Puolijohde
Puolijohde on materiaali, joka johtaa sähköä paremmin kuin eriste, mutta huonommin kuin metallit. Se on materiaali, jonka valenssivyön ja johtavuusvyön välinen energiaero (noin 1 eV) on huomattavasti pienempi kuin eristeillä, mikä helpottaa elektronin siirtymistä vyöltä toiselle.
Puolijohteita ovat puolimetalleiksi luokitellut alkuaineet ja useat niitä sisältävät yhdisteet. Teknisesti tärkeimmät puolijohteet ovat pii, germanium sekä jaksollisen järjestelmän III ja V ryhmän alkuaineiden yhdisteet ("III-V -puolijohteet") kuten galliumarsenidi.
Puolijohteet ovat nykyaikaisen elektroniikan perusta. Puolijohdekomponenteilla on joukko hyödyllisiä ominaisuuksia, kuten sähkövirran päästäminen läpi helpommin toiseen suuntaan, muutettavissa oleva virranvastus ja mahdollisuus vaikuttaa niiden ominaisuuksiin valolla ja lämmöllä. Koska puolijohdemateriaalien sähköisiä ominaisuuksia voidaan muuttaa lisäämällä joukkoon sopivia määriä epäpuhtauksia tai sähkökentällä tai valolla, puolijohdekomponentteja voidaan käyttää vahvistimissa, kytkimissä ja energian muuntimissa.
Osa puolijohteiden ominaisuuksista havaittiin jo 1900-luvun loppupuoliskolla. Löydökset kvanttifysiikassa puolestaan kulminoituivat transistorin keksimiseen 1948.
Puolijohteiden ominaisuuksien nykyinen ymmärrys turvautuu kvanttifysiikkaan, selittääkseen elektronien ja aukkojen liikkeen kiderakenteessa. Lisääntynyt ymmärrys puolijohdemateriaaleista ja valmistustavoista on mahdollistanut mikroprosessoreiden ja muistien nopeuden ja monimutkaisuuden jatkuvan kasvattamisen.
Kiinteässä aineessa elektronit voivat olla joko valenssivyöllä tai johtavuusvyöllä. Näiden välissä on niin sanottu kielletty energiavyö, jossa elektronit eivät voi olla. Sähkövirran kuljetukseen osallistuvat vain elektronit, jotka ovat vajaasti täytetyllä vyöllä. Jos valenssivyö on täynnä, virtaa kuljettavat vain johtavuusvyöllä olevat elektronit.
Puolijohteessa johtavuusvyö kylmässä on tyhjä, joten matalissa lämpötiloissa puolijohde toimii eristeenä, mutta huoneenlämmössä lämpövärähtelyt nostavat elektroneja valenssivyöstä johtavuusvyöhön ja puolijohde toimii johteena.
Puolijohteen sähkönjohtavuutta voidaan muuttaa lisäämällä siihen epäpuhtauksia, minkä takia puolijohteet ovat hyödyllisiä elektroniikassa. Nämä epäpuhtaudet lisäävät joko elektronien tai aukkojen määrää.
"N-tyyppisiä puolijohteita" saadaan seostamalla rakenteeseen atomeja (esimerkiksi arseenia, As), joilla on enemmän valenssielektroneja kuin isäntäatomeilla (tässä Si). Tällöin ylimääräiset elektronit voivat johtaa sähköä.
"P-tyyppinen puolijohde" saadaan lisäämällä rakenteeseen atomeja (esimerkiksi booria, B), jolla on vähemmän valenssielektroneja kuin isäntäatomeilla (tässä Si). Tällöin muodostuvat positiiviset aukot toimivat varauksenkuljettajina. Piissä aukoilla on varauksenkuljettajina huonompi liikkuvuus kuin elektroneilla.
Yhdistepuolijohteet ovat kahden tai useamman alkuaineen yhdisteitä, jotka yhdessä toimivat puolijohteena. Niitä käytetään usein LEDeissä, koska niillä on mahdollista tuottaa ihmissilmälle näkyvän valon aallonpituuksia. Joistakin yhdistelmäpuolijohteista pystyy valmistamaan pii- ja germaniumpuolijohteita nopeampia transistoreita. Esimerkiksi galliumarsenidi, galliumarsenidifosfidi, galliumfosfidi, galliumantimonidi, indiumarsenidi, indiumfosfidi ja indiumantimonidi ovat yhdistepuolijohteita.
"Puolijohdekomponentteja": diodi, LED (valodiodi), transistori, tyristori, mikropiiri, diac, triac, aurinkokenno