N-tüüpi pooljuht: definitsioon, omadused ja rakendused

N‑tüüpi pooljuht: definitsioon, omadused ja rakendused — selge ülevaade doonorlisanditest (fosfor, arseen), juhtivusest ja elektroonikakasutustest nagu dioodid, transistorid ja päikesepaneelid.

N-tüüpi pooljuht on elektroonikas kasutatav materjalitüüp.

Seda valmistatakse puhtale pooljuhile, näiteks ränile või germaaniumile, lisandite lisamisega. Lisanditeks võivad olla fosfor, arseen, antimon, vismut või mõni muu keemiline element. Neid nimetatakse doonorlisanditeks. Lisandit nimetatakse doonoriks, sest see annab pooljuhile vaba elektroni. Selle eesmärk on teha materjalis juhtimiseks rohkem laengukandjaid ehk elektronijuhte kättesaadavaks. Lõplik materjal on palju juhtivam kui esialgne räni või germaanium.

Mõisted ja toimimine

N-tüüpi tähistab seda, et enamik laengukandjatest on negatiivse laenguga elektronid (suuremad kui augud). Doonoratomid annavad ühe või mitu vaba elektroni, mille tõttu suureneb vaba elektronide kontsentratsioon piiratud materiaalses kristallvõrgus. Doonorite energiaolekud paiknevad tavaliselt lähedal juhtimisribale (conduction band), mistõttu annavad nad elektrone suhteliselt kergesti.

Füüsikalised omadused

• Enamikukandjad: elektronid. Minority-kandjad ehk augud esinevad vähesel määral.
• Juhtivus: elektrijuhtivus sõltub vaba elektronide kontsentratsioonist n ja elektronide liikumisvõimest μn: σ = q · n · μn (kus q on laenguühiku suurus).
• Fermi tase: n-tüüpi pooljuhis nihkub Fermitaseme asukoht lähemale juhtimisribale kui puhtas (intrinsic) pooljuhis.
• Temperatuuri mõju: madalatel temperatuuridel võib osa doonoritest olla mitteioniseeritud (freeze‑out), keskmistel ja kõrgetel temperatuuridel domineerib ekstreemne ehk ekstrinsiline piirkond, ning väga kõrgetel temperatuuridel läheb materjal taas intrinsiikseks.
• Doosid: tüüpilised dopikontsentratsioonid elektroonikas jäävad ligikaudu 10^14–10^19 cm−3 vahele; suurem doos tõstab juhtivust, kuid võib vähendada liikuvust tõttu suurenenud hajumisele.
• Kompenserimine: kui materjalis on nii doonoreid kui ka akseptoreid, võib osa doonoritest kompenseeruda ja netotüüpi sõltub lõppmassiivist).

Dopimise meetodid

Levinumad tehnoloogiad doonorlisandite viimiseks pooljuhtkristalli on difusioon ja ioonimplanteerimine. Difusiooniga lastakse lisanditel kõrgel temperatuuril tungida ränikihile; ioonimplanteerimisel suunatakse kõrgeenergialised ioonid otse soovitud piirkonda ja seejärel tehakse anneal (kuumtöötlus), et taastada kristallvõrk.

Energiatasetel ja ionisatsioon

Doonorite ionisatsioonienergia on tavaliselt väike (tüüpiliselt mõnikümmend millielektronvolti ränil), mistõttu toatemperatuuril on enamik doonoreid ioniseeritud ja annavad elektronid juhtimisribale. Energia­diagrammil tähendab see, et donorite tasemed asuvad veidi alla juhtimisriba ja Fermitase läheneb juhtimisribale.

Võrdlus p‑tüübiga ja liitühendused

N‑tüüpi pooljuht erineb p‑tüübist selle poolest, et p‑tüübis on enamikukandjateks positiivsed augud (akseptorite tõttu). N‑ ja p‑tüüpi piirkondade liitumisel tekib pn‑liides, mis on pooljuhtseadmete (näiteks dioodid, transistorid) töö aluseks: liideses tekib tühjemate kandjate tõttu depletsiooniala ja pööratav/diodiline käitumine.

Rakendused

• Dioodid ja pn‑liidesed (koos p‑tüübiga) — voolu suunamine ja lülitus.
• Transistorid (näiteks NPN bipolaartransistorid) ja n‑kanali MOSFETid — lülitid, võimendid ja loogikalülituste põhikomponendid.
• Integreeritud skeemid ja digitaallogika — n‑tüüpi piirkondi kasutatakse sageli nii kanalite kui ka kontaktide kujul.
• Sensorid ja fotoelektrilised seadmed — koos muude materiaalsete kihistustega võivad n‑tüüpi kihid osaleda valgustundlates ja päikesepatareides.

Kokkuvõte

N‑tüüpi pooljuht on tehniliselt ja praktiliselt oluline materjal, kus doonorlisandite abil suurendatakse vaba elektronide arvu. See muudab materjali paremini juhtivaks ja võimaldab ehitada laia valikut elektroonikaseadmeid. Mõistmine, kuidas dopimine, temperatuur ja liitühendused mõjutavad elektronide käitumist, on pooljuhttehnoloogia aluseks.

Otsing