P-tyypin puolijohde: määritelmä, toiminta ja ominaisuudet

P-tyypin puolijohde — selkeä määritelmä, toiminta ja keskeiset ominaisuudet: miten boori-dopaus luo reikiä, johtavuus ja tärkeimmät sovellukset elektroniikassa.

P-tyypin puolijohde on eräs puolijohdetyyppi, jossa varauksen kuljettajina ovat pääosin positiiviset "reiät" (holes). P-tyyppi syntyy, kun kolmiarvoinen epäpuhtaus lisätään itseisarvoiseen tai puhtaaseen puolijohteeseen (esimerkiksi pii tai germanium). Kolmiarvoisia epäpuhtauksia, kuten booria (B), galliumia (Ga), indiumia (In) tai alumiinia (Al), kutsutaan akseptori‑epäpuhtauksiksi. Tavalliset puolijohteet on valmistettu materiaaleista, jotka eivät johda sähkövirtaa yhtä hyvin kuin johtimet, mutta eivät myöskään ole yhtä eristäviä kuin eristeet. Puolijohteessa sähkövirta syntyy, kun varauksen kuljettajat (elektronit tai reiät) liikkuvat materiaalin läpi.

Mitä tarkoittaa "reiät" ja miten p-tyyppi muodostuu?

Piin atomeilla on neljä ulkoelektronia. Kun piihin korvataan osa atomeista kolmielektronisilla epäpuhtauksilla (esimerkiksi boorilla tai alumiinilla), syntyy rakenne, jossa puuttuu yksi elektroni sitomaan neljättä sidosta. Tämä puutos käyttäytyy kuin positiivinen varautunut "aukko" eli reikä, johon lähestyvä elektroni voi siirtyä. Kun epäpuhtaus (akseptori) ottaa vastaan elektronin, se ionisoituu negatiiviseksi ja jättää lähelle valenssivyöhykettä reiän. Näin p-tyyppisessä materiaalissa on enemmän reikiä kuin vapaita elektroneja (reiät ovat suurin kantajaryhmä eli majority carriers).

Sähköinen toiminta: kantajat, liike ja johtavuus

P-tyypin puolijohteessa reiät toimivat pääasiallisina varauksen kuljettajina, mutta materiaassa on myös pieni määrä vapaita elektroneja (minority carriers). Reiät liikkuvat materiaalissa kahdella tavalla:

• Elektronien siirtyminen: käytännössä reiän liike voidaan ajatella elektronien siirtymisenä paikasta toiseen — kun elektroni siirtyy täyttämään reiän, reikä näyttää siirtyvän vastakkaiseen suuntaan.
• Drift ja diffuusio: ulkoinen sähkökenttä saa reiät liikkumaan (drift), ja pitoisuuserot aiheuttavat reikädiffuusiota kohti alueita, joissa reikiä on vähemmän.

Johtavuus voidaan arvioida yksinkertaisella yhtälöllä σ = q(p·μp + n·μn), jossa q on alkeisvaraus, p ja n ovat reikä- ja elektronitiheydet ja μp sekä μn ovat niiden liikkuvuudet. P-tyypissä termi p·μp yleensä dominoi. Reikien liikkuvuus on tyypillisesti pienempi kuin elektronien liikkuvuus (piissä noin 450 cm2/Vs vs. noin 1350 cm2/Vs haarukassa riippuen lämpötilasta ja epäpuhtauksien määrästä).

Energiasiirrokset ja ionisaatio

Akseptori‑epäpuhtauden energia‑taso sijaitsee yleensä lähellä valenssivyöhykettä. Pieni lämpöenergia (esim. huoneenlämpö) riittää usein ionisoimaan akseptorin: akseptori vastaanottaa elektronin valenssista ja vapauttaa reiän. Tällöin syntyy vapaiden kantajien määrä, joka riippuu dopauksen pitoisuudesta ja lämpötilasta. Ekstramäärä reikiä tekee materiaalista extrinsisen puolijohteen (extrinsic semiconductor).

Ominaisuuksia ja käytännön seikat

• Dopausmäärä: tyypilliset dopauspitoisuudet vaihtelevat noin 10^15–10^19 cm^-3, riippuen vaaditusta johtavuudesta.
• Lämpötilan vaikutus: alhaisissa lämpötiloissa akseptorit eivät kaikki ionisoidu, jolloin kantajien määrä vähenee; korkeammissa lämpötiloissa intrinsic‑paritus (elektronien ja reikien synty) kasvaa.
• Puolijohdelaitteissa: p‑tyypin materiaalin ja n‑tyypin materialin rajapinta muodostