Poluprovodnik

Poluprovodnici su otkriće moderne elektronike. Poluprovodnički materijali postoje u dvije vrste - elementarni materijali i spoj materijala. Moderno shvatanje osobina poluprovodnika oslanja se na kvantnu fiziku da objasni pokretanje elektrona i rupa u kristalnoj rešetci. Unikatni raspored kristalne rešetke čini da su silicij i germanij najčešće korišteni elementi u pripremi poluprovodničkih materijala. Povećano znanje poluprovodničkih materijala i fabrički procesi učinili su mogućim nastavljajuće poraste u kompleksnosti i brzini mikroprocesora i memorijskih uređaja. Neke od ovih informacija na stranici mogu zastarjeti u periodu od godinu dana, zbog činjenice da se nova otkrića u ovom polju rade veoma često.

Električna konduktivnost poluprovodničkog materijala raste sa porastom temperature, što je ponašanje suprotno onom od metala. Poluprovodnički uređaji mogu prikazati opseg različitih osobina kao što je prolazak struje mnogo lakše u jednom pravcu u odnosu na drugi, pokazujući promjenljivi otpor, i osjetljivost na svjetlost i toplotu. Zbog ovih električnih osobina poluprovodnički materijal može biti modificiran kontroliranim dodavanjem nečistoća, ili primjenom električnog polja ili svjetlosti, uređaji napravljeni od poluprovodnika mogu biti koritešni za amplifikaciju, preklopku i pretvorbu energije.

Kondukcija električne struje u poluprovodniku pojavljuje se kroz prolaz slobodnih elektrona i "rupa", kolektivno poznatih kao nosioci naboja. Dodavanjem nečistih atoma u poluprovodnički materijal, što je poznato kao  "dopingovanje", uveliko povećava broj nosioca naboja unutar njega. Kada dopingovani poluprovodnik sadrži uglavnom slobodne rupe naziva se "p-tip", a kada uveliko sadrži slobodne elektrone poznat je kao "n-tip". Poluprovodnički materijali korišteni u elektronskim uređajima dopinguju se pod specijalnim uvjetima da kontroliraju koncentraciju i regije p- i n-tip dopanta. Jedan poluprovodnički kristal može imati više p- i n-tip regija; p-n raskrsnice između ovih regija su odgovorne za korisno elektroničko ponašanje .

Neke od osobina poluprovodničkih materijala bile su posmatrane kroz sredinu 19. i prve decenije 20. vijeka. Razvoj kvantne fizike zauzvrat dopustio je razvoj tranzistora 1947. Iako nekolicina čistih elemenata i  više spojeva prikazuju osobine poluprovodnika, silicij, germanij, i spojevi galija najviše se koriste u eektronskim uređajima. Elementi blizu takozvanih "metaloidnih stepenica", gdje su metaloidi locirani u PSE, često se koriste kao poluprovodnici.

Varijabilna električna provodljivost

Poluprovodnici u svom prirodnom stanju su loši provodnici jer struja zahtijeva protok elektrona, a poluprovodnici imaju popunjene valentne pojaseve, sprječavajući cjelokupni protok novih elektrona. Nekoliko razvijenih tehnika omogućava da se poluprovodnički materijali ponašaju kao provodni materijali, kao što su doping ili gajting. Ove modifikacije imaju dva ishoda: n-tip i p-tip. Oni se odnose na višak ili nedostatak elektrona, respektivno. Uravnotežen broj elektrona bi prouzrokovao da struja teče kroz materijal.

Heterojukcije

Heterospojnice nastaju kada se spoje dva različito dopirana poluprovodnička materijala. Na primjer, konfiguracija bi se mogla sastojati od p-dopiranog i n-dopiranog germanija. Ovo rezultira razmjenom elektrona i rupa između različito dopiranih poluvodičkih materijala. Germanijum dopiran n bi imao višak elektrona, a germanijum dopiran p imao bi višak rupa. Prijenos se događa sve dok se ravnoteža ne postigne procesom zvanim rekombinacija, koji uzrokuje da migrirajući elektroni iz n-tipa dođu u kontakt sa migrirajućim rupama iz p-tipa. Rezultat ovog procesa je uska traka nepokretnih jona, koja uzrokuje električno polje preko spoja.

Pobuđeni elektroni

Razlika u električnom potencijalu na poluprovodničkom materijalu dovela bi do toga da on napusti termičku ravnotežu i stvori neravnotežnu situaciju. Ovo uvodi elektrone i rupe u sistem, koji međusobno djeluju putem procesa koji se naziva ambipolarna difuzija. Kad god se naruši termička ravnoteža u poluprovodničkom materijalu, mijenja se broj rupa i elektrona. Takvi poremećaji mogu nastati kao rezultat temperaturne razlike ili fotona, koji mogu ući u sistem i stvoriti elektrone i rupe. Proces koji stvara i anihilira elektrone i rupe naziva se generisanje i rekombinacija, respektivno.

Emisija svjetlosti

U određenim poluprovodnicima, pobuđeni elektroni mogu da se opuste emitujući svjetlost umesto da proizvode toplotu. Ovi poluprovodnici se koriste u konstrukciji dioda koje emituju svjetlost i fluorescentnih kvantnih tačaka.

Visoka toplotna provodljivost

Poluprovodnici sa visokom toplotnom provodljivošću mogu se koristiti za odvođenje toplote i poboljšanje termičkog upravljanja elektronikom.

Pretvaranje toplotne energije

Poluprovodnici imaju velike termoelektrične faktore snage što ih čini korisnim u termoelektričnim generatorima, kao i visoke termoelektrične vrijednosti što ih čini korisnim u termoelektričnim hladnjacima.