Fysiikka 6 - luku 4.2 p- ja n-tyypin puolijohteet

4.2 p- ja n-tyypin puolijohteet

Puolijohteet johtavat puhtaina huonosti sähköä. Puolijohteen sähkönjohtokykyä voidaan parantaa seostamalla siihen pieniä määriä sopivasti valitun toisen aineen atomeja, ns. epäpuhtausatomeja. Tätä kutsutaan puolijohteen douppaamiseksi. Käytettyjä epäpuhtausatomeja on kahdenlaisia: toisissa on elektroniverhon ulkokuorella yksi elektroni enemmän kuin alkuperäisessä puolijohdeatomissa, toisissa yksi vähemmän.

Epäpuhtausatomia, jossa ulkokuorella on yksi elektroni enemmän kuin puolijohteen atomissa, kutsutaan donoriksi eli antajaksi. Donori luovuttaa kiteeseen ylimääräisen elektronin, ja tämä elektroni voi toimia varauksenkuljettajana.

Donoreilla seostettua puolijohdetta kutsutaan n-tyypin puolijohteeksi, koska siinä varauksenkuljettajina toimivat negatiivisesti varatut elektronit. Esim piistä (joka kuuluu jaksollisen järjestelmän neljänteen pääryhmään eli sillä on neljä elektronia uloimmalla kuorella) saadaan n-tyypin puolijohde, kun siihen seostetaan viidennen pääryhmän alkuainetta, esim arseenia. Arseenilla on uloimmalla kuorellaan viisi elektronia koska se kuuluu jaksollisen järjestelmän viidenteen pääryhmään. Noista elektroneista neljä asettuu ympäröivien piiatomien kanssa lujasti arseenin sidoksiin ja viides jää vapaaksi.

Epäpuhtausatomia, jonka ulkokuorella on yksi elektroni vähemmän kuin puolijohteen atomissa, kutsutaan akseptoriksi eli ottajaksi. Atomien välisiin sidoksiin jää akseptorin kohdalle tyhjä paikka, aukko, josta puuttuu elektroni. Akseptori sitoo aukkoon elektronin naapuriatomista, johon puolestaan jää aukko. Tähän aukkoon voi siirtyä elektroni toisesta lähiatomista ja niin edelleen. Kiteessä kulkee silloin sähkövirta atomisidoksesta toiseen siirtyvien elektronien muodossa. Tällöin sähkövirta on siis aukon etenemistä kiteessä. Aukko käyttäytyy kuten positiivisesti varautunut hiukkanen ja kulkee siis vastakkaiseen suuntaan kuin elektronit, siis sähkövirran suuntaan.

Akseptoreilla seostettua puolijohdetta kutsutaan p-tyypin puolijohteeksi, koska siinä varauksenkuljettajilla (aukoilla) on positiivinen varaus. Kun piihin seostetaan kolmannen pääryhmän alkuainetta, esim booria, jolla on siis kolme elektronia uloimmalla kuorellaan koska se kuuluu jaksollisen järjestelmän kolmanteen pääryhmään), syntyy p-tyypin puolijohde. Booriatomin ja piiatomien välisiin sidoksiin jää yhteen kohtaan aukko, koska boorilla on ulkokuorellaan vain kolme elektronia. Aukko toimii sähkönkuljettajana siirtyessään sidoksesta toiseen koko kiteen läpi.

Jaksollinen järjestelmä

 

pn-puolijohdeliitos

Puolijohdekomponentteja valmistetaan yhdistämällä eri tavoin seostettuja puolijohteita toisiinsa. Kun p- ja n-tyypin puolijohdepalat liitetään toisiinsa, syntyy pn-liitos, joka on monien puolijohdekomponenttien perusosa.

Kun puolijohteet yhdistetään, liitoskohdan lähistöllä olevia p-puolen aukkoja alkaa lämpöliikkeen vaikutuksesta siirtyä rajapinnan läpi n-puolelle ja n-puolen elektroneja p-puolelle. Kun elektroni kohtaa atomisidoksessa olevan aukon, se asettuu siihen. Tätä kutsutaan rekombinaatioksi. Elektroni ja aukko eivät enää tämän jälkeen toimi varauksenkuljettajina. Tällä tavoin liitoskohdan läheisyyteen muodostuu alue, jossa ei ole varauksenkuljettajia. Aluetta kutsutaan tyhjennysalueeksi.

Kun vapaat elektronit ja aukot ovat hävinneet pn-liitoskohdan ympäristöstä ja tyhjennysalue on muodostunut, molemmille puolille pn-liitosta jää nettovaraus. p-puolella on akseptori-ionien aiheuttama negatiivinen varaus ja n-puolella donori-ionien aiheuttama positiivinen varaus. Ionit ovat sidottuina kiderakenteeseen, eivätkä ne siksi liiku. Varaukset aiheuttavat sähkökentän, jonka suunta on n-tyypin puolijohteesta p-tyypin puolijohteeseen. n- ja p- puolen välistä potentiaalieroa kutsutaan kynnysjännitteeksi.

 

pn-liitos ulkoiseen jännitteeseen kytkettynä

Sähkövirran kulkuun pn-liitoksen läpi voidaan vaikuttaa kytkemällä liitos ulkoiseen jännitteeseen. Estosuuntaisessa kytkennässä diodin p-puoli on yhdistetty jännitelähteen negatiiviseen ja n-puoli positiiviseen napaan. Jännitelähteen positiivinen napa vetää puoleensa n-alueen elektroneja ja negatiivinen napa p-alueen aukkoja. Elektronit ja aukot siirtyvät tällöin entistä kauemmas toisistaan ja pn-rajapinnasta. Tyhjennysalue levenee, ja sähkövirran kulku diodin läpi vaikeutuu entisestään.

Diodi on kytketty päästösuuntaan, kun p-puoli on yhdistetty jännitelähteen positiiviseen ja n-puoli negatiiviseen napaan. Kun päästösuuntainen jännite ylittää kynnysjännitteen arvon, sähkökentän suunta liitosalueella on p-alueesta n-alueeseen. Tämä sähkökenttä kuljettaa p-alueen aukkoja ja n-alueen elektroneja kohti pn-rajapintaa, jossa ne rekombinoituvat. Tällöin diodin läpi kulkee sähkövirta päästösuuntaan eli p-alueesta n-alueelle.

Diodi ja valo

Kun elektroni rekombinaatiossa siirtyy atomisidoksessa olevaan aukkoon, osa sen energiasta muuttuu sähkömagneettiseksi säteilyksi, mikä voidaan havaita valona jonka väri riippuu valon aallonpituudesta. Loistediodeissa eli ledeissä syntyvä sähkömagneettinen säteily on näkyvän valon alueella.

Energiavyöt

Elektronin energialla voi olla vain tietyt arvot, joita kutsutaan energiatasoiksi. Kiinteässä aineessa, jossa atomit ovat toisiinsa sitoutuneina, elektroni kokee samanaikaisesti monen ytimen vaikutuksen. Tällöin elektronin energian mahdolliset arvot voivat olla erillisten energiatasojen sijasta laajemmilla alueilla, joita kutsutaan energiavöiksi.

Energiavyöt koostuvat suuresta määrästä energiatasoja, joiden energiat ovat hyvin lähellä toisiaan. Energiavöiden välissä on ns. kiellettyjä energiavöitä. Aineessa ei voi olla elektroneja, joiden energia on kielletyn vyön alueella.

Energialtaan korkein energiavyö on valenssivyö. Valenssivyöllä olevien elektronien avulla kiinteän aineen atomit kiinnittyvät toisiinsa. Johtavuusvyö on valenssivyön yläpuolella olevien energiatasojen yhteisnimitys. Johtavuusvyöllä olevat elektronit pääsevät liikkumaan vapaasti. Aine voi siis johtaa sähköä, jos sen johtavuusvyöllä on elektroneja!

Aineen sähkönjohtavuus riippuu siitä, miten helposti elektronit voivat siirtyä valenssivyöltä johtavuusvyölle. Johteiden, puolijohteiden ja eristeiden vyörakenteet poikkeavat toisistaan, mikä selittää niiden erilaisen kyvyn johtaa sähköä.

Johteissa valenssivyö ja johtavuusvyö ovat ainakin osittain päällekkäin, jolloin osa valenssivyön alueella olevista elektroneista voi liikkua aineessa vapaasti. Eristeissä ja puolijohteissa valenssivyön ja johtavuusvyön välissä o kielletty vyö. Eristeissä kielletty vyö on leveä ja valenssivyöllä olevan elektronin tulisi saada runsaasti lisäenergiaa, jotta se voisi siirtyä kielletyn vyön yli johtavuusvyöhön. Siirtyminen tapahtuu harvoin, ja sen takia eristeet eivät johda sähköä.

Puolijohteissa valenssivyön ja johtavuusvyön välinen kielletty vyö on kapeampi kuin eristeissä, joten puolijohteissa elektronit siirtyvät johtavuusvyölle helpommin kuin eristeissä. Puolijohteiden väri määräytyy johtavuusvyön ja valenssivyön välissä olevan energia-aukon leveydestä. Tästä johtuu esim sinertävän timantin väri.

 

Transistori

Transistorit ovat puolijohteista valmistettuja elektroniikan peruskomponentteja. Niitä käytetään mm. vahvistimina, elektronisten muistien elementteinä ja erilaisina kytkiminä. Yksinkertaisimmassa transistorissa (bipolaarinen transistori) on yhdistetty kolme puolijohdetta toisiinsa joko järjestyksessä npn tai pnp. Transistorissa on siis aina sekä päästö- että estosuuntainen liitos.

Kaikki nykyelektroniikka, kuten kotitietokoneet, digitelevisiot ja laajakaistayhteydet, perustuu transistoritekniikkaan. Yksittäisten transistorien sijasta nykyelektroniikassa käytetään useiden komponenttien muodostamia mikropiirejä eli integroituja piirejä. Mikropiirejä ovat esim vahvistimet, mikroprosessorit ja elektroniset muistit. Yhdessä mikropiirissä saattaa olla satoja miljooneja transistoreja.

Transistorin toiminta virranvahvistimena perustuu siihen, että transistorin keskimmäiseen osaan, ns. kantaan (B), viedään pieni ohjausvirta, jonka avulla kantaan saadaan siirtymään runsaasti varauksenkuljettajia. Kanta on heikommin saostettu kuin transistorin muut osat, emitteri (E) ja kollektori (C). Täten vain pieni osa emitteriltä kannalle tulevista varauksenkuljettajista rekombinoituu ja suurin osa jatkaa ohuen kannan läpi kollektorille liitoksessa vallitsevan voimakkaan sähkökentän takia. Pienellä ohjausvirralla voidaan näin saada aikaan suuri sähkövirta emitterin ja kollektorin välille.