Puolijohde

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.

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.