Pooljuhtseadmete elektroonika

Pooljuhtseade, elektroonilise vooluahela komponent, mis on valmistatud materjalist, mis ei ole hea juht ega hea isolaator (seega pooljuht). Sellised seadmed on oma kompaktsuse, töökindluse ja odavuse tõttu leidnud laialdasi rakendusi. Diskreetkomponentidena on neid leidnud kasutamist jõuseadmetes, optilistes andurites ja valgusallikates, sealhulgas tahkislaserites. Neil on lai voolu- ja pingekäitlemisvõimalused, voolutugevus on vähestel nanoamperitel (^10–9)amper) enam kui 5000 amprini ja pinge nimiväärtusega üle 100 000 volti. Veelgi olulisem on see, et pooljuhtseadised integreeruvad keerukatesse, kuid kergesti valmistatavatesse mikroelektroonilistesse vooluringidesse. Need on suurema osa elektrooniliste süsteemide, sealhulgas side-, tarbija-, andmetöötlus- ja tööstuslike juhtimisseadmete põhielemendid ja lähitulevikus ka need.

Pooljuhtide ja ristmike põhimõtted

Pooljuhtmaterjalid

Tahkis-materjalid jaotatakse tavaliselt kolme klassi: isolaatorid, pooljuhid ja juhid. (Madalatel temperatuuridel võivad mõned juhid, pooljuhid ja isolaatorid muutuda ülijuhtideks.) Joonis 1 näitab juhtivust σ (ja vastavat takistust ρ = 1 / σ), mis on seotud mõne olulise materjaliga kõigis kolmes klassis. Isolaatorid, näiteks sulatatud kvartsist ja klaasist, on väga madal juhtivus, suurusjärgus 10 ^-18 kuni 10 ^-10 Siemens sentimeetri kohta; ja juhtmete, nagu alumiinium, on kõrge juhtivus, tüüpiliselt 10 ⁴ sihtkohta 10 ⁶ siemens sentimeetri kohta. Pooljuhtide juhtivus jääb nende äärmuste vahele.

Pooljuhi juhtivus on üldiselt tundlik temperatuuri, valgustuse, magnetväljade ja lisandiaatomite minimaalsete koguste suhtes. Näiteks võib vähem kui 0,01 protsendi lisamine teatud tüüpi lisanditele lisada pooljuhi elektrijuhtivust nelja või enama suurusjärgu võrra (st 10 000 korda). Viie tavalise pooljuhi lisandite aatomitest tingitud pooljuhtide juhtivuse vahemikud on toodud joonisel 1.

Pooljuhtmaterjalide uurimine algas 19. sajandi alguses. Aastate jooksul on uuritud palju pooljuhte. Tabelis on näidatud perioodiliste tabelite osa, mis on seotud pooljuhtidega. Elementaarsed pooljuhid on need, mis koosnevad ühest aatomiliigist, näiteks räni (Si), germaanium (Ge) ja halli tina (Sn) IV veerus ning seleenist (Se) ja telluurist (Te) VI veerus. Siiski on arvukalt liitpooljuhte, mis koosnevad kahest või enamast elemendist. Näiteks gaeliumarseniid (GaAs) on binaarne III-V ühend, mis on gallium (Ga) III veerust ja arseen (As) kombinatsioon V veerust.

Pooljuhtidega seotud elementide perioodilise tabeli osa

periood	veerg
	II	III	IV	V	VI
2	boor B	süsinik C	lämmastiku N
3	magneesium Mg	alumiinium Al	räni Si	fosfor P	väävel S
4	tsink Zn	gallium Ga	germaanium Ge	arseen As	seleen Se
5	kaadmium Cd	indium sisse	tina Sn	antimon Sb	telluur Te
6	elavhõbe Hg	plii Pb

Ternaarne ühendid võivad olla moodustatud elementide kolmest erinevast sambad, nagu näiteks, elavhõbe indium telluriidil (HgIn ₂ Te ₄), mis on II-III-VI ühendit. Neid võivad moodustada ka kahest kolonnist koosnevad elemendid, näiteks alumiinium-gallium-arseniid (Al _x Ga1 _{- x} As), mis on kolmekomponendiline III-V ühend, kus nii Al kui ka Ga on pärit III veerust ja alaindeks x on seotud kahe elemendi koostisele alates 100 protsenti Al (x = 1) kuni 100 protsenti Ga (x = 0). Integreeritud vooluahela jaoks on kõige olulisem puhas räni ning III-V binaarsed ja kolmekomponentsed ühendid on valguse emissioonil kõige olulisemad.

Enne bipolaarse transistori leiutamist 1947. aastal kasutati pooljuhte ainult kaheterminaalseadmena, näiteks alaldi ja fotodioodina. 1950. aastate alguses oli peamiseks pooljuhtmaterjaliks germaanium. Kuid see osutus mitmeteks rakendusteks sobimatuks, kuna materjalist valmistatud seadmetel oli kõrge lekkevool ainult mõõdukalt kõrgetel temperatuuridel. Alates 1960. aastate algusest on räni muutunud praktiliseks asendajaks, mis praktiliselt asendab germaaniumi pooljuhtide valmistamise materjalina. Selle peamised põhjused on kahesugused: (1) räniseadmetel on palju madalamad lekkevoolud ja (2) kvaliteetset ränidioksiidi (SiO ₂), mis on isolaator, on lihtne toota. Ränitehnoloogia on nüüd kõigi pooljuhttehnoloogiate seas vaieldamatult kõige arenenum ja ränipõhised seadmed moodustavad enam kui 95 protsenti kogu maailmas müüdud pooljuhtseadmest.

Paljudel liitpooljuhtidel on ränis puuduvad elektrilised ja optilised omadused. Neid pooljuhte, eriti galliumarseniidi, kasutatakse peamiselt kiiretel ja optoelektroonilistel rakendustel.