Pooljuhtmaterjalid (0)

Pooljuhtmaterjalid
Kaasaja elektroonika on valdavalt pooljuht elektroonika. St kasutatakse seadiseid, mille töö põhineb pooljuht materjali omadustel. Pooljuhtmaterjalid on väga suur hulk materjale, mis elektrijuhtivuse seisukohalt paiknevad juhtude ja isolaatorite vahepeal . See juures elektroonikas on leidnud kasutust neist suhteliselt väike arv. Ajalooliselt esimesteks kasutatavateks pooljuht materjalideks olid seleen ja vaskoksiid. Järgnevatel etappidel kasutati väga laialdaselt germaaniumi, kuid praeguseks on valdavalt kasutatavaks pooljuhtmaterjaliks räni, galliumarseniid.
Pooljuhtmaterjalide elektroonikas kasutamise eeltingimuseks on väga suur nõutav puhtus. St. ei ole lubatud lisandeid. Kõrge nõutav puhtus on tingitud sellest, et elektroonikasse sobivad pooljuhtmaterjalid peavad olema kristallilise ehitusega ja nende ainete kristalliline struktuur peab olema ideaalselt ühtlane. Ühtlane kristall struktuur on aga võimalik ainult puhaste ainete korral, sest igale ainele on omane mingi kindel kristallstruktuur ja kui sinna viia lisandeid, siis tekib sega struktuur, kuna põhiaine püüab kujundada oma kristallstruktuuri, lisandid aga oma.

Pooljuhtide omajuhtivus

Tüüpilised pooljuhid räni ja germaanium on neljavalentsed ained. St nende välises elektronkihis on neli elektroni. Stabiilse struktuuri moodustamiseks on vajalik ka teatavasti väliskihis kaheksa elektroni. Kirjeldatud ainetes toimub aatomite vahel vastastikune elektronide laenamine nii, et moodustub stabiilne struktuur. Taolist struktuuri nimetatakse koevalentsete sidemetega struktuuriks. Selline struktuur on tavalisel levinud isolaatoritel.
Madalatel temperatuuril on pooljuhid praktiliselt isolaatorid , kuid kui aine temperatuur tõuseb, siis tõuseb ka elektronide kiirus. St kasvab nende energia ning mõned suurema kiiruse omandanud elektronid võivad oma kohalt kristallstruktuuris lahkuda. Lahkunud elektron ei ole seotud enam kristallstruktuuriga ning ta hakkab liikuma aines elektrivälja mõjul, muutudes laengukandjaks ehk voolupõhjustajaks. Lahkunud elektroni kohale jääb struktuuris vaba koht ja aatom omandab positiivse laengu. Seda vaba kohta võib vaadelda positiivse laengu kandjana , sest ta võib täituda mõne kõrval aatomi elektroniga. St ta käitub vastupidiselt elektronile. Puhastes pooljuhtides tekkivale elektrijuhtivusele on iseloomulik, et alati tekib pooljuhis elektrone ja auke ühepalju. Kirjeldatud juhtivust nimetatakse pooljuhi omajuhtivuseks. Omajuhtivusele on iseloomulik väga tugev temperatuuri sõltuvus. Sest mida kõrgem on aine temperatuur, seda suurem on elektronide kiirus ja seda rohkem tekib elektrone ja auke. Omajuhtivuse temperatuurisõltuvus on eksponentsiaalne nii, et iga 10 kraadi temperatuuri tõusuga suureneb juhtivus 2 korda.
Pooljuhid
Pooljuhtideks nimetatakse elektrimaterjalide klassikalise liigituse alusel materjale, millede eritakistus on dielektrikute ja juhtide vahepealne, olles vahemikus 10-6…108 Ωm. Pooljuhtmaterjalide eritakistus sõltub eelkõige koostisest (väga olulised on lisandid), valmistamise tehnoloogiast ja välismõjudest (temperatuur, elektriväljatugevus, valgustatus
jne.).
Pooljuhid on kas keemilised elemendid või keemilised ühendid. Pooljuhtelemente on üldse 13, kuid enamkasutatavad on germaanium, räni, seleen, telluur , arseen ja fosfor .
Germaanium (Ge) on perioodilisussüsteemi IV rühma element, välimuselt hõbehall, metalse läikega, raskesti töödeldav ja rabe, sulamistemperatuur 958,5 °C. Temast valmistatakse pooljuhtdioode ja transistore, mis võivad töötada temperatuuridel –60…+70 °C.
Räni (Si) on sama rühma element, hallikas, kõva, habras ja metalse läikega, sulamistemperatuur 1415 °C. Kasutatakse mitmesuguste pooljuhtseadiste ( dioodid , transistorid, türistorid, stabilisaatorid jne.) valmistamisel.
Seleen (Se) on VI rühma element, hall kristalne aine sulamistemperatuuriga 221 °C. Kasutatakse peamiselt valgustundlike pooljuhtseadiste ( fotoelemendid , fototakistid jne.) varemalt ka alaldite valmistamisel.
Enamkasutatavad keemilised ühendid on oksiidid , karbiidid, sulfiidid , seleniidid jne.
Oksiide Cu2O, CuO, Mn2O3, Co2O3 kasutatakse tänapäeval põhiliselt temperatuuritundlike
takistite (termistoride) valmistamiseks. Tsinkoksiidist (ZnO) aga valmistatakse liigpingepiirikuid nii madalkui ka kõrgepingele.
Karbiide (SiC) kasutatakse varistoride valmistamisel, varem ka ventiillahendite mittelineaarsete
takistite valmistamisel.
Sulfiide (PbS, Bi2S3, CdS, ZnS) kasutatakse fototakistite, fotoelementide ja luminofooride valmistamisel.
Seleniide (PbSe, Bi2Se3, CdSe, HgSe) kasutatakse fototakistite, pooljuhttermoelementide ja
laserite tootmisel.
Pooljuhtideks nimetatakse aineid ja elemente, mille elektrijuhtivus on juhtide ja dielektrikute vahepeal.
Pooljuht on elektronjuhtivusega keemiline aine, mis juhib elektrit paremini kui dielektrikud ja halvemini kui elektrijuhid.
Pooljuhid on enamasti kristalsed ained, aga leidub ka vedelikke ja amorfseid.
Räni ja germaanium on kaks kõige kasutatavamat pooljuhti. Neil mõlemal on neli elektroni valise elektronkihil.
Pooljuhid on väga tundlikud välismõjude ja lisandite suhtes, peamine iseärasus on elektrijuhtivuse järsk suurenemine temperatuuri kasvades.
Pooljuhtide elekrijuhtivus kasvab (ehk elektritakistus väheneb) temperatuuri kasvades, niisamuti ka valguse mõjul. See on oluline tunnus, mis eristab pooljuhti metallist. Pooljuhi elektritakistust saab ka muuta teda lisanditega (doonorite või aktseptoritega) ledigeerides.
Seal esineb negatiivse laengu puudujääk, mis on samaväärne positiivse laengu ülejäägiga. Pooljuhi isepäraks on, et sellised augud on liikuvad nagu juhtivuselektronidki.
Juhtivuselektroni ja augupaaride pidevale tekkimisele soojusliikumise mõjul vastandub nende
paaride rekombineerumine ehk taasühinemine. Aukude liikumine võib olla juhuslik või toimuda välise
elektrivälja mõjul. Viimasel juhul täidab augu lähedale sattunud juhtivuselektron (tavaliselt kuskilt
naabrusest) selle ja lähedusse tekkib uus auk. Selle protsessi korduma hakkamisel saab elektrilises
mõttes rääkida olukorrast, kus pooljuhis liiguvad ka positiivsed laengukandjad.
Soojusliikumine tekitab pooljuhis pidevalt vabu elektrone ja auke. Samal ajal täidavad elektronid
taas auke, nii et esineb tasakaal: tekkivate ning rekombineeruvate elektronaukpaaride kogused
ajaühikus on võrdsed. Paaride arv ajaühikus sõltub temperatuurist. Nende laengukandjate olemasolu
põhjustab pooljuhi omajuhtivuse, mis on väga väike.
Mõne keemilise elemendi tühine lisand pooljuhi kristallis võib esile kutsuda ülekaaluka elektron või
aukjuhtivuse, kuna lisand suurendab kunstlikult pooljuhi kristallilise ehituse rikete arvu.
Ülekaaluka elektronjuhtivuse korral, mille tekitab arseeni või fosfori lisand, kõneldakse n-tüüpi
pooljuhist. Ülekaaluka aukjuhtivuse puhul, mille tekitab indiumi, boori või alumiiniumi lisand, on
tegemist p-tüüpi pooljuhiga.