Pooljuht

Pooljuht on aine või element, mille elektrijuhtivus on halvem kui elektrijuhil ja parem kui dielektrikul. Pooljuhtide erijuhtivus toatemperatuuril σ = 10⁶...10^–8 S/m.

Pooljuhtide hulka kuuluvad mõned lihtained (räni, germaanium, seleen, telluur, arseen, fosfor ja teised), palju oksiide, sulfiide, seleniide ja telluriide, mõned sulamid, paljud mineraalid jm. Arendatakse ka pooljuht-nanokristalle (näiteks tuum-kest-struktuuriga pooljuht-nanokristallid). Pooljuhid on enamasti kristallstruktuuriga ained, s.t nende aatomid või molekulid paiknevad kindla korra kohaselt, moodustades kristallivõre.

Pooljuhid on väga tundlikud välismõjude ja lisandite suhtes. Iseloomulik on elektrijuhtivuse järsk suurenemine temperatuuri kasvades, samuti võõraine aatomite mõjul.

Pooljuhid elektroonikas

Elektronseadiste valmistamisel kasutatakse lähtematerjalina peamiselt neljavalentset elementi räni (Si) ning kolme- ja viievalentsete ainete ühendit galliumarseniidi (GaAs); pooljuhttehnika algusaegadel kasutati peamiselt neljavalentset elementi germaaniumi (Ge).

Räni aatomi kovalentsidemed (a) ja kristallivõre lihtsustatud, tasapinnaline kujutis (b)

Räni ja germaaniumi iga aatomi väliskihis on neli valentselektroni, millest igaüks tiirleb ühtlasi ümber naaberaatomi (vt joonis a). Niiviisi iga aatomipaari ümber tiirlevad kaks valentselektroni moodustavad kovalentsideme. Tasapinnas kujutatakse kovalentsidemeid aatomivaheliste joontega (joonis b).

Absoluutsest nullist kõrgemal temperatuuril lahkub osa valentselektrone aatomist, muutudes vabadeks elektronideks. Lahkunud elektroni kohta kovalentsidemes nimetatakse auguks. Auku võib vaadelda laengukandjana, millel on elektroni laenguga võrdne, kuid märgilt, vastupidine positiivne laeng. Elektroni laeng on –1,6•10^‒19 C ja augu laeng on +1,6•10^‒19 C (kulonit).

Puhtas pooljuhis on vabade elektronide arv võrdne aukude arvuga, sest kovalentsideme katkemisel moodustuvad paarikaupa üks vaba elektron ja auk. Niisuguse puhtpooljuhi elektrijuhtivus – omajuhtivus – on madalal temperatuuril lähedane dielektriku omale. Temperatuuri tõustes kasvab vabade elektronide hulk kiiresti ja vastavalt väheneb pooljuhi eritakistus.

Kristallivõres oleva augu võib täita teisest kovalentsidemest eraldunud elektron; seda nähtust nimetatakse elektroni ja augu rekombinatsiooniks. Seega põhjustab elektronide üleminek ühest sidemest teise aukude vastassuunalise liikumise.

Enamiku pooljuhtseadiste talitluseks on vaja, et pooljuhi ühes piirkonnas oleksid ülekaalus vabad elektronid, teises, vahetult kõrvalasuvas piirkonnas augud. Sellise olukorra saab luua sobiva lisandaine aatomite manustamise teel pooljuhi kristallivõresse. Lisandaine sisseviimist nimetatakse legeerimiseks (nagu metallurgiaski); harvem kasutatakse selles tähenduses terminit doteerimine (saksa k Dotierung) või dopeerimine (inglise k doping).

Viievalentse (a) ja kolmevalentse (b) lisandaine aatom pooljuhi kristallivõres

Kui asendada räni kristallivõres põhiaine aatom sellise aine (näiteks fosfori, P) aatomiga, millel on viis valentselektroni, siis neli neist kulub vajalike kovalentsidemete moodustamiseks, viies aga jääb vabaks ja võib teatud tingimustel aatomist eemalduda (joonis a). Lisandi aatom muutub siis positiivseks iooniks.

Niisuguseid lisandaineid, mis annavad pooljuhile juhtivuselektrone. nimetatakse doonoriteks (ladina k donore annetama). Seejuures on määrava tähtsusega asjaolu, et juhtivuselektronide arvu oluliseks suurendamiseks on vaja väga väikest lisandikogust. Nii vähendab 1 mikrogramm fosforit 50 grammis ränis selle materjali eritakistust 100 000-kordselt.

Viievalentse ainega legeeritud pooljuhis on põhilisteks elektrivoolu kandjaiks elektronid. Auke on selles ainult sedavõrd, kuivõrd neid tekib põhiaine aatomite kovalentsidemete katkemise tõttu termilise või mõne muu mõju, valguse valguskiirguse toimel.

Liikuvaid laengukandjaid, mis on pooljuhis ülekaalus (vaadeldaval juhul elektrone), nimetatakse enamuslaengukandjateks, ning vastasmärgilisi laengukandjaid vähemuslaengukandjateks. Pooljuhti, kus enamuslaengukandjad on negatiivse laenguga, nimetatakse n-tüüpi pooljuhiks ehk n-pooljuhiks ja tema juhtivust elektronjuhtivuseks.

Kui sisestada pooljuhi kristalli mõne kolmevalentse aine (näiteks alumiiniumi, Al) aatomeid, moodustavad need kovalentsidemeid põhiaine kolme aatomiga, kusjuures põhiaine neljanda aatomiga jääb side katkenuks. (joonis b). Niisiis jääb kristallivõresse tühi koht, mille võib hõivata mõni vaba elektron. Seda tühja kohta nimetatakse auguks.

Et kolme kovalentsidemega lisandiaatom on elektriliselt neutraalne, muudab augu lahkumine (tegelikult elektroniga täitumine) selle aatomi negatiivselt laetuks, s.o negatiivseks iooniks. Neid lisandaineid, mis hõivavad kristallivõres elektrone, nimetatakse aktseptoriteks (ladina k acceptor vastuvõtja). Enamuslaengukandjateks on nüüd augud. Et neil on positiivne laeng, nimetatakse sellist materjali p-tüüpi pooljuhiks ehk p-pooljuhiks. Sel juhul on tegemist aukjuhtivusega.

Kirjandus

Lembit Abo. Elektroonikakomponendid. Tallinn,1997, lk 7–9.

Vaata ka

• Elektronjuhtivus
• Aukjuhtivus
• pn-siire
• Monokristall