Pooljuhtide elektrijuhtivus

 

Pooljuhid on kaasaegse elektroonika kõige olulisemaks lähtematerjaliks. Neist valmistatakse transistore, dioode ja teisi pooljuhtseadeldisi.

Kõige olulisem pooljuhi omadus on eritakistus, mis sõltub tugevalt lisanditest ning on kergesti mõjutatav väliste energiaallikatega. Kõrgem temperatuur, valgustatus ja lisandid parandavad oluliselt pooljuhi juhtivusomadusi.

Olulisteks pooljuhtmaterjalideks on räni ja germaanium, mis paiknevad elementide perioodilisuse süsteemis 14. ehk IVA rühmas. Nende aatomite väliskihis on 4 elektroni ja nad on omavahel seotud kovalentsete sidemetega (joonis 1.11. a).

Madalatel temperatuuridel on sidemed tugevad ja pooljuht käitub isolaatorina. Kõrgemal temperatuuril räni aatomiga nõrgalt seotud elektronid vabanevad. Struktuurist lahkunud elektronide asemele jäävad nn augud (joonis 1.11. b), mida võime vaadelda positiivsete laengutena. Pooljuhti on tekkinud elektron-auk paarid.

Rakendades pooljuhile elektrivälja, hakkavad vabanenud elektronid liikuma. Positiivse laenguga auk tõmbab enda kohale kõrvalaatomi elektroni, tekitades omakorda kõrvalaatomis augu. Elektrivool pooljuhis on vabade elektronide ja aukude suunatud liikumine. Sellist puhaste pooljuhtide juhtivust, kus vastassuunas liigub sama hulk elektrone ja auke, nimetatakse omajuhtivuseks. Nähtust rakendatakse termo- või fototakistis, mida omakorda saab kasutada temperatuuri ja valgustatuse elektrilisel registreerimisel.

Viies pooljuhti sobivaid lisandiaatomeid, saab tekitada lisandjuhtivuse. Kui neljavalentsele ränile lisada pisut viievalentset lisandit, näiteks fosforit (joonis 1.12. a), siis jääb räniaatomitest ümbritsetud fosforil üks elektron üle, sest talle ei leidu struktuuris kindlat kohta.

Iga lisandiaatomi kohta jääb vabaks üks elektron, mis hakkab elektrivälja rakendamisel pooljuhis triivima. Sellises pooljuhis on põhilisteks laengukandjateks elektronid ja vastavat juhtivust nimetatakse laengukandjate negatiivse laengu tõttu n-juhtivuseks. Sünonüümideks on ka elektronjuhtivus ja doonorjuhtivus.

Lisades neljavalentsele põhiainele kolmevalentset lisandit (joonis 1.12. b), näiteks ränile boori, jääb räniaatomil booriga üks side moodustamata ja tekib auk. Vastavat juhtivust nimetatakse p-juhtivuseks, millel on veel samatähenduslikeks terminiteks auk- ja aktseptorjuhtivus.

Koos lisandjuhtivusega kaasneb alati ka omajuhtivus, mida püütakse üldjuhul võimalikult vähendada. Enamuslaengukandjateks on n-juhtivuse korral elektronid ja p-juhtivuse korral augud. Pooljuhtide elektrijuhtivus on seotud oluliselt ainete kristallstruktuuriga ja seetõttu pooljuhtseadiste tehnoloogia algab eriti puhaste ainete saamisest.