Puolijohdelaite, elektroninen piirikomponentti, joka on valmistettu materiaalista, joka ei ole hyvä johdin eikä hyvä eristin (siis puolijohde). Tällaiset laitteet ovat löytäneet laajoja sovelluksia kompaktisuutensa, luotettavuutensa ja alhaisten kustannustensa vuoksi. Diskreetteinä komponenteina ne ovat löytäneet käyttövoimalaitteissa, optisissa antureissa ja valonlähteissä, mukaan lukien puolijohdelaserit. Niillä on laaja valikoima virran- ja jännitteenkäsittelyominaisuuksia, joiden virranluvut ovat muutamilla nanolamppeilla (10–9)ampeeri) yli 5000 ampeeriin ja nimellisjännite ylittää 100 000 volttia. Vielä tärkeämpää on, että puolijohdelaitteet integroituvat monimutkaisiin, mutta helposti valmistettaviin mikroelektroniikkapiireihin. Ne ovat ja ovat lähitulevaisuudessa avaintekijät suurimmalle osalle sähköisiä järjestelmiä, mukaan lukien viestintä, kuluttaja, tietojenkäsittely ja teollisuuden ohjauslaitteet.
Puolijohteet ja liitoskohdat
Puolijohdemateriaalit
Kiinteät materiaalit ryhmitellään yleensä kolmeen luokkaan: eristimet, puolijohteet ja johtimet. (Matalassa lämpötilassa joistakin johtimista, puolijohteista ja eristeistä voi tulla suprajohteita.) Kuvio 1 esittää johtavuudet σ (ja vastaavat resistiivisyydet ρ = 1 / σ), jotka liittyvät joihinkin tärkeisiin materiaaleihin kussakin kolmessa luokassa. Eristeet, kuten sulatettua kvartsia ja lasi, on hyvin alhainen johtavuudet, suuruusluokkaa 10 -18 kohteeseen 10 -10 siemens senttimetriä kohti; ja johtimet, kuten alumiini, on korkea johtavuudet, tyypillisesti 10 4 kohteeseen 10 6 siemens senttimetriä kohti. Puolijohteiden johtavuudet ovat näiden ääripäiden välillä.
Puolijohteen johtavuus on yleensä herkkä lämpötilalle, valaistukselle, magneettikentille ja epäpuhtausatomien pienille määrille. Esimerkiksi lisäys, joka on alle 0,01 prosenttia tietyntyyppisestä epäpuhtaudesta, voi lisätä puolijohteen sähkönjohtavuutta neljällä tai useammalla suuruusluokalla (ts. 10 000 kertaa). Viiden yleisen puolijohteen epäpuhtausatomien aiheuttamat puolijohdejohtavuusalueet on esitetty kuvassa 1.
Puolijohdemateriaalien tutkimus aloitettiin 1800-luvun alkupuolella. Vuosien mittaan on tutkittu monia puolijohteita. Taulukko näyttää osan puolijohteisiin liittyvästä jaksollisesta taulukosta. Alkuperäiset puolijohteet ovat niitä, jotka koostuvat yksittäisistä atomilajeista, kuten pii (Si), germanium (Ge) ja harmaa tina (Sn) sarakkeessa IV ja seleeni (Se) ja telluuri (Te) sarakkeessa VI. On kuitenkin olemassa lukuisia yhdistepuolijohteita, jotka koostuvat kahdesta tai useammasta elementistä. Esimerkiksi galliumarsenidi (GaAs) on binaarinen III-V-yhdiste, joka on galliumin (Ga) sarakkeesta III ja arseenin (As) yhdistelmä sarakkeesta V.
Osa puolijohteisiin liittyvistä jaksollisista taulukoista
| aika | sarake | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| II | III | IV | V | VI | |
| 2 | boori
B |
hiili
C |
typpi
N |
||
| 3 | magnesium
Mg |
alumiini
Al |
pii
Si |
fosfori
P |
rikki
S |
| 4 | sinkki
Zn |
gallium
Ga |
germanium
Ge |
arseeni
As |
seleeni
Se |
| 5 | kadmium
Cd |
indium
In |
tina
Sn |
antimoni
Sb |
telluuri
Te |
| 6 | elohopea
Hg |
lyijy
Pb |
|||
Ternäärisen yhdisteitä voidaan muodostaa osia kolmesta eri saraketta, kuten, esimerkiksi, elohopea indium telluridi (HgIn 2 Te 4), joka on II-III-VI yhdiste. Niitä voidaan muodostaa myös kahdesta pylväästä koostuvilla elementeillä, kuten alumiini-gallium-arsenidillä (Al x Ga1 - x As), joka on kolmiosainen III-V-yhdiste, jossa sekä Al että Ga ovat sarakkeesta III ja alaindeksi x liittyy kahden alkuaineen koostumukseen 100-prosenttisesti Al (x = 1) - 100-prosenttisesti Ga (x = 0). Puhdas pii on tärkein materiaali integroitujen piirien sovelluksissa, ja III-V: n binaariset ja kolmiosaiset yhdisteet ovat merkittävimpiä valon säteilyyn.
Ennen bipolaaritransistorin keksintöä vuonna 1947 puolijohteita käytettiin vain kaksinapaisina laitteina, kuten tasasuuntaajina ja fotodiodeina. 1950-luvun alkupuolella germanium oli tärkein puolijohdemateriaali. Se osoittautui kuitenkin soveltumattomaksi moniin sovelluksiin, koska materiaalista valmistetuilla laitteilla oli suuri vuotovirta vain kohtalaisesti kohotetuissa lämpötiloissa. Piistä on 1960-luvun alusta lähtien tullut käytännöllinen korvike, joka käytännössä syrjäyttää germaniumin puolijohteiden valmistusmateriaalina. Tärkeimmät syyt tähän ovat kaksi: (1) piilaitteissa on paljon pienemmät vuotovirrat ja (2) korkealaatuista piidioksidia (SiO 2), joka on eriste, on helppo valmistaa. Pii-tekniikka on nyt selvästi edistynein kaikista puolijohdeteknologioista, ja piipohjaiset laitteet muodostavat yli 95 prosenttia kaikista puolijohdelaitteista, joita myydään maailmanlaajuisesti.
Monilla yhdistepuolijohteilla on sähköisiä ja optisia ominaisuuksia, joita ei ole piissä. Näitä puolijohteita, erityisesti gallium-arsenidia, käytetään pääasiassa nopeaan ja optoelektroniseen sovellukseen.
