Solid-state-laitteet ovat sekä huipputekniikan että hyvin tavallisten laitteiden ohjauskomponentteja. Niiden laaja käyttö liittyy siihen, että niitä voidaan hyödyntää kaikkien ihmisen aistien kanssa. Valodiodit (LEDit) ja puolijohdelaserit tuottavat valoa, jota käytetään kaikenlaisissa näytöissä, joilla on näköyhteys. Ensimmäiset puolijohdekomponenttien sovellukset olivat transistoreiden käyttö radioissa ja vahvistimissa, jotka toimivat kuuloaistin kanssa. Termoelektriset laitteet ovat kiinteitä laitteita, joita voidaan käyttää lämmitykseen tai jäähdytykseen, mikä on kosketusaistin rajapinta. Vaikka kiinteän olomuodon laitteista ei lähde hajua tai makua, niitä voidaan käyttää antureina haju- tai myrkyllisten aineiden tarkkailuun, jolloin ne ovat vuorovaikutuksessa haju- ja makuaistiemme kanssa. Tietovallankumouksen ajama nykyaikainen aikataju viittaa jossain määrin puolijohdelaitteisiin.

Kahdeksankymmenennenensimmäisen vuosisadan alussa valmistettiin enemmän puolijohdelaitteita kuin mitään muuta valmistettua asiaa. Yhdelle kahdeksan tuuman piikiekolle valmistetaan yli kymmenen miljardia komponenttia. 1940-luvulla yksinkertaisten puolijohdelaitteiden työt hoidettiin tyhjiöputkien ja mekaanisten releiden avulla. (Jos tyhjiöputki kattoi yhden neliötuuman pinta-alan, samat kymmenen miljardia laitetta, jotka mahtuvat kahdeksan tuuman kiekolle, kattaisivat 6,5 neliökilometriä). Transistorin keksiminen vuonna 1947 Bell Laboratoriesissa aloitti elektronisen aikakauden, joka alkoi puhelimista ja radioista ja johti lopulta yhä pienempiin ja nopeampiin tietokoneisiin, tehokkaampaan valaistukseen, keinoon kerätä sähköenergiaa auringosta ja paljon muuhun.

Kiinteän olomuodon laitteiden materiaalit

Kiinteän olomuodon laitteet koostuvat kiteisten materiaalien monimutkaisista organisaatioista, joilla on eristäviä, puolijohteisia tai johtavia ominaisuuksia. Eristeet, jotka koostuvat tyypillisesti SiO2:sta, estävät virran kulun laitteen yhdestä osasta toiseen. Puolijohteet, tyypillisesti pii tai piiin liittyvät materiaalit, ovat kiinteän olomuodon laitteiden päämateriaaleja, jotka säätelevät varattujen kantajien (elektronien tai aukkojen) määrää ja virtausnopeutta. Reikiä syntyy, kun elektroni poistetaan, ja ne kantavat siten positiivisen varauksen. Johtimia, tyypillisesti metalleja, kuten alumiinia tai kuparia, käytetään laitteiden sähköisiin liitäntöihin. Kiinteän olomuodon laitteiden suunnittelu, toiminta ja valmistus kuuluvat yleensä fysiikan ja tekniikan alaan. Laitteiden valmistuksessa käytettävien materiaalien ominaisuudet määräytyvät kuitenkin kemian mukaan.

Johtimien, puolijohteiden ja eristeiden välinen ero määräytyy sen mukaan, kuinka helposti elektronit (tai aukot) voivat liikkua kiteisen materiaalin läpi. Elektronien liikkuminen (delokalisaatio) tai niiden paikantuminen tiettyihin atomeihin tai niiden välille määräytyy kemiallisen sidoksen mukaan. Kiteessä on otettava huomioon monien atomien väliset toistuvat sidosvuorovaikutukset sen sijaan, että otettaisiin huomioon vain kahden atomin väliset sidosvuorovaikutukset eristetyssä molekyylissä.

