Free Press

Johdanto

Viimeisten seitsemänkymmenen viime vuoden aikana puolijohteista on tullut ratkaiseva elementti elektroniikkatekniikan valmistuksessa. Transistorin keksimisestä lähtien elektroniikan maailma on aina ollut eksponentiaalisella käyrällä tutkimuksen, kehityksen, valmistuksen, uusien laitteiden ja tekniikoiden kehittämisen suhteen.

Elektroniikkalaitteissa on kyse informaation käsittelystä eli nopeasta tiedonsiirrosta, -hankinnasta ja -käsittelystä teollisuudessa ja valmistuksessa, viestinnässä, taiteessa, lääketieteessä ja jopa sodankäynnissä.

Mutta kaikki nämä asiat voidaan soittaa nykyaikaisen elektroniikan sydämeen ja sen valmistukseen: Puolijohdekomponentit.

Vaikka elektroninen järjestelmä valmistetaan metallien, eristeiden ja puolijohteiden avulla (näistä lisää myöhemmin), puolijohteita pidetään elektroniikan selkärankana.

Mikä on puolijohde?

Ennen kuin lähdetään keskustelemaan erityyppisistä puolijohde-laitteista, on olennaista saada käsitys siitä, mitä puolijohde on.

Lyhyesti sanottuna puolijohteet ovat materiaaleja, jotka eivät ole sen enempää johtimia kuin eristimiäkään. Laajentaen tätä hieman tarkemmin, materiaalit luokitellaan johtimiin, eristeisiin ja puolijohteisiin niiden sähkönjohtokyvyn perusteella.

Johtimet ovat materiaaleja, joilla on erittäin hyvä sähkönjohtokyky. Yleensä metalleilla on hyvä sähkönjohtokyky ja löydätkin kuparia tai alumiinia kotisi sähköjohdoista.

Esieristeet sen sijaan ovat materiaaleja, joilla on erittäin huono sähkönjohtokyky. Lasi, puu ja paperi ovat hyviä esimerkkejä eristeistä.

Puhutaanpa nyt keskustelumme kannalta tärkeästä materiaaliryhmästä eli puolijohteista. Huoneenlämmössä puolijohteet ovat materiaaleja, joiden sähkönjohtavuus on alhaisempi kuin johtajien, mutta korkeampi kuin eristeiden.

Huomautus: Puolijohteiden yksityiskohtaisempi ymmärtäminen edellyttää syvällistä perehtymistä kauniiseen ja monimutkaiseen kvanttimekaniikkaan, joka on ”varmasti” tämän keskustelun ulkopuolella.

Puolijohdemateriaalit

Sähkönjohtavuuden yksiköissä Ω-1 cm-1 puhuttaessa puolijohdemateriaaleja ovat ne, joiden sähkönjohtavuus on välillä 10-9 Ω-1 cm-1 ja 102 Ω-1 cm-1.

Perinteisesti ryhmän IV alkuaineita, kuten piitä (Si) ja germaniumia (Ge), pidetään elementtipuolijohdemateriaaleina eli puolijohteina, joissa on vain yhden atomin lajeja.

On olemassa muuntyyppisiä puolijohdemateriaaleja, jotka voidaan muodostaa yhdistämällä ryhmän III alkuaineita ryhmän V alkuaineisiin, ja niitä kutsutaan yhdisteellisiksi puolijohteiksi. Galliumarsenidi (GaAs) on tämän ryhmän tunnetuin puolijohdemateriaali, ja itse asiassa se on piin jälkeen toiseksi yleisimmin käytetty puolijohdemateriaali.

Mitä ovat puolijohdekomponentit?

Yksikertaisesti sanottuna puolijohdekomponentit ovat eräänlaisia elektronisia komponentteja, jotka on suunniteltu, kehitetty ja valmistettu puolijohdemateriaalien, kuten piin (Si), germaniumin (Ge) ja galliumarsenidin (GaAs) perusteella.

Sen jälkeen, kun puolijohteita käytettiin 1940-luvun lopulla (tai 1950-luvun alussa), niistä tuli tärkein materiaali elektroniikan ja sen muunnelmien, kuten optoelektroniikan ja termoelektroniikan, valmistuksessa.

Varemmin kuin puolijohdemateriaaleja käytettiin elektroniikkalaitteissa, elektroniikkakomponenttien suunnittelussa käytettiin tyhjiöputkia. Tärkein ero tyhjiöputkien ja puolijohdekomponenttien välillä on se, että tyhjiöputkissa elektronien johtuminen tapahtuu kaasumaisessa tilassa, kun taas puolijohdekomponenteissa se tapahtuu ”kiinteässä tilassa”.

Puolijohdekomponentteja löytyy sekä erillisinä komponenttilaitteina että integroituina piireinä.

Miksi puolijohteita?

Pääsyy puolijohdekomponenttien (ja siten myös niiden perustana olevien puolijohdemateriaalien) käyttämiseen elektroniikkalaitteiden ja -komponenttien valmistuksessa on se, että niiden varauksenkuljettajien eli elektronien ja aukkojen johtavuutta voidaan helposti manipuloida.

Kuten aiemmin mainittiin, puolijohdemateriaalien sähkönjohtavuus on johtimien ja eristeiden välillä. Jopa tätä johtavuutta voidaan edelleen ohjata ulkoisilla tai sisäisillä tekijöillä, kuten sähkökentällä, magneettikentällä, valolla, lämpötilalla ja mekaanisella vääristymällä.

Kun ulkoisia tekijöitä, kuten lämpötilaa ja valoa, ei toistaiseksi oteta huomioon, puolijohdemateriaaleille suoritetaan yleensä dopingiksi kutsuttu prosessi, jossa epäpuhtautta tuodaan sen rakenteeseen rakenteellisten ja sähköisten ominaisuuksien muuttamiseksi.

Puhdas puolijohde tunnetaan nimellä Intrinsic Semiconductor (sisäinen puolijohde), kun taas epäpuhdas tai seostettu puolijohde tunnetaan nimellä Extrinsic Semiconductor (ulkoinen puolijohde).

Kun vapaiden elektronien määrä puolijohderakenteessa lisääntyy dopingin lisäämisen jälkeen, puolijohde tunnetaan nimellä n-tyypin puolijohde. Vastaavasti, jos reikien määrää lisätään, sitä kutsutaan p-tyypin puolijohteeksi.

Erilaisia puolijohdekomponenttityyppejä

Seuraavassa on pieni luettelo eräistä yleisesti käytetyistä puolijohdekomponenteista. Laitteen fyysisen rakenteen perusteella seuraava luettelo on luokiteltu kaksiterminaalisiin laitteisiin ja kolmiterminaalisiin laitteisiin.

Kaksi-terminaaliset puolijohdekomponentit

• Diodi
• Schottky-diodi
• Valodiodi (LED)
• DIAC
• Zener-diodi
• Fotodiodi (valotransistori)
• PIN-diodi
• Laser-diodi

.

• Tunnel-diodi
• Fotokenno
• Aurinkokenno
• Gunn-diodi
• IMPATT-diodi
• TVS-diodi (transienttijännitteen vaimennusdiodi)
• VCSEL (vertikaalinen kaviteettipintaeemissiolaser)
• VCSEL (vertikaalinen kaviteettipintaeemissiolaser)
• VCSEL (vertical Cavity Surface Emitting Laser)
• VCSEL (vertical Cavity Surface Emitting Laser)
• VCSEL (vertical Cavity Surface Emitting Laser)terminaaliset puolijohdekomponentit
  • Bipolaaritransistori
  • Kenttäefektitransistori
  • Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)
  • Darlington Transistori
  • Silicon Controlled Rectifier (SCR)
  • TRIAC
  • Thyristori
  • Unijunction Transistor

  On olemassa myös muutama neljä-puolijohteita, kuten optokytkin (valokytkin) ja halli-ilmiöanturi.

  Lisätietoa joistakin edellä mainituista puolijohdekomponenteista saat lukemalla ”P-N-liitosdiodi”, ”Transistori”, ”Tyristori”.

  Puolijohdekomponenttien sovellukset

  Kuten aiemmin mainittiin, puolijohdekomponentit ovat lähes kaikkien elektronisten laitteiden perusta. Joitakin puolijohdekomponenttien sovelluksia ovat:

  • Transistorit ovat tärkeimpiä komponentteja erilaisissa integroiduissa piireissä, kuten mikroprosessoreissa.
  • Itse asiassa ne ovat tärkeimpiä komponentteja logiikkaporttien ja muiden digitaalisten piirien rakentamisessa.
  • Transistoreita käytetään myös analogisissa piireissä, kuten vahvistimissa ja oskillaattoreissa.