Mis on sisemine pooljuht ja väline pooljuht - energiariba ja doping?

Pooljuht, nagu nimigi ütleb, on omamoodi materjal, millel on nii juhtide kui ka isolaatorite omadused. Pooljuhtmaterjal vajab kandjate vabastamiseks juhtimiseks teatud pinget või soojust. Need pooljuhid klassifitseeritakse kandjate arvu alusel sisemisteks ja välisteks. Sisemine kandja on puhtaim pooljuht ja võrdne arv elektroni (negatiivse laengu kandjaid) ja auke (positiivse laengu kandjad). Kõige põhjalikumalt kasutatavad pooljuhtmaterjalid on räni (Si), germaanium (Ge) ja gallium -arseniid (GaAs). Uurime seda tüüpi pooljuhtide omadusi ja käitumist. Mis on sisemine pooljuht? Sisemist pooljuhti saab määratleda kui keemiliselt puhast materjali, millele ei ole lisatud dopingut ega lisandeid. Kõige tuntumad sisemised või puhtad pooljuhid on räni (Si) ja germaanium (Ge). Pooljuhi käitumine teatud pinge rakendamisel sõltub selle aatomistruktuurist. Nii räni kui ka germaaniumi välimisel kestal on kumbki neli elektroni. Teineteise stabiliseerimiseks moodustavad lähedased aatomid valentselektronide jagamisel kovalentsed sidemed. Seda sidumist räni kristallvõre struktuuris on kujutatud joonisel 1. Siin on näha, et kahe Si aatomi valentselektronid paaruvad kokku, moodustades kovalentse sideme. Joonis 1. Räni aatomi kovalentsed sidemedKõik kovalentsed sidemed on stabiilsed ja juhtimiseks pole kandjaid saadaval. Siin käitub sisemine pooljuht isolaatorina või mittejuhina. Kui ümbritseva õhu temperatuur läheneb toatemperatuurile, hakkavad kovalentsed sidemed purunema. Seega vabastatakse valentskestast elektronid juhtimisel osalemiseks. Kuna juhtimiseks vabastatakse rohkem kandjaid, hakkab pooljuht käituma juhtiva materjalina. Allpool toodud energiariba diagramm selgitab kandjate üleminekut valentsribalt juhtivusribale. Kahe riba vahelist ruumi nimetatakse keelatud lõheks Joonis 2 (a). Energiariba diagramm Joonis Joonis 2 (b). Juhtivus- ja valentsiriba elektronid pooljuhtides Kui pooljuhtmaterjali kuumutatakse või rakendatakse pinget, purunevad vähesed kovalentsed sidemed, mis tekitab vabu elektrone, nagu on näidatud joonisel 2 (b). Need vabad elektronid erutuvad ja saavad energiat, et ületada keelatud tühimik ja siseneda juhtivusribasse valentsribast. Kui elektron lahkub valentsribast, jätab see valentsriba augu taha. Sisemises pooljuhis tekib alati võrdne arv elektrone ja auke ning seega on sellel elektriline neutraalsus. Nii elektronid kui ka augud vastutavad voolu juhtimise eest sisemises pooljuhis. Mis on väline pooljuht? Väline pooljuht on määratletud kui materjal, millele on lisatud lisandit või legeeritud pooljuhti. Doping on protsess, mille käigus lisatakse tahtlikult lisandeid, et suurendada vedajate arvu. Kasutatud lisandeid nimetatakse lisanditeks. Kuna elektronide ja aukude arv on välisjuhtides suurem, on sellel suurem juhtivus kui sisemistel pooljuhtidel. Kasutatud lisandite põhjal klassifitseeritakse välised pooljuhid veel N-tüüpi pooljuhtideks ja P-tüüpi pooljuhtideks. N-tüüpi pooljuhid: N-tüüpi pooljuhid on legeeritud viievalentsete lisanditega. Viievalentseid elemente nimetatakse nii, et nende valentskooris on 5 elektroni. Viievalentse lisandi näited on fosfor (P), arseen (As), antimon (Sb). Nagu on näidatud joonisel 3, loob lisandiaatom kovalentsed sidemed, jagades neli oma valentselektroni nelja naabruses oleva räni aatomiga. Viies elektron jääb lõdvalt seotud lisandi aatomi tuumaga. Viienda elektroni vabastamiseks on vaja väga vähem ionisatsioonienergiat, nii et see väljub valentsribast ja siseneb juhtivusribasse. Viievalentne lisand lisab võre struktuurile ühe lisaelektroni ja seetõttu nimetatakse seda doonori lisandiks.Joonis 3. Doonori lisandiga N-tüüpi pooljuht P-tüüpi pooljuhid: P-tüüpi pooljuhte legeeritakse kolmevalentse pooljuhiga. Kolmevalentsete lisandite valentskestas on 3 elektroni. Kolmevalentsete lisandite näideteks on boor (B), gallium (G), indium (In), alumiinium (Al). Nagu on näidatud joonisel fig 4, loob lisaaine aatom kovalentsed sidemed ainult kolme naaberräni aatomiga ning neljanda räniaatomiga tekib side või tühimik. Auk toimib positiivse kandjana või elektroni hõivamiseks. Seega on kolmevalentne lisand lisanud positiivse vaba koha või augu, mis võib kergesti vastu võtta elektrone, ja seetõttu nimetatakse seda aktseptori lisandiks.  Joonis 4. Aktseptori lisandiga P-tüüpi pooljuhtKandja kontsentratsioon sisemises pooljuhisSisemine kandjakontsentratsioon on defineeritud kui juhtivusriba elektronide arv ruumalaühiku kohta või valentsriba aukude arv ruumalaühiku kohta. Rakendatud pinge tõttu lahkub elektron valentsribast ja loob selle asemele positiivse augu. See elektron siseneb juhtivusribasse ja osaleb voolu juhtimises. Sisemises pooljuhis on juhtivusribas genereeritud elektronid võrdsed valentsriba aukude arvuga. Seetõttu on elektronide kontsentratsioon (n) võrdne aukude kontsentratsiooniga (p) sisemises pooljuhis. Sisemise kandja kontsentratsiooni võib esitada järgmiselt: n_i = n = p Kus, n_i: sisemine kandja kontsentratsioon n: elektronkandja kontsentratsioon p: auk -kandja kontsentratsioon Sisemise pooljuhi juhtivus Kuna sisemine pooljuht on kuumuse või rakendatud pinge all, liiguvad elektronid valentsribalt juhtivusribale ja jätavad valentsriba positiivse augu või vaba koha. Jällegi täidavad need augud teised elektronid, kuna rohkem kovalentseid sidemeid purustatakse. Seega liiguvad elektronid ja augud vastupidises suunas ning sisemine pooljuht hakkab juhtima. Juhtivus suureneb, kui mitmed kovalentsed sidemed purunevad, mille tulemusel vabaneb juhtimiseks rohkem auke. Sisemise pooljuhi juhtivust väljendatakse laengukandjate liikuvuse ja kontsentratsiooni tingimustes. Sisemise pooljuhi juhtivuse avaldis on väljendatud järgmiselt: σ_i = n_i e (μ_e+μ_h) Kus σ_i: sisemise juhtivus pooljuht n_i: sisemine kandja kontsentratsioon μ_e: elektronide liikuvus μ_h: aukude liikuvus

Jäta sõnum 

Sõnumite nimekiri