Harkitaan sidosanalogiaa dihydrogeenimolekyylin, H2, ja hypoteettisen yksiulotteisen vetykiteen, Hn, välillä, joka on symbolisesti esitetty kuvassa 1. Jokaisella vetyatomilla on yksi elektroni yhdellä atomiorbitaalilla . Kun kaksi tällaista atomia tuodaan yhteen, elektronit jaetaan niiden kesken sidosmolekyyliorbitaalissa σ, jossa orbitaalit ovat keskenään vaiheessa. Korkeammalla energialla syntyy myös antisidonnainen orbitaali σ*, jossa molemmat orbitaalit ovat keskenään epäkeskeisiä. Vakaa sidostilanne syntyy, kun elektronikonfiguraatio täyttää sitovat molekyyliorbitaalit ja jättää antisitovat molekyyliorbitaalit tyhjiksi.

Kun suunnilleen ääretön määrä atomeja yhdistetään kiteeksi, ne tuovat mukanaan äärettömän määrän orbitaaleja ja vastaavia elektroneja. Kun kaikki nämä orbitaalit ovat faasissa, saadaan matalimman energian kideorbitaali. Kun ne kaikki ovat epäkeskeisiä, saadaan korkeimman energian kideorbitaali. Koska atomeja on kuitenkin lähes ääretön määrä ja siten myös atomiorbitaaleja lähes ääretön määrä, on muodostettava lähes ääretön määrä kideorbitaaleja, joiden energiat ovat suurimman sidostason ja suurimman antisidostason välissä. Tätä kideorbitaalien kokoelmaa kutsutaan energiakaistaksi.

Jokaista kaistaa voidaan täyttää elektroneilla samalla tavalla kuin muovipulloa täytetään hiekalla. Jos tuo hiekkapullo on täysin täynnä, sitä voi kallistaa tai jopa kääntää ylösalaisin, eivätkä hiekanjyvät liiku. Jos muovipullo ei ole täysin täynnä (eli kyseessä on osittain täytetty nauha), hiekanjyvät voivat helposti liikkua, kun pulloa kallistetaan. Ne eivät ole lokalisoituneet yhteen paikkaan vaan delokalisoituneet koko yläpinnalle. Samalla tavalla osittain täytetyn nauhan elektronit ovat delokalisoituneet koko kiteen alueelle ja voivat johtaa sähköä. Korkeimman täytetyn tason energiaa kutsutaan Fermin energiaksi.

Johtokyvyn ymmärtäminen

Metallijohdin on aine, jolla on osittain täytetty kaista. Elektronien siirtäminen täytetyltä tasolta tyhjälle tasolle kaistalla vaatii hyvin vähän energiaa; tämä johtaa suureen johtavuuteen, koska Fermi-tasolla ei ole energia-aukkoa. Kun metallisen johtimen lämpötilaa lasketaan, johtavuus kasvaa, koska kiteen atomien lämpöliike hidastuu, jolloin elektronit pääsevät liikkumaan helpommin.

Sen sijaan sekä puolijohteilla että eristeillä on kaistarakenteet, joissa kaikki niiden elektroniset kaistat ovat joko täysin täytettyjä tai täysin tyhjiä. Koska todellisissa kiteissä on useampi kuin yksi orbitaali, toisin kuin vetyesimerkissä, elektronisen kaistarakenteen synnyttäviä kaistoja on useita. Fermi-energian alapuolella esiintyy elektronien täyttämiä kaistoja, ja korkeamman energian kaistat ovat tyhjiä. Täytetyn kaistan korkeimman osan ja tyhjän kaistan alimman osan välinen energiaero on kaistaväli. Eristimen ja puolijohteen välinen ero on bändiaukon koko. Materiaalia, jonka bändiaukko on alle 3,5 eV, pidetään puolijohteena, kun taas materiaalit, joiden bändiaukko on suurempi, ovat eristeitä. Puolijohteessa Fermi-tason alapuolella olevaa täytettyä kaistaa kutsutaan valenssikaistaksi ja Fermi-tason yläpuolella olevaa tyhjää kaistaa johtavuuskaistaksi.

Jos puolijohteeseen syötetään riittävästi energiaa, elektroni voi siirtyä valenssikaistasta johtavuuskaistalle; tällöin valenssikaistassa syntyy myös reikä. Johtumiskaistalle siirtynyt elektroni ja/tai valenssikaistalle jäänyt reikä voi delokalisoitua koko kiteeseen, mikä johtaa elektroniseen johtavuuteen. Johtavuuden suuruuteen vaikuttaa voimakkaasti puolijohteeseen syötetty energia. Tästä syystä puolijohteen johtavuus kasvaa lämpötilan noustessa.

