PuolijohteetSähkönjohtavuus puolijohdemateriaalissa
- seostus
|
Itseispuolijohde Puhdasta puolijohdetta, jossa ei ole muita alkuaineita, kutsutaan itseispuolijohteeksi tai intrinsiikkiseksi puolijohteeksi. Näillä materiaaliella ei ole suurtakaan merkitystä käytäntöä ajatellen. Vasta sopivien seosaineiden käyttö puhtaan puolijohdemateriaaliln joukossa on tehnyt nykyaikaiset puolijohdekomponentit mahdollisiksi. Seostetut eli ekstrinsiittiset puolijohteet Puolijohdekiteissä varausten kuljettajien, joko elektronien tai aukkojen, määrää voidaan huomattavasti lisätä sekoittamalla puhtaaseen puolijohdemateriaaliin pieniä määriä sopivia epäpuhtauksia eli seosaineita. Seosaineet ovat muita alkuaineita, joita on eri keinoin saatettu osaksi puolijohdemateriaalin kiderakennetta. Sekoitussuhde on tyypillisesti 1: 106 - 108 , joten kemiallisesti aine on edelleen esim. piitä, vain sähköiset ominaisuudet muuttuvat. Lähes kaikki käytännön puolijohdemateriaalit sisältävät seosaineita, joilla puolijohteen ominaisuudet saadaan halutuiksi. Seosaineet Pääasiallisia seosaineita on kahta tyyppiä. Seosaineen tarkoituksena on lisätä joko elektronien (n-tyyppi) tai aukkojen (p-tyyppi) määrää puolijohteessa säädellen siten sähkönjohtavuutta. Seuraavassa on esitetty tarkastelu, jossa seosainetta lisätään piin molekyylisidoksen kiderakenteeseen. Pii on neljännen alkuaineryhmän (IV) alkuaine (tai ryhmän 14) jaksollisessa järjestelmässä. n-tyypin puolijohde Ryhmä V - Yhden ryhmän seosaineista muodostavat ne aineet, joiden atomirakenteessa on 5 valenssielektronia (esim. fosfori, arseeni ja antimoni). Asettuessaan piin kidehilaan, syntyy tälle kohdalle "kidevaurio", ja rakenteeseen jää yksi ylimääräinen elektroni, joka ei osallistu kovalenttiin sidokseen viereisten atomien välillä. Koska tämä elektroni ei ole sidottu tiukasti materiaalin kiderakenteeseen, pääsee se liikkumaan materiaalissa. n-tyypin puolijohteeseen seostettuja atomeja kutsutaan donoreiksi ja ne muodostavat ylimääräisiä energiatasoja johtavuusvyön alareunan läheisyyteen. Tällä ylimääräisellä elektronilla on jo huoneenlämmössä niin suuri energia, että se asettuu johtavuusvyölle ja virran kulku on mahdollista. |
Fosforilla seostettu pii --- esimerkki n-tyypin puolijohteesta.
| Koska epäpuhtauksista saatavat vapaat varaukset, jotka voivat osallistua sähkövirran kuljettamiseen, ovat pääasiassa elektroneja, kutsutaan tällä tavalla seostettua puolijohdetta n-tyyppiseksi. Elektronit ovat enemmistövaraustenkantajia ja aukot vähemmistökantajia. p-tyypin puolijohde Ryhmä III ---Toisen ryhmän seosaineita muodostavat ne aineet, joiden atomirakenteessa on 3 valenssielektronia (esim. boori, alumiini, gallium ja indium). Kun nämä alkuineet asettuvat piin kidehilaan, jää niiden kohdalle yhden elektronin vajaus, jotta sidos olisi kovalentti. Vierasaineatomi sieppaa helposti ympäristöstä elektronin pyrkiessään oktettiin, jolloin syntyy herkästi liikkuva johtavuusaukko. p-tyypin materiaalissa olevia epäpuhtausatomeja kutsutaan akseptoreiksi, ja ne saavat aikaan energiatasoja valenssivyön yläreunan läheisyyteen. Koska vapaat varaukset ovat nyt pääosin aukkoja (positiivisia varauksia) kutsutaan tällaista puolijohdetta p-tyyppiseksi. Nyt ovat aukot enemmistökantajia ja elektronit vähemmistökantajia. |
Boorilla seostettu alkuaine --- esimerkki p-tyypin puolijohteesta.