta, joten jäähdytys on monissa sovelluksissa tärkeää.

Tulevaisuus ja kehitys

Puolijohdetekniikka kehittyy edelleen: valmistusmenetelmät tarkentuvat, uudet materiaalit (esim. 2D-aineet kuten grafeni, monikerrosfyloskaatit) ja tehoelektroniikan ratkaisut laajenevat. Vaikka Moore’n laki on hidastumassa, integroitujen piirien suorituskykyä parannetaan arkkitehtuurilla, litografian edistysaskeleilla ja heterogeenisillä integroiduilla ratkaisuilla (esim. eri materiaaleista rakennetut komponentit samassa paketissa).

Yhteenveto

Puolijohde on materiaali, jonka johtavuus on säädettävissä ja joka muodostaa elektroniikan perustan. Dopaus, p–n-liitokset ja transistorit mahdollistavat signaalin käsittelyn ja tehon hallinnan nykyaikaisissa laitteissa. Ymmärtämällä kaistarakenteen, kantajien käyttäytymisen ja materiaalien ominaisuudet saa hyvän kuvan siitä, miten ja miksi puolijohteet ovat niin keskeisiä nykyaikaisessa teknologiassa.

Puolijohdepohjaiset elektroniset komponentit

Historia

Puolijohteita tutkittiin laboratorioissa jo 1830-luvulla. Vuonna 1833 Michael Faraday teki kokeita hopeasulfidilla. Hän havaitsi, että kun materiaalia lämmitettiin, se johti sähköä paremmin. Tämä oli päinvastaista kuin kuparin käyttäytyminen. Kun kuparia kuumennetaan, se johtaa vähemmän sähköä. Monet muut varhaiset kokeilijat havaitsivat muita puolijohteiden ominaisuuksia. Vuonna 1947 New Jerseyssä sijaitsevassa Bell Labsissa keksittiin transistori. Tämä johti integroitujen piirien kehittämiseen, jotka nykyään toimivat lähes kaikissa elektronisissa laitteissa.

Puolijohde-doping

Doping

Doping on prosessi, jossa puhtaaseen puolijohteeseen lisätään pieni epäpuhtaus sen sähköisten ominaisuuksien muuttamiseksi. Kevyesti ja kohtalaisesti seostettuja puolijohteita kutsutaan ekstrinsisiksi puolijohteiksi. Puolijohdetta, joka on seostettu niin voimakkaasti, että se käyttäytyy enemmän kuin puolijohde, vaan kuin johdin, kutsutaan degeneroituneeksi puolijohteeksi. Useimmat puolijohteet on valmistettu piikiteistä. Puhtaasta piistä on vain vähän hyötyä, mutta seostettu pii on useimpien puolijohteiden perusta. Piilaakso sai nimensä siitä, että siellä sijaitsi suuri määrä puolijohdealan startup-yrityksiä.

Puolijohteet tänään

Nykyään puolijohteita käytetään laajalti. Puolijohteita on lähes kaikissa elektronisissa laitteissa. Pöytätietokoneet, internet, tablet-laitteet ja älypuhelimet eivät olisi mahdollisia ilman puolijohteita. Puolijohteista voidaan tehdä erittäin tarkkoja kytkimiä pienellä jännitteellä. Jännite, jota puolijohde ei tarvitse, voidaan lähettää laitteen muille sähköisille komponenteille. Puolijohteista voidaan myös tehdä hyvin pieniä, ja monet niistä mahtuvat melko pieneen piiriin. Koska ne voidaan tehdä niin pieniksi, sähkölaitteista voidaan nykyään tehdä ohuita ja kevyitä tinkimättä prosessointitehosta. Joitakin puolijohdealaa hallitsevia yrityksiä ovat Intel Corporation, Samsung Electronics, TSMC, Qualcomm ja Micron Technology.

Aiheeseen liittyvät sivut

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mikä on puolijohde?

A: Puolijohde on materiaali, joka joissakin tapauksissa johtaa sähköä mutta toisissa ei. Se ei johda sähköä yhtä hyvin kuin hyvät sähköä johtavat aineet, kuten kupari tai hopea, eikä se estä sähkön kulkua kuten eristimet, kuten kumi tai muovi.

K: Mitä ovat n- ja p-tyypin puolijohteet?

V: N- ja p-tyypin puolijohteet syntyvät lisäämällä eri atomeja puolijohteen kideristikkoon (ristikkoon), mikä muuttaa sen johtavuutta.

K: Mihin piitä käytetään?

V: Pii on tärkein kaupallinen puolijohde, ja siitä voidaan valmistaa transistoreja, jotka ovat pieniä vahvistimia, joita käytetään tietokoneissa, matkapuhelimissa, digitaalisissa audiosoittimissa ja monissa muissa elektronisissa laitteissa.

K: Mitä muita materiaaleja käytetään puolijohteina?

V: Piin lisäksi puolijohteena käytetään myös galliumarsenidia.

K: Miten elektronit käyttäytyvät kiinteässä aineessa?

V: Kiinteissä aineissa olevilla elektroneilla voi olla energiaa vain tietyillä kaistoilla (eli energiatasojen välillä), jotka ovat perustilan energia, joka vastaa materiaalin atomiytimiin tiukasti sidottuja elektroneja, ja vapaan elektronin energia, joka on energia, joka tarvitaan, jotta elektroni voi poistua kokonaan materiaalista.

K: Miksi eristeitä käytetään usein suojaamaan ihmisiä sähköiskulta?

V: Eristimet estävät sähkön kulun, joten niitä voidaan käyttää suojaamaan ihmisiä sähköiskulta estämällä sähkövirran kulku niiden läpi.

K: Miten transistorit toimivat?

V: Transistorit toimivat pieninä vahvistimina, jotka ottavat tulosignaalin ja vahvistavat sitä ennen kuin ne antavat sen ulos korkeampana kuin mitä alun perin syötettiin.