39 PUOLIJOHTEISTA Yleistä Pyrittäessä löytämään syy kiinteiden aineiden erilaiseen sähkön johtavuuteen joudutaan perehtymään aineen kidehilassa olevien atomien elektronisiin energiatiloihin. Seuraavassa asiaa valaistaan kovasti yksinkertaistaen. Kaavamaisesti voidaan sanoa, että lähellä toisiaan olevien atomien uloimmat elektroniset tilat ovat jakautuneet ns. valenssivyöhön ja johtavuusvyöhön, joiden välissä on kielletty vyöhyke (kuva). Se, kuinka vaikeaa elektronin siirtyminen valenssivyöltä johtavuusvyölle on, riippuu kielletyn vyöhykkeen leveydestä E g. Vyön leveyden perusteella aineet jaetaan eristeisiin, puolijohteisiin ja johteisiin (kuva).
40 Johteilla valenssivyö ja johtavuusvyö ovat osittain päällekkäin ja hyvin pieni energia riittää vapauttamaan elektronin sidoksestaan johtavuusvyölle. Puhtaat puolijohteet Tärkeimpien puolijohteiden piin (Si) ja germanium (Ge) sisemmät elektroniset tilat ovat täynnä (piillä K ja L ja germaniumilla K, L ja M), mutta uloimmissa tiloissa (piillä M ja germaniumilla N) on kummallakin neljä ns. sidoselektronia (valenssielektronia). Kiteessä kukin atomi muodostaa kovalenttisen sidoksen neljän lähimmän naapuriatomin kanssa. Kukin
kovalenttinen sidos muodostuu kahdesta sidoselektronista, jotka ovat kahdelle atomille yhteisiä. 41 Lämpötilan absoluuttisessa nollapisteessä puolijohteet ovat käytännöllisesti katsoen eristeitä. Lämpötilan noustessa jotkut sidoselektronit saavat niin paljon lisäenergiaa, että voivat vapautua sidoksistaan johtavuusvyölle. Vapautuneen elektroniin paikalle sidoksessa jää aukko ja kyseisestä emäatomista tulee positiivinen ioni (kuva). Naapuriatomin sidoksesta siirtyy elektroni helposti aukkoon, jolloin ko. atomista puolestaan tulee positiivinen ioni, jne. Voidaan sanoa, että aukot käyttäytyvät sähkökentässä kuten positiiviset varauksenkuljettajat. Näin sähkön johtuminen tapahtuu myös valenssivyössä. Luonnollisesti vapautuneet elektronit toimivat johtavuusvyössä negatiivisina varauksenkuljettajina. Puhtaalla puolijohteella on yhtä paljon positiivisia ja negatiivisia varauksenkuljettajia.
Seostetut puolijohteet 42 Puhtailla puolijohteilla ei ole suurta käytännön merkitystä. Puolijohteiden ominaisuuksia voidaan kuitenkin muunnella lisäämällä niihin hyvin pieniä määriä sopivia epäpuhtauksia. Niinpä jos pii- tai germaniumatomien joukossa on atomi, jolla on viisi sidoselektronia, esim. antimoni (Sb), muodostaa se ympäröivien atomien kanssa kovalenttiset sidokset, joissa on kaksi yhteistä elektronia. Jäljelle jäävä yksi elektroni kiinnittyy hyvin löyhästi antimoniatomiin, joten hyvin pieni lämpöenergia riittää vapauttamaan sen. Antimoniatomi jää paikalleen pysyväksi positiiviseksi ioniksi Tällaisia epäpuhtausatomeja nimitetään donoreiksi ja syntynyttä puolijohdetta N-tyypin puolijohteeksi, koska varauksenkuljettajien enemmistö on elektroneja ja vähemmistö aukkoja. On huomattava, että puolijohde kokonaisuudessaan on neutraali.
Jos puhtaaseen puolijohteeseen lisätään puolestaan atomi, jolla on 3 sidoselektronia, esim. indium (In), muodostaa tämä naapuriatomien kanssa kovalenttisidokset, joista yksi jää vajaaksi (kuva alla). 43 Tällaisia epäpuhtausatomeja sanotaan akseptoreiksi ja syntynyttä puolijohdetta P-tyypin puolijohteeksi, koska enemmistö varauksenkuljettajista on aukkoja. Diodi Diodi valmistetaan seostamalla puhdas puolijohde akseptori- ja donoriatomeilla niin, että toinen puoli on P- tyypin ja toinen puoli N-tyypin puolijohde. Tyyppien väliin muodostuu raja-alue, jossa P-materiaalin aukot diffundoituvat N-materiaaliin ja rekombinoituvat elektronien kanssa. Vastaavasti N-materiaalin elektronit diffundoituvat P-materiaaliin, jossa ne rekombinoituvat aukkojen kanssa. Rajapintaan muodostuu näin kapea ns. tyhjennysalue, jossa ei ole varauksenkuljettajia eivätkä kiinteät ionisoituneet donorit ja akseptorit
neutraloidu. P-tyypin rajavyöhykkeelle syntyy näin negatiivinen avaruusvaraus ja N-tyypin rajavyöhykkeelle vastaavasti positiivinen avaruusvaraus (kuva a). 44 Raja-alueeseen syntyneessä estokerroksessa vaikuttaa sähkökenttä synnyttäen P- ja N-alueiden välille pysyvän potentiaalieron. N-tyypin johtavuusvyön elektronien täytyy nyt ylittää kynnys qu D päästäkseen P- tyypin puolijohteeseen. Elektronin (tai aukon) varaus on q = 1,6 10-19 As. Jännitettä U D sanotaan diffuusiojännitteeksi. Huoneen lämpötilassa germaniumilla U D on noin 0,4 V ja piillä noin 0,75 ev. Kun diodi kytketään kuvan mukaisesti ulkoiseen jännitelähteeseen, pienenee potentiaalikynnys ja enemmistövarauksenkuljettajien diffuusio kasvaa voimakkaasti, mikä saa aikaan vastaavan virran ulkoisesa piirissä. Diodi on kytketty päästösuuntaan.
Kun diodi kytketään ulkoiseen jännitelähteeseen päinvastoin kuin edellä, kasvaa energiakynnys. Enemmistövarauksenkuljettajien diffuusio pienenee, kun taas rajapinnassa oleva sähkökenttä kuljettaa jatkuvasti vähemmistövarauksenkuljettajia. Näin estosuuntaan kytketyssä diodissa kulkee jännitteestä riippumaton hyvin pieni estovirta. Ideaalisen diodin virta I jännitteen U funktiona noudattaa yhtälöä I = I e -, qu / fkt s ( 1) missä I s on diodin estosuuntainen kyllästysvirta, f on valmistustekniikasta riippuva vakio (»1-2), T on lämpötila sekä k ja q tunnettuja luonnonvakioita. Kuvassa alla on esitetty ideaalisen diodin ominaiskäyrä. 45
Kuvassa voidaan erottaa neljä toisistaan poikkeava aluetta. 46 Päästöalueella jännite on ylittänyt kynnysarvon ja virta kasvaa lähes lineaarisesti jännitteen funktiona. Virran kasvua rajoittaa ainoastaan puolijohdemateriaalin ja kytkentälankojen resistanssi. Kynnysjännitteen läheisyydessä diodin virta kasvaa eksponentiaalisesti jännitteen kasvaessa. Estoalueella diodin läpi kulkeva estosuuntainen virta on lähes riippumaton jännitteestä. Se on lähes kokonaan vähemmistövarauksenkuljettajien aiheuttamaa. Vähemmistövarauksenkuljettajia syntyy liitosalueella elektronien lämpöliikkeen ansiosta. Läpilyöntialueella estosuuntainen jännite aiheuttaa atomisidosten rikkoutumisen ja siten voimakkaan virran kasvun. Valodiodi Edellä tutustuimme puolijohdediodiin, jonka toiminnassa olennaista on potentiaalivallin muodostuminen P- ja N-alueiden rajapinnalle. Kun diodi kytketään päästösuuntaan (positiivinen jännite P-osaan ja negatiivinen jännite N-osaan), diodi johtaa, koska ulkoinen jännite alentaa potentiaalivallia. Valodiodi muistuttaa
rakenteeltaan ja toiminnaltaan tavallista puolijohdediodia. Valodiodissa ulkopuolelta tulevat valokvantit antavat elektroneille ja aukoille niin paljon energiaa, että ne pystyvät ylittämään potentiaalivallin, vaikka ulkoista jännitettä ei olisi vaikuttamassa. Näin valodiodi sitä valaistaessa toimii virtalähteenä. Rajapinnan yli jännite syntyy siten, että N-osa on negatiivinen napa. 47 Valodiodin valolle herkin alue on rajapinnalle muodostunut tyhjennysalue. Usein menetellään niin, että valodiodissa P- ja N-alueiden väliin synnytetään ohut puhtaan puolijohteen alue, jolloin valolle herkkä alue suurenee ja diodin herkkyys paranee. Tällaista valodiodia sanotaan PIN-valodiodiksi. Leveällä tyhjennysalueella on sekin hyvä puoli, että tällöin diodi on herkkä laajalla valon aallonpituusalueella. Tyhjennysalueen leveyttä voidaan vielä lisätä käyttämällä estosuuntaan kytkettyä ulkoista jännitettä. Valodiodin synnyttämää virtaa voidaan käyttää esimerkiksi kuumentamaan ulkoista vastusta. Näin valodiodi muuttaa valokvanttien energian sähköiseksi energiaksi.
48