Pii puolijohteena

Abstract

Tässä työssä tutkitaan elektroniikassa käytettäviä puolijohteita ja niiden keskinäisiä eroja. Työ keskittyy puolijohteista pääasiassa piihin ja vertailee sen kautta muita puolijohteita. Pii on erittäin merkittävä materiaali elektroniikkateollisuudessa, koska suurin osa kaikista maailman mikropiireistä valmistetaan piistä. Työn tarkoituksena on selvittää, miksi pii on puolijohdealalla käytetyin materiaali, miten muut puolijohteet voivat kilpailla sen kanssa ja mitkä puolijohteet voivat olla merkittäviä tulevaisuudessa. Työ on toteutettu kirjallisuuskatsauksena, jossa tutkittiin pääasiassa vertaisarvioituja kirjoja ja artikkeleita. Työn alussa käydään läpi piikiekon valmistusprosessi. Tämän prosessin merkittävin osuus on Czochralski-menetelmä, jossa kvartsihiekasta valmistetaan yksikiteinen piikristalli, josta lopuksi saadaan elektroniikkakäyttöön valmiita piikiekkoja. Seuraavaksi työssä vertaillaan yleisimpiä puolijohteita keskenään, jotka ovat pii, galliumarsenidi ja germanium. Työssä käydään läpi eri puolijohteiden edut ja heikkoudet. Lopuksi tutkitaan uudempia puolijohdemateriaaleja ja vertaillaan niiden kilpailukykyä piin kanssa. Ensimmäiset transistorit valmistettiin germaniumista, mutta pii syrjäytti germaniumin alalla piin parempien ominaisuuksien ja paremman saatavuuden takia. Galliumarsenidia suositaan varsinkin suurtaajuusteknologiassa sen suuremman energiaraon ja paremman lämmönkestävyyden takia. Galliumarsenidin kalliimpi valmistushinta ja piin saavuttama laaja yleisyys puolijohdealalla ovat syitä, miksi galliumarsenidi ei ole saavuttanut laajempaa suosiota alalla. Työssä tulee esille, että piin kilpailijoiksi tulevaisuudessa esitetään piikarbidia ja galliumnitridiä. Niistä molemmat omaavat suuremmat energiaraot ja paremmat suorituskyvyt kuin pii. Pii-karbidi onkin jo käytössä tehoelektroniikka-alalla, ja galliumnitridinkin ominaisuudet mahdollistavaisivat tulevaisuuden ratkaisuja varsinkin tehoelektroniikassa. Myös grafeenista tehdyt tuoreet tutkimukset osoittavat, että se voisi jopa korvata piin tulevaisuudessa sen suuren suorituskykynsä takia. Työ osoittaa, että kiinnostus piin käyttöön elektroniikassa alkoi sen hyvistä kemiallisista, fyysisistä ja sähköisistä ominaisuuksista. Tutkimuksen tulokset osoittavat, että nämä ominaisuudet ovat edelleenkin merkittävässä osassa puolijohdealalla. Piin rajat ovat kuitenkin tulemassa vastaan, joten uusia ratkaisuja ja materiaaleja tarvitaan tulevaisuuden puolijohdealalla. Toisaalta piillä on erittäin vakaa markkina puolijohdealalla sen valmistusmenetelmien halpuuden ja runsaan saatavuuden vuoksi, mikä mahdollistaa sen suosion myös lähitulevaisuudessa.