Puolijohteet

Puolijohteet muodostavat nykyaikaisen elektroniikan perustan. Käytännössä lähes kaikki elektroniikkalaitteet sisältävät puolijohteista tehtyjä komponentteja: prosessorit, operaatiovahvistimet, diodit, muistit, logiikkapiirit... Tutustumme tässä luvussa aluksi puolijohdefysiikan tärkeimpiin asioihin ja katsomme sen jälkeen yksinkertaisinta puolijohdekomponenttia, diodia. Sähkönjohtavuus Materiaalin sähkönjohtavuuden perusteella aineet voidaan jakaa johteisiin, puolijohteisiin ja eristeisiin. Eroavuudet sähkönjohtavuudessa voidaan selittää tarkastelemalla varausten liikettä materiassa. Esimerkiksi metallit johtavat yleensä hyvin sähköä johtuen atomitason rakenteesta ja nk. metallisidoksen ominaisuuksista. Metallisidoksessa on paljon helposti vapaasti liikkuvia elektroneja, jotka mahdollistavat sähkövirran kulun. Yleisesti ottaen materiaalissa atomit ovat kiinnittyneet toisiinsa erilaisin sidoksin. Tärkeimmät sidokset ovat kovalenttinen sidos, ionisidos ja metallisidos. Yksinkertaisen atomimallin mukaan elektronit sijaitsevat atomin ytimen ympärillä olevilla elektronikuorilla. Tätä esittää seuraava kuva, jossa on esitetty piin (Si) yksinkertainen atomalli. Yhdellä elektronikuorella voi olla 2*n^2 elektronia (n == elektronikuoren järjestysluku). Piin (Si) elektronit voidaan malliintaa olevan kolmella elektronikuorella. Piin järjestysluku alkuaineiden jaksollisessa järjestelmässä on 14, joten yhdessä piiatomissa on 14 elektronia, jotka ovat sijoittuneet kolmelle elektronikuorelle.   Aineen sähköiset ominaisuudet määräytyvät pääasiassa ko. aineen atomien uloimman elektronikuoren elektronien, valenssielektronien, perusteella. Yksinäisessä atomissa jokainen elektroni on omalla erillisellä energiatasollaan. Ainemassassa eri atomit vaikuttavat toisiinsa siten, että eri atomien samoilla radoilla olevien elektronien energiat muodostavat energiavöitä. Erikoisesti valenssielektronien energiat muodostavat ns. valenssivyön.