Puolijohteiden kemia

Puolijohteen ominaisuudet määräytyvät materiaalin alkuainekoostumuksen, rakenteen ja mahdollisten epäpuhtauksien esiintymisen mukaan. Epäpuhtaudet, joita yleisesti kutsutaan dopanteiksi, lisäävät puolijohteelle ekstrinsisiä ominaisuuksia verrattuna itse puhtaan materiaalin intrinsisiin ominaisuuksiin.

Intrinsiset puolijohteet. Ryhmän 14 alkuaineiden hiilen, piin, germaniumin ja tinan voidaan havaita omaksuvan kuvassa 3a esitetyn timanttityyppisen kiderakenteen. Myös muita kiderakenteita löytyy; esimerkiksi grafiitti ja timantti ovat saman alkuaineen, hiilen, erilaisia kiderakenteita. Hiili muodostaa kokonsa ja orbitaalienergioidensa vuoksi hyvin

vahvoja sidoksia, joten timantissa on suuri energiaero sidos- ja antisidoskaistojen välillä. Tämä johtaa suureen 6,0 eV:n bändiaukkoon, mikä tekee timantista eristeen. Sitä vastoin raskaampien alkuaineiden (piin, germaniumin ja tinan) väliset sidokset eivät ole yhtä vahvoja, joten kaistaväli pienenee jaksollisen järjestelmän saraketta alaspäin mentäessä: pii 1,1 eV, germanium 0,7 eV ja harmaa tina 0,1 eV. Lisäksi alle 13 °C:n (55 °F) lämpötiloissa tina muuttuu kiderakenteeltaan valkoiseksi tinaksi, jolla ei ole kaistalevykuilua, koska se on metallinen.

Yhdisteelliset puolijohteet koostuvat useammasta kuin yhdestä alkuaineesta ja antavat mahdollisuuden säätää kaistalevykuilun kokoa kemiallisesti. Tyypillisissä yhdisteellisissä puolijohteissa yhdistyvät jaksollisen järjestelmän kolmentoista ja viidennentoista ryhmän alkuaineet. Nämä yhdisteelliset puolijohteet omaksuvat myös timanttityyppisen kiderakenteen, mutta kiderakenteen atomityypit vaihtelevat (kuva 3b). Yhdistämällä alkuaineita, joilla on kolme ja viisi valenssielektronia (kuten alumiini ja fosfori) – keskimäärin neljä elektronia atomia kohti – saadaan materiaali, jolla on samanlaiset ominaisuudet kuin piillä, jolla on neljä valenssielektronia. Koska fosforin orbitaalit ovat kuitenkin matalamman energian omaavia ja alumiinin orbitaalit korkeamman energian omaavia kuin piin orbitaalit, yhdistepuolijohde AlP:llä havaitaan suurempi kaistaväli (3,0 eV). Raskaampien alkuaineiden galliumin ja arseenin yhdistäminen muodostaa galliumarsenidia (GaAs), jonka kaistaväli on 1,4 eV. Samanlainen kemia on mahdollista yhdistämällä kahdentoista ja kuudentoista ryhmän alkuaineita, jolloin saadaan esimerkiksi puolijohteet sinkkisulfidi (ZnS) ja kadmiumselenidi (CdSe), joiden kaistanleveydet ovat 3,8 eV ja 1,8 eV.

Puolijohteiden dopantit. Elektroniikkalaatuisen puolijohteen puhtauden on oltava yli 99,999 prosenttia. Epäpuhtauksien määrää ja tyyppiä säätelemällä voidaan kuitenkin hienosäätää puolijohteen ominaisuuksia. Esimerkiksi fosforin (jolla on viisi valenssielektronia) lisääminen piihin (jolla on neljä valenssielektronia) lisää tehokkaasti yhden ylimääräisen elektronin kutakin kiteeseen lisättyä fosforiatomia kohti. Fosfori on siis piille luovuttaja. Dopingaineena olevat fosforiatomit syrjäyttävät piiatomeja kiteessä, mutta yleinen kiderakenne ei muutu eikä kaistarakenne muutu. Ylimääräisen elektronin on kuitenkin mentävä johtumiskaistalle, koska valenssikaista oli jo täynnä. Näin saadaan n-tyypin puolijohde. Sitä vastoin piitä seostettaessa alumiinilla saadaan yksi elektroni liian vähän, jolloin valenssikaistaan jää yksi reikä jokaista lisättyä alumiiniatomia kohti. Alumiini on siis piin akseptori. Koska reiät ovat menettäneet elektroneja, niillä on positiivinen varaus, ja ne muodostavat p-tyyppisen puolijohteen. Koska energia-aukko luovuttajatasojen ja johtokaistan (En) tai akseptoritasojen ja valenssikaistan (Ep) välillä on hyvin pieni, näillä seostetuilla puolijohteilla on suurempi johtavuus ja paljon vähäisempi lämpötilariippuvuus kuin luontaisella puolijohteella.

P-N-liitos. P-tyyppisen puolijohteen Fermi-taso on energialtaan alempi kuin n-tyyppisen puolijohteen. Kun p- ja n-tyypin puolijohteet liitetään yhteen, syntyy yhteinen Fermi-taso, kun reiät ja elektronit yhdistyvät rajapinnassa. Liittymässä ei ole mitään kantajia tässä tyhjentymisvyöhykkeessä. Kun p-n-liitoksen p-tyypin puolelle asetetaan positiivinen jännite ja n-tyypin puolelle negatiivinen jännite, virta voi kulkea, koska positiivinen jännite työntää reikiä kohti

negatiivista katodia ja negatiivinen jännite työntää vapaita elektroneja kohti positiivista anodia. Sitä vastoin pariston kytkeminen päinvastoin kasvattaa tyhjennysvyöhykkeen kokoa, koska liitoksen p-puolelle kytketty negatiivinen jännite vetää enemmän reikiä kohti kyseistä elektrodia ja n-tyypin puolijohteeseen kytketty positiivinen jännite vetää elektroneja kohti elektrodia ja pois liitoksesta, jolloin tyhjennysvyöhyke on suurempi. Tämän seurauksena vapaita kantajia ei ole, eikä virta voi kulkea. Näin tämä p-n-liitos muodostaa yksinkertaisimman kiinteän tilan laitteen, joka tunnetaan nimellä diodi.

Diodit. Diodit ovat pohjimmiltaan elektronisen johtavuuden yksisuuntaventtiilejä. Tällainen laite on erittäin tärkeä virtalähteessä, joka muuntaa vaihtovirran tasavirraksi, mikä on välttämätöntä monille elektronisille laitteille. Yksittäisen diodin kytkeminen vaihtovirtapiiriin estää joko positiivisen tai negatiivisen jännitteen heilahtelun, jota kuvataan puoliksi tasasuuntauksena. Neljän diodin kytkeminen (kuten kuvassa 6 on esitetty) johtaa täysaaltotasasuuntaukseen, jolloin vaihtovirta muunnetaan tasavirraksi. Kondensaattoreiden lisääminen tähän piiriin tasoittaa jännitteen heilahtelut laitteen varsinaista toimintaa varten.

Kun sähkövirta kulkee minkä tahansa p-n-liitoksen läpi, johtavuuskaistan läpi kulkevat elektronit tai valenssikaistan läpi kulkevat reiät voivat rekombinoitua reikien tai vastaavasti elektronien kanssa kaistanraon yli. Tämä rekombinaatio tapahtuu ensisijaisesti elektroneille, jotka on työnnetty diodin p-tyyppiselle alueelle, ja rei’ille, jotka ulkoinen jännite on työnnetty diodin n-tyyppiselle alueelle. Kun elektronit ja reiät rekombinoituvat kaistanraon yli, energiaa vapautuu, usein fotonina, jonka energia on yhtä suuri kuin kaistanraon energia. Puolijohteet, joiden kaistanraot ovat välillä 1,8 eV-3,1 eV, säteilevät näkyvän valon fotoneja (punaisesta violettiin). Näitä kutsutaan LEDeiksi. Itse asiassa kaikki diodit säteilevät valoa, mutta useimpien bändiaukko on pienempi kuin näkyvän fotonin energia.

Sen vuoksi useimmat diodit säteilevät infrapuna-fotoneita. Tällaista infrapunasäteilyä käytetään merkinantoon monissa kauko-ohjauslaitteissa.

Transistorit. Transistorit ovat kiinteän olomuodon kytkentä- ja vahvistuslaitteita, ja juuri niiden keksiminen vuonna 1947 aloitti 1900-luvun lopun elektroniikan vallankumouksen. n-p-n-bipolaaritransistori muodostetaan yhdistämällä n-tyyppiset puolijohteet ohuen p-tyyppisen puolijohteen molemmin puolin. Kuten kuvassa 7 näkyy, transistori toimii kytkimenä 10 V:n virtalähteeseen kytketyssä piirissä. Jos pohjaan (kontakti B) kytketään pieni negatiivinen jännite, reiät poistuvat p-tyypin puolijohteesta luoden eristävän esteen. Tämä on sama prosessi kuin yrittäisi pakottaa virran väärään suuntaan kahden p-n-liitoksen läpi. Tämän seurauksena minkään kontaktin välillä ei virtaa virtaa. Jos peruskoskettimeen kuitenkin kytketään pieni positiivinen jännite, ohjaussilmukan läpi virtaa jonkin verran virtaa (elektronit kulkevat emitteristä peruskoskettimeen). Koska emitterin (kontakti E) ja kollektorin (kontakti C) välille syötetty jännite on paljon suurempi kuin perusjännite, paljon suurempi osa elektroneista kulkee ohuen p-tyyppisen kerroksen läpi, jolloin saadaan paljon suurempi kollektorivirta.

Kuten edellä on kuvattu, transistori toimii yksinkertaisena päälle/pois-laitteena riippuen siitä, minkä merkkinen jännite syötetään emitterin ja emitterin yli. Koska perusvirta on pieni ja kollektorivirta suuri, tätä samaa puolijohdelaitetta voidaan käyttää myös signaalivahvistimena. Keräinvirran ja pohjavirran suhde on olennaisesti vakio tietyssä laitteessa. Koska perusvirta on verrannollinen perusemitterijännitteeseen (B:n ja E:n välinen jännite) ja kollektorivirta on verrannollinen emitterikollektorijännitteeseen (E:n ja C:n välinen jännite), esimerkiksi mikrofonista BE-silmukkaan syötetyn jännitteen pieni värähtely vahvistuu suureksi värähtelyksi EC-silmukan jännitteessä, joka voidaan sitten kytkeä kaiuttimeen.

Vaikka erilaisia puolijohdeyhdistelmiä voidaan valmistaa moniksi erilaisiksi puolijohdelaitteiksi, laitteen toiminta on vahvasti riippuvainen puolijohteet muodostavien elementtien kemiasta. Puolijohteet muodostavien alkuaineiden väliset sidokset määräävät elektronisen kaistarakenteen ja kaistavälin koon. Valenssielektronien määrä määrää näiden kaistojen täyttymisen ja siten elektroniset ominaisuudet. Jatkuvat tutkimustoimet jatkuvat uusien puolijohteiden löytämiseksi ja uusien mahdollisten sovellusten löytämiseksi. Lisäksi panostetaan laajasti yhä pienempien ja pienempien laitteiden suunnitteluun tavoitteena siirtyä kiinteän olomuodon laitteista (jotka perustuvat kiteisiin materiaaleihin) yhden molekyylin laitteisiin.

James D. Martin

Bibliografia

Campbell, Dean J.; Lorenz, Julie K.; Ellis, Arthur B.; Kuech, Thomas F.; Lisensky, George; Whittingham, C.; ja Stanley, M. (1998). “Tietokone materiaalitieteen vertailukohtana”. Journal of Chemical Education 75:297-312.

Ellis, Arthur B.; Geselbracht, Margret J.; Johnson, Brian J.; Lisensky, George C.; ja Robinson, William R. (1993). Yleisen kemian opettaminen: A Materials Science Companion. Washington, DC: American Chemical Society.