Puolijohteet ovat aineita, joiden sähkönjohtavuus on hyvien johtimien ja eristeiden välillä. Puolijohteita, ilman epäpuhtauksia, kutsutaan sisäisiksi puolijohteiksi. Germaanium ja pii ovat yleisimmin käytettyjä sisäisiä puolijohteita. Sekä Ge (atomiluku 32) että pii (atominumero 14) kuuluvat jaksollisen järjestelmän neljänteen ryhmään, ja ne ovat neliarvoisia.
Mitkä ovat puolijohteiden ominaisuudet?
Lämpötiloissa lähellä absoluuttista nollaa puhdas Ge ja Si käyttäytyvät kuin täydelliset eristeet. Mutta niiden johtokyky kasvaa lämpötilan noustessa. Ge: n tapauksessa elektronin sitoutumisenergia kovalenttisessa sidoksessa on 0,7 eV. Jos tämä energia syötetään lämmön muodossa, osa sidoksista katkeaa ja elektronit vapautuvat.
Tavanomaisissa lämpötiloissa osa elektroneista vapautuu Ge- tai Si-kiteen atomeista, ja ne vaeltavat kiteessä. Elektronin puuttuminen aiemmin miehitetystä paikasta merkitsee positiivista varausta kyseisessä paikassa. “Aukon” sanotaan muodostuvan paikkaan, jossa elektroni vapautetaan. (Tyhjä) reikä vastaa positiivista varausta ja sillä on taipumus hyväksyä elektroni.
Kun elektroni hyppää reikään, uusi reikä syntyy paikassa, jossa elektroni oli aiemmin. Elektronien liike yhteen suuntaan vastaa reikien liikettä vastakkaiseen suuntaan. Siten sisäisissä puolijohteissa muodostuu reikiä ja elektroneja samanaikaisesti, ja molemmat toimivat varauksen kantajina.
Puolijohteiden tyypit ja niiden käyttö
Ulkoisia puolijohteita on kahta tyyppiä: n-tyyppi ja p-tyyppi.
n-tyypin puolijohde: Elementit kuten arseeni (As), antimoni (Sb) ja fosfori (P) ovat viisiarvoisia, kun taas Ge ja Si ovat neliarvoisia. Jos pieni määrä antimonia lisätään Ge- tai Si-kiteeseen epäpuhtauksena, niin sen viidestä valenttisesta elektronista neljä muodostaa kovalenttisia sidoksia vierekkäisten Ge-atomien kanssa. Mutta antimonin viidennestä elektronista tulee melkein vapaa liikkumaan kiteessä.
Jos seostettuun Ge-kiteeseen kohdistetaan potentiaalijännite, seostetun Ge: n vapaat elektronit liikkuvat kohti positiivista terminaalia ja johtavuus kasvaa. Koska negatiivisesti varautuneet vapaat elektronit lisäävät seostetun Ge-kiteen johtavuutta, sitä kutsutaan n-tyyppiseksi puolijohteeksi.
p-tyypin puolijohde: Jos kolmiarvoinen epäpuhtaus, kuten indium, alumiini tai boori (jossa on kolme valenssielektronia) lisätään a hyvin pieni osuus neliarvoisesta Ge: stä tai Si: stä, sitten muodostuu kolme kovalenttista sidosta kolmella Ge-atomilla. Mutta Ge: n neljäs valenssielektroni ei voi muodostaa kovalenttista sidosta indiumiin, koska pariksi ei ole jätetty elektronia.
Elektronin puuttumista tai puutetta kutsutaan reikäksi. Kutakin reikää pidetään positiivisen varauksen alueena kyseisessä kohdassa. Koska indiumilla seostetun Ge: n johtavuus johtuu rei'istä, sitä kutsutaan p-tyyppiseksi puolijohteeksi.
Siten n-tyyppi ja p-tyyppi ovat kaksi puolijohdetyyppiä, ja niiden käyttö selitetään seuraavasti: puolijohde ja n-tyyppinen puolijohde yhdistetään toisiinsa, ja yhteistä rajapintaa kutsutaan p-n-liitokseksi diodi.
P-n-liitosdiodia käytetään tasasuuntaajana elektronisissa piireissä. Transistori on kolminapainen puolijohdelaite, joka valmistetaan asettamalla ohut viipale n-tyyppistä materiaalia kaksi isompaa kappaletta p-tyyppistä materiaalia tai ohut p-tyypin puolijohdekappale kahden isomman n-tyypin kappaleen välissä puolijohde. Transistoreita on siis kahden tyyppisiä: p-n-p ja n-p-n. Transistoria käytetään vahvistimena elektronisissa piireissä.
Mitkä ovat puolijohteiden edut?
Puolijohdediodin ja tyhjiön vertailu antaisi elävämmän katsauksen puolijohteiden eduista.
- Toisin kuin tyhjiödiodit, puolijohdelaitteissa ei ole filamentteja. Siksi ei tarvita lämmitystä elektronien emittoimiseksi puolijohteessa.
- Puolijohdelaitteita voidaan käyttää välittömästi piirilaitteen käynnistämisen jälkeen.
- Toisin kuin tyhjiödiodit, puolijohteet eivät tuota kolisevaa ääntä toiminnan aikana.
- Tyhjiöputkiin verrattuna puolijohdelaitteet tarvitsevat aina matalan käyttöjännitteen.
- Koska puolijohteet ovat kooltaan pieniä, myös niihin liittyvät piirit ovat erittäin pienikokoisia.
- Toisin kuin tyhjiöputket, puolijohteet ovat iskunkestäviä. Lisäksi ne ovat kooltaan pienempiä ja vievät vähemmän tilaa ja kuluttavat vähemmän virtaa.
- Tyhjiöputkiin verrattuna puolijohteet ovat erittäin herkkiä lämpötilalle ja säteilylle.
- Puolijohteet ovat halvempia kuin tyhjiödiodit ja niillä on rajoittamaton säilyvyysaika.
- Puolijohdelaitteet eivät tarvitse tyhjiötä.
Yhteenvetona voidaan todeta, että puolijohdelaitteiden edut ovat huomattavasti suuremmat kuin tyhjiöputkien edut. Puolijohdemateriaalin myötä tuli mahdolliseksi kehittää pieniä elektronisia laitteita, jotka olivat kehittyneempiä, kestävämpiä ja yhteensopivampia.
Mitkä ovat puolijohdelaitteiden sovellukset?
Yleisin puolijohdelaite on transistori, jota käytetään logiikkaporttien ja digitaalisten piirien valmistamiseen. Puolijohdelaitteiden sovellukset ulottuvat myös analogisiin piireihin, joita käytetään oskillaattoreissa ja vahvistimissa.
Puolijohdelaitteita käytetään myös integroiduissa piireissä, jotka toimivat erittäin suurella jännitteellä ja virralla. Puolijohdelaitteiden sovelluksia nähdään myös jokapäiväisessä elämässä. Esimerkiksi nopeat tietokonepiirit valmistetaan puolijohteista. Puhelimissa, lääketieteellisissä laitteissa ja robotiikassa hyödynnetään myös puolijohdemateriaaleja.