Fysiikka 6 – luku 4 Puolijohteet

Puolijohteet ja puolijohdekomponentit

Eniten käytettyjä puolijohteita ovat pii (Si), germanium (Ge) ja gallium (Ga). Johteissa on runsaasti elektroneja, jotka voivat liikkua johteen sisällä vapaasti. Nämä vapaat elektronit kuljettavat sähkövarausta ja aiheuttavat sähkövirran, kun johde on ulkoisessa sähkökentässä. Eristeissä atomien kaikki elektronit ovat kiinnittyneinä atomeihin, joten sähkövirtaa ei voi olla. Puolijohteissakin elektronit muodostavat atomien välisiä sidoksia, mutta osa niistä on kiinnittynyt atomeihin löysemmin kuin eristeiden elektronit. Puolijohteen sähkönjohtokykyä voidaan parantaa seostamalla siihen pieniä määriä muita alkuaineita.

Diodi

Diodia voidaan käyttää esim vaihtojännitteen tasasuuntauksessa sekä erilaisina kytkiminä ja ilmaisimina. Tasasuuntauksessa vaihtovirta muutetaan tasavirraksi ja tasavirta vaihtovirraksi. Esim kännykän akkulaturi muuttaa sähköverkon vaihtojännitteen akun lataamiseen sopivaksi tasajännitteeksi. Diodin toiminta tasasuuntaajana perustuu siihe, että sähkövirta voi kulkea sen läpi vain yhteen suuntaan.

Ledit ovat puolijohdediodeja, jotka säteilevät valoa, kun niiden läpi johdetaan sähkövirta. Ledejä käytetään mm. merkkivaloina, hälytysajoneuvojen vilkkuvaloissa sekä valaistuksessa. Ledin valmistusmateriaali määrää ledin lähettämän valon aallonpituuden.

Diodi kytketään päästösuuntaan siten, että sen anodi kytketään jännitelähteen plusnapaan. Kun ledin anodi kytketään jännitelähteen miinusnapaan, se on silloin kytketty estosuuntaan eikä sen läpi kulje sähkövirtaa. Päästösuuntaan kytketyn diodin läpi voi kulkea sähkövirta. Sähkövirta kulkee kuitenkin vasta, kun diodin päiden välinen jännite on suurempi kuin tietty minimijännite eli kynnysjännite.

p – ja n-tyypin puolijohteet

Puolijohteen sähkönjohtokykyä voidaan parantaa seostamalla siihen pieniä määriä sopivasti valitun toisen aineen atomeja eli epäpuhtausatomeja. Tätä kutsutaan puolijohteen douppaamiseksi. Käytettyjä epäpuhtausatomeja on kahdenlaisia:  toisissa on elektroniverhon ulkokuorella yksi elektroni enemmän kuin alkuperäisessä puolijohdeatomissa (donori), toisissa yksi vähemmän (akseptori).

Donori eli antaja luovuttaa kiteeseen ylimääräisen elektronin. Tämä elektroni voi toimia varauksenkuljettajana. Donoreilla seostettua puolijohdetta kutsutaan p-tyypin puolijohteeksi, koska siinä varauksenkuljettajina toimivat negatiivisesti varatut elektronit. Esim piistä, jolla on neljä elektronia uloimmalla kuorellaan, saadaan p-tyypin puolijohde, kun siihen saostetaan viidennen pääryhmän alkuainetta. Eli siis ainetta, jonka uloimmalla kuorella on viisi elektronia. Niistä neljä asettuu ympäröivien piiatomien kanssa lujasti ko. aineen, kuten arseenin, sidoksiin ja viides elektroni jää vapaaksi.

Epäpuhtausatomia, jonka ulkokuorella on yksi elektroni vähemmän kuin puolijohteen atomissa, kutsutaan siis akseptoriksi, koska siinä varauksenkuljettajilla eli aukoilla on positiivinen varaus. Kun piihin seostetaan kolmannen pääryhmän alkuainetta, syntyy p-tyypin puolijohde. Siinä atomien välisiin sidoksiin jää akseptorin kohdalle tyhjä paikka eli aukko josta puuttuu elektroni.

Akseptori sitoo aukkoon elektronin naapuriatomista, johon puolestaan jää aukko. Tähän aukkoon voi siirtyä elektroni toisesta lähiatomista jne. Kiteessä kulkee silloin sähkövirta atomisidoksista toiseen siirtyvien elektronien muodossa. Aukko käyttäytyy kuten positiivisesti varattu hiukkanen ja kulkee vastakkaiseen suuntaan kuin elektronit, eli sähkövirran suuntaan.

pn-puolijohdeliitos

Puolijohdekomponentteja valmistetaan yhdistämällä  eri tavoin seostettuja puolijohteita toisiinsa. Kun puolijohteet yhdistetään, liitoskohdan lähistöllä olevia p-puolen aukkoja alkaa siirtyä rajanpinnan läpi n-puolelle ja n-puolen elektroneja p-puolelle. Elektronin kohdatessa atomisidoksessa olevan aukon, sse asettuu siihen. Tätä kutsutaan rekombinaatioksi. Elektroni ja aukko eivät enää tämän jälkeen toimi varauksenkuljettajina. Näin liitoskohdan läheisyyteen muodostuu alue, jossa ei ole varauksenkuljettajia. Aluetta kutsutaan tyhjennysalueeksi.

Kun 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 eivät kuitenkaan liiku, koska ne ovat sidottuina kiderakenteeseen. Varaukset aiheuttavat sähkökentän, jonka suunta on positiivisesta negatiiviseen eli p-tyypin puolijohteesta n-tyypin puolijohteeseen. n- ja –puolen välistä potentiaalieroa kutsutaan kynnysjännitteeksi.

pn-liitos ulkoiseen jännitteeseen kytkettynä

Diodi voidaan kytkeä joko estosuuntaan tai päästösuuntaan. Estosuuntaisessa kytkennässä diodin p-puoli yhdistetään jännitelähteen negatiiviseen puoleen ja n-puoli positiiviseen napaan. Jännitelähteen positiivinen napa vetää puoleensa n-alueen elektroneja ja negatiivinen napa p-alueen aukkoja. Tällöin aukot ja elektronit siirtyvät entistä kauemmas toisistaan ja pn-rajapinnasta. Siitä johtuen tyhjennysalue levenee, ja sähkövirran kulku diodin läpi vaikeutuu entisestään.

Päästösuuntaan kytkettäessä diodin p-puoli yhdistetään jännitelähteen positiiviseen napaan ja n-puoli negatiiviseen napaan. Syntyvä päästösuuntainen jännite on vastakkainen tyhjennysalueella vallitsevalle kynnysjännitteelle. Kun päästösuuntainen jännite ylittää kynnysarvon, sähkökentän suunta liitosalueella on p-alueesta n-alueeseen. Tämä sähkökenttä kuljettaa p-alueen aukkoja ja n-alueen elektroneja kohti pn-rajapintaa, jossa ne rekombinoituvat.

Diodi ja valo

Loistediodeissa eli ledeissä syntyvä sähkömagneettinen säteily on näkyvän valon alueella. Kun elektroni rekombinaatiossa siirtyy atomisidoksessa olevaan aukkoon, osa sen energiasta muuttuu sähkömagneettiseksi säteilyksi, joka siis voidaan ledin tapauksessa nähdä valona.

Energiavyöt

Elektronin energian 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 kiellettyjä energiavöitä. Aineessa ei voi olla elektroneja, joiden energia on kielletyn vyön alueella.

Valenssivyö on energialtaan korkein. Johtavuusvyö on valenssivyön yläpuolella olevien energiatasojen yhteisnimitys. Johtavuusvyöllä olevat elektronit pääsevät liikkumaan vapaasti. Aine voi johtaa sähköä, jos sen johtavuusvyöllä on elektroneja.

Aineen sähkönjohtavuus riippuu siitä, miten helposti elektronit pääsevät valenssivyöltä johtavuusvyölle. Johteiden, puolijohteiden ja eristeiden vyörakenteet poikkeavat toisistaan, mikä selittää niiden erilaisen kyvyn johtaa sähköä. Eristeissä on selvästi paksumpi kielletty vyö kuin johteissa ja puolijohteissa. Johteissa valenssivyö ja johtavuusvyö ovat ainakin osittain päällekkäin.

Transistori

Transistorit valmistetaan puolijohteista ja niitä käytetään mm. vahvistimina, elektronisten muistien elementteinä ja erilaisina kytkiminä. Yksinkertaisimmassa transistorissa on yhdistty kolme puolijohdetta toisiinsa. Transistorissa on aina sekä päästö- että estosuuntainen liitos. Kaikki nykyelektroniikka perustuu transistoritekniikkaan.