Puolijohteista

Puolijohteista on yleistermi materiaaleille, joiden sähkönjohtavuus sijoittuu eristeen ja johtavien aineiden välimaastoon. Niitä voidaan muokata dopingin eli epäpuhtauksien lisäämisen sekä lämpötilan muutosten avulla, mikä tekee niistä elektronisten laitteiden perusmateriaaleja.

Keskeiset puolijohdemateriaalit ovat pi (Si) ja germanium (Ge), sekä yhdistepuolijohteet kuten galliumarsenidi GaAs, indiumfosfidi InP sekä piidi-nitra GaN. Erilaiset materiaalit eroavat bandgapien, sähkönjohtavuuden ja optisten ominaisuuksien suhteen, mikä vaikuttaa niiden käyttötarkoituksiin.

Ominaisuuksiin kuuluu intrinsic-tila sekä dopattu tila. Dopanteja on n-tyyppinen (ylimääräisiä elektroneja) ja p-tyyppinen (aukkoja). PN-juoste yhdistää nämä alueet ja mahdollistaa diodien sekä transistorien toiminnan. Puolijohteita käytetään myös monimutkaisissa rakenteissa kuten heterojuosteissa.

Valmistus alkaa kiteen kasvulla ja waferien valmistuksella (esim. Czochralski- tai float-zone -menetelmät), sen jälkeen tapahtuu doppaus, litografia sekä kuviointi piirikorteille. Prosessi vaatii erittäin puhtaita tiloja ja tarkkaa kontrollia.

Sovellukset kattavat diodit, transistorit sekä integroidut piirit, joilla muodostetaan nykyaikainen elektroniikka. Puolijohteita käytetään LED-valaisussa, aurinkokennoissa sekä tietoliikenteen ja laskennan laitteissa.

Historian perusteilla transistorin keksiminen vuonna 1947 johti teolliseen kehitykseen ja integroitujen piirien syntyyn, mikä on määrittänyt elektroniikan kehityskaarta. Moore’n laki kuvasi transistorien määrän kasvua samalla pinta-alalla. Nykyisin tutkimus suuntautuu uusien materiaalien, kuten 2D- ja III–V-yhdisteiden sekä energiatehokkuuden parantamiseen.