P-tüüpi pooljuht: määratlus, dopimine ja põhiomadused
P-tüüpi pooljuht: selge ja kompaktne juhend dopimise, akseptorlisandite (B, Al, Ga) ning põhiomaduste kohta — mõista auke, voolu ja rakendusi kiiresti.
P-tüüpi pooljuht on üks pooljuhtide tüüp. Kui kolmevalentset lisandit lisatakse puhtale või väga puhtale pooljuhile (näiteks räni või germaanium), tekib p-tüüpi dopimine: kolmavalentsed aatomid asendavad materjali neljaväljalised aatomid ja jätavad enda ümber ühe vaba koha ehk "augu". Selliseid kolmevalentseid lisandeid (aktseptoreid) on näiteks boor (B), gallium (Ga), indium (In) ja alumiinium (Al). Auk käitub elektrilaengut kandva osakesena: see on elektronist puuduv koht, mida täites liigub tegelikult elektron — loogiliselt näib, nagu liiguks "auk" ise, ja seda peetakse p-tüübi enamuses kandjaks (majority carrier).
Põhikontseptsioonid:
- Pooljuhis tekib elektrivoolu, kui kandjad (elektronid või augud) liiguvad läbi materjali vastavalt elektriväljadele või kontsentratsioonigradientidele.
- P-tüüpi pooljuhis on rohkem auke kui vabu elektrone — auke loetakse positiivseteks laengukandjateks.
- Samas ei tähenda see, et p-tüüpi materjal laseks voolu voolata ainult ühes suunas: suunatus tekib alles siis, kui p-tüüpi koht kokku viiakse n-tüüpi materjaliga ja moodustub p–n liides (diodid, tranzistorid jne).
Enim kasutatakse pooljuhtidena räni. Räni aatomil on väliskihil neli elektroni; kui osa räni aatomitest asendatakse kolmevalentse lisandiga (näiteks boor või alumiinium.), jääb asenduskohale puudu neljas elektron — tekib auk. Sellise asenduse korral räägitakse substitutsioonilisest dopimisest.
Energiakujutis ja elektrilised omadused: Dopimine lisab materjalile täiendavaid energiatasemeid (aktseptori tasemed), mis asuvad tavaliselt väga lähedal valentsiribale. Võrdlemisi väikese energia sisendiga ioniseeruvad aktseptorid toovad kaasa lühikese aja jooksul palju vabu auke, seega suureneb materjali juhtivus. Selle tulemusena nihkub ka Fermitaseme asend valentsiriba suunas.
Praktiliselt on p-tüüpi pooljuhtidel kaks olulist kandjatüüpi: enamused kandjad — augud, ja vähemuseis kandjad — elektroni‑paarid (minority carriers). Ioniseerunud aktseptorid kannavad negatiivset laengut (on saanud elektroni), mistõttu materjalis kehtib laenguheitlus (charge neutrality) ning vaba kandjate kontsentratsioon sõltub dopimise kontsentratsioonist ja temperatuurist.
Dopimise meetodid ja tasemed:
- Tavapärased dopimismeetodid on diffundeerimine (gaasi või tahke allika abil) ja ioonimplanteerimine ning seejärel temperatuuri töötlemine (annealing) kristallvõrgu taastamiseks.
- Dopantide kontsentratsioonid optimeeritakse sõltuvalt rakendusest — tüüpiliselt liiguvad need vahemikus ~10^14 kuni ~10^19 cm^−3; võrdluseks isendipooljuhtide jaoks on intrinsikaalseks kandjatihenduseks ruumiliselt ligikaudu 10^10 cm^−3 (rängil temperatuuri 300 K korral räni puhul).
Elektriline liikuvus ja temperatuur: Auguliikumise efektiivne liikuvus on üldjuhul väiksem kui elektronide oma, seega p-tüüpi piirkonnas on liikuvus sageli madalam kui vastaval n-tüübil. Juhtivus sõltub kandjate kontsentratsioonist ja liikuvusest ning muutub tugevalt temperatuuriga: madalamatel temperatuuridel võivad osa aktseptoritest olla mittesioniseeritud, kõrgetel temperatuuridel domineerivad kahjustused ja hajumine.
Kasutus ja tähtsus: p-tüüpi pooljuhte kasutatakse koos n-tüübiga p–n liideste loomiseks, mis on pooljuhtseadmete (diodid, bipolaartransistorid, MOSFET-id, päikesepatareid jt) põhilised ehitusplokid. Näiteks diodil võimaldab p–n üleminek ühes suunas voolu kergemini voolata kui teises, transistorites kasutatakse p- ja n- piirkondi signaali juhtimiseks ja võimendamiseks.
Kokkuvõte: P-tüüpi pooljuht tekib siis, kui pooljuhile (näiteks räni) dopinguna lisatakse kolmevalentseid aktseptoreid (boor, alumiinium, gallium, indium), mille tulemusel tekivad auke — positiivsed laengukandjad. See muudab materjali juhtivust ja võimaldab koostööd n-tüübiga keerukate elektroonsete elementide loomisel.
Tootmine
P-tüüpi pooljuhid valmistatakse puhta pooljuhtmaterjali dopingu abil. Lisandi kogus on väga väike võrreldes pooljuhi kogusega. Pooljuhi täpset iseloomu saab muuta lisatava "lisandi" koguse muutmisega. p-tüüpi pooljuhtide puhul on aukude arv palju suurem kui termiliselt tekitatud elektronide arv.
Seotud leheküljed
Pooljuhtide
Küsimused ja vastused
K: Mis on p-tüüpi pooljuht?
V: P-tüüpi pooljuht on pooljuhi tüüp, kus sisemisele või puhtale pooljuhile, näiteks ränile või germaaniumile, on lisatud kolmevalentne lisand.
K: Mis on akseptori lisandid?
V: Aktseptorlisanditeks nimetatakse kolmealuselisi lisandeid nagu boor (B), gallium (Ga), indium (In) ja alumiinium (Al).
K: Millest koosnevad tavalised pooljuhid?
V: Tavalised pooljuhid on valmistatud materjalidest, mis jäävad juhtide ja isolaatorite vahepeale ja ei juhi elektrivoolu väga hästi.
K: Kuidas tekib materjalis elektrivool?
V: Selleks, et elektrivool tekiks, peavad elektronid liikuma läbi materjali ja materjalis peab olema elektronauk, kuhu elektron saab liikuda.
K: Kuidas võimaldab p-tüüpi pooljuht voolu voolamist?
V: P-tüüpi pooljuhtides on rohkem auke kui elektrone, mis võimaldab voolu voolata mööda materjali august auku, kuid ainult ühes suunas.
K: Mis on räni ja kuidas sellest pooljuhte valmistatakse?
V: Räni on element, mille väliskoores on neli elektroni, ja seda kasutatakse kõige sagedamini pooljuhtide valmistamiseks. P-tüüpi pooljuhtide valmistamiseks lisatakse ränile täiendavaid materjale, nagu boor või alumiinium, mis tekitavad neljanda elektroni asemele augu.
Küsimus: Mis on kolmealuselise lisandi lisamise eesmärk puhtale pooljuhile?
V: Kolmevalentse lisandi, näiteks boori või alumiiniumi lisamine puhtale pooljuhile tekitab elektronide auke ja võimaldab p-tüüpi pooljuhis elektrivoolu voolu.
Otsige