Pooljuht: mis see on, tüübid (n- ja p-tüüpi) ja rakendused

Avasta, mis on pooljuht, kuidas tekivad n- ja p-tüüpi pooljuhid ning nende rakendused arvutites, telefonides ja elektroonikas — lihtne selgitus ja praktilised näited.

Pooljuht on materjal, mis mõnel juhul juhib elektrit, kuid teistel juhtudel mitte. Hea elektrijuht, nagu vask või hõbe, laseb elektrit kergesti läbi; materjale, mis elektrivoolu blokeerivad, näiteks kummi või plast, nimetatakse isolaatoriteks. Isolaatorid aitavad sageli inimesi kaitsta elektrilöögi eest. Nagu nimigi ütleb, ei juhi pooljuht elektrit nii hästi kui metallid, kuid tema juhtivus on reguleeritav ja kasutatav elektroonikas. Kõige enamlevinud kommertsiaalne pooljuht on räni, kuid kasutatakse ka teisi materjale, näiteks galliumarseniidi.

Kuidas pooljuht toimib

Pooljuhtides on elektronid ja augud (puuduvad elektronid valentsskaalas) peamised kandjad, mis kannavad elektrivoolu. Sarnaselt teiste tahkete kehadega võivad elektronid pooljuhtides omada energiat ainult teatud ribade ehk energiatasemete vahemikes. Need ribad on peamiselt valentsriba (kus elektronid on seotud aatomitega) ja juhtimisriba (kus elektronid saavad vabalt liikuda). Neid ribasid eraldab energiavahe ehk band gap; see määrab, kui kergesti elektronid valentsskaalast juhtimisriba soojus- või valgusenergia toimel üle lähevad.

Toatemperatuuril on puhtal (intrinsiksel) pooljuhil väike, kuid mitte null kontsentratsioon vabade elektronide ja vastavate aukude. Temperatuuri tõustes suureneb soojuslik ergastus ja seega ka laengukandjate hulk. Pooljuhtide juhtivust saab oluliselt muuta, lisades kristallvõrku üliväikestes kogustes muid elemente — seda protsessi nimetatakse dopeerimiseks.

n- ja p-tüüpi pooljuhid

Dopeerimise tulemusena tekivad kaks peamist tüüpi pooljuhte:

• n-tüüpi pooljuht — kui võrku lisatakse elemente, millel on rohkem väliskihi elektrone kui baasatomil (näiteks rühma V elemendid ränile), annavad need lisaelektronid, mistõttu vaba elektronide arv (negatiivsete laengukandjate arv) suureneb. n-tüüpi puhul on enamik laengukandjatest elektronid.
• p-tüüpi pooljuht — kui võrku lisatakse elemente, millel on vähem väliskihi elektrone (näiteks rühma III elemendid ränile), tekivad "augud" ehk positiivsed laengukandjad, sest elektronit klassikalises mõttes napib. p-tüüpi puhul kannavad elektrit peamiselt augud.

n- ja p-tüüpi piirkondade liitumisel tekib p–n-liides, mis on pooljuhtseadmete, nt dioodide ja transistorite, töö aluseks: liides laseb voolu tavaliselt ainult ühes suunas (diod), võimaldab juhtida ja võimendada signaale (transistor).

Materjalid ja omadused

Räni on tööstuses domineeriv materjal, sest selle tehnoloogia on hästi arendatud ja ränipiirkondlik oksüüd on lihtne isolatsioonimaterjal. Lisaks kasutatakse ka galliumarseniidi, germaaniumi ja mitmeid pooljuhtühendeid, eriti rakendustes, kus on oluline kõrge kiirus, optiline aktiivsus või laiem energiavahe. Pooljuhtide omaduste mõistmiseks on oluline ka arusaam, et elektronide käitumine on tihedalt seotud materjali aatomituumadega seotud elektronide ja kristallvõrega — nii määratakse elektronide võimalikud energiasätted ja liikumisvõime.

Rakendused

Pooljuhte kasutatakse laialdaselt elektroonikas ja optoelektroonikas. Peamised rakendusalad:

• Dioodid ja transistorid — aluseks arvutite ja mobiilseadmete loogikale ja võimendamisele.
• LED-id ja laserdioodid — valguse tootmine pooljuhtide p–n-liideste abil.
• Päikesepaneelid (fotogalvaanilised elemendid) — valgust neelates tekitavad p–n-liideses tekkivad laengukandjad elektrivoolu.
• Sensori- ja mikrosüsteemid (nt temperatuur, valgus, gaasid) — pooljuhtide omadusi saab kasutada mõõtmiseks ja andmetöötluseks.
• Integreeritud skeemid (IC) — miljonid kuni miljardid transistorid ühel tükil ränid, moodustades protsessorid, mälud ja muu arvutitehnika tuuma.

Lisamärkused

Pooljuhtide omadusi reguleeritakse lisaks dopeerimisele ka protsessidega nagu õhuke kiletehnika, piirkondlik dopeerimine (ion-implantatsioon või difusioon), metalliseerimine kontaktide loomiseks ja passivatsioon pinna kaitsmiseks. Temperatuur, puhtus ja kristallistruktuur mõjutavad ka oluliselt mobiilsust — kui kiiresti laengukandjad materjalis liiguvad — ning seega seadme kiirust ja efektiivsust.

Kokkuvõtteks: pooljuhid täidavad olulist lüli juhtide ja isolaatorite vahel, võimaldades kontrollitud juhtivust ja moodustades tänapäevase elektroonika aluse — alates lihtsatest dioodidest kuni keerukate mikroprotsessoriteni.

Ajalugu

Pooljuhte uuriti laborites juba 1830. aastatel. Aastal 1833 katsetas Michael Faraday hõbesulfiidiga. Ta avastas, et kui materjali kuumutada, juhib see paremini elektrit. See oli vastupidine vase toimimisele. Vase kuumutamisel juhib see vähem elektrit. Mitmed teised varajased eksperimenteerijad avastasid muid pooljuhtide omadusi. 1947. aastal leiutati New Jersey's asuvas Bell Labs'is transistor. See viis integreeritud vooluahelate väljatöötamiseni, mis tänapäeval toidavad peaaegu kõiki elektroonikaseadmeid.

Pooljuhtide doteerimine

Küsimused ja vastused

K: Mis on pooljuht?

K: Mis on n-tüüpi ja p-tüüpi pooljuhid?

K: Milleks kasutatakse räni?

K: Milliseid muid materjale kasutatakse pooljuhtidena?

K: Kuidas käituvad elektronid tahkes materjalis?

K: Miks kasutatakse sageli isolaatoreid, et kaitsta inimesi elektrilöögi eest?

K: Kuidas töötavad transistorid?

Otsing