puolijohteilla

Puolijohteet ovat materiaaleja, joiden sähkönjohtavuus voidaan säätää kontrolloidusti. Tämä mahdollistaa sekä eristeen että johtimen ominaisuuksien yhdistämisen samassa materiaalissa. Yleisimmät puolijohdemateriaalit ovat pi (Si) ja germanium (Ge), mutta käytössä ovat myös galliumarsenidi (GaAs), indiumfosfidi (InP) sekä laajempi joukko wide-gap -materiaaleja kuten piikarbidi (SiC) ja galliumnitriidi (GaN). Puolijohteita käytetään laajasti elektroniikassa, optiikassa, energiantuotannossa ja signaalinsiirrossa.

Perusperiaatteet perustuvat elektronien ja aukkojen hallintaan. Puolijohteet voidaan dopata pienillä määillä epäpuhtauksia, jolloin niistä tulee n-tyyppisiä (lisäelektroneja) tai p-tyyppisiä (aukkoja). N-tyyppisessä aineessa on ylimääräisiä elektroneja, kun taas p-tyypissä on enemmän aukkoja. Näiden kahden tyyppien liitos muodostaa p-n liitoksen, joka käyttäytyy diodina ja jonka kautta virtaa voidaan ohjata vain tietyllä tavalla. P-N liitokset sekä transistorit mahdollistavat signaalin vahvistamisen ja loogisten operaatioiden suorittamisen.

Valmistusprosessi puolijohdepiireille on monitoroitua ja monivaiheinen. Kiteisen levyn valmistus ja pyyhkäistyt liukukerrosten muotoilu yhdistetään litografiaan, dopingiin sekä metallointiin. Yleisiä prosesseja ovat diffuusio, ionien implantointi, oksidien kasvatus sekä metallien liittäminen kontakteihin. Moderni elektroniikka rakentuu näiden prosessien varaan, ja integroidut piirit mahdollistavat miljardien transistoreiden samanaikaisen toiminnan yhdessä sirussa.

Sovellukset kattavat diodit ja transistorit sekä laajasti integroidut piirit, LED-valaistus, aurinkokennojen ja muiden fotonisten laitteiden teknologiat sekä monimutkaiset tietokone- ja kommunikaatiojärjestelmät. Haasteita ovat materiaalivirheet, lämpöhallinta ja toimitusketjujen häiriöt, mutta kehitys seuraa jatkuvasti pienempiä ja tehokkaampia puolijohdepiirejä.