Luontainen vs ulkoinen puolijohde
On huomattavaa, että moderni elektroniikka perustuu yhden tyyppiseen materiaaliin, puolijohteisiin. Puolijohteet ovat materiaaleja, joilla on keskijohtavuus johtimien ja eristeiden välillä. Puolijohdemateriaaleja käytettiin elektroniikassa jo ennen puolijohdediodin ja -transistorin keksimistä 1940-luvulla, mutta sen jälkeen puolijohteet löysivät laajan sovelluksen elektroniikan alalla. Vuonna 1958 Texasin instrumenttien Jack Kilbyn keksimä integroitu piiri nosti puolijohteiden käytön elektroniikan alalla ennennäkemättömälle tasolle.
Luonnollisesti puolijohteiden sähkönjohtavuusominaisuus on vapaiden latauskantajien ansiosta. Tällainen puolijohde, materiaali, jolla luonnollisesti on puolijohdeominaisuuksia, tunnetaan sisäisenä puolijohteena. Kehittyneiden elektronisten komponenttien kehittämiseksi puolijohteita parannettiin toimimaan suuremmalla johtavuudella lisäämällä materiaaleja tai elementtejä, jotka lisäävät varauksen kantajien määrää puolijohdemateriaalissa. Tällainen puolijohde tunnetaan ulkoisena puolijohteena.
Lisätietoja sisäisistä puolijohteista
Minkä tahansa materiaalin johtokyky johtuu elektronista, joka vapautuu johtamiskaistalle lämpösekoituksen avulla. Sisäisten puolijohteiden tapauksessa vapautuvien elektronien määrä on suhteellisen pienempi kuin metalleissa, mutta suurempi kuin eristimissä. Tämä sallii hyvin rajoitetun virran johtavuuden materiaalin läpi. Kun materiaalin lämpötilaa nostetaan, lisää elektroneja pääsee johtamiskaistalle, ja siten myös puolijohteen johtavuus kasvaa. Puolijohteessa on kahden tyyppisiä varauksen kantoaineita, valenssikaistalle vapautuvat elektronit ja tyhjät kiertoradat, joita kutsutaan yleisemmin rei'iksi. Sisäpuolijohdon reikien ja elektronien määrä on sama. Sekä reiät että elektronit vaikuttavat virtaan. Kun potentiaalieroa käytetään, elektronit liikkuvat kohti suurempaa potentiaalia ja reiät kohti pienempää potentiaalia.
On monia materiaaleja, jotka toimivat puolijohteina, ja jotkut ovat elementtejä ja jotkut yhdisteet. Pii ja gerium ovat alkuaineita, joilla on puolijohtavia ominaisuuksia, kun taas galliumarsenidi on yhdiste. Yleensä ryhmän IV elementeillä ja ryhmien III ja V alkuaineilla olevilla yhdisteillä, kuten galliumarsenidillä, alumiinifosfidilla ja galliumnitridillä, on sisäiset puolijohdeominaisuudet.
Lisätietoja ulkoisista puolijohteista
Lisäämällä erilaisia elementtejä puolijohdeominaisuuksia voidaan parantaa johtamaan enemmän virtaa. Lisäysprosessi tunnetaan dopingina, kun taas lisätty materiaali tunnetaan epäpuhtauksina. Epäpuhtaudet lisäävät varauksen kantajien määrää materiaalissa, mikä parantaa johtavuutta. Toimitetun kantajan perusteella epäpuhtaudet luokitellaan vastaanottaviksi ja luovuttajiksi. Luovuttajat ovat materiaaleja, joiden hilassa on sitoutumattomia elektroneja, ja vastaanottimia ovat materiaaleja, jotka jättävät reikiä hilaan. Ryhmän IV puolijohteissa ryhmän III elementit boori, alumiini toimivat hyväksyjinä, kun taas ryhmän V elementit fosfori ja arseeni toimivat luovuttajina. Ryhmän II-V yhdistepuolijohteissa seleeni, Tellurium toimivat luovuttajina, kun taas beryllium, sinkki ja kadmium toimivat hyväksyjinä.
Jos epäpuhtauksiksi lisätään useita akseptoriatomeja, reikien määrä kasvaa ja materiaalissa on enemmän positiivisia varauksia kuin aikaisemmin. Siksi akseptorin epäpuhtauksilla seostettua puolijohdetta kutsutaan positiivisen tai P-tyypin puolijohteeksi. Samalla tavalla luovuttajan epäpuhtauksilla seostettua puolijohetta, joka jättää materiaalin yli elektroneja, kutsutaan negatiivisen tai N-tyypin puolijohteeksi.
Puolijohteita käytetään erityyppisten diodien, transistoreiden ja niihin liittyvien komponenttien valmistamiseen. Laserit, aurinkokennot (aurinkokennot) ja valokuva-ilmaisimet käyttävät myös puolijohteita.
Mitä eroa on sisäisillä ja ulkoisilla puolijohteilla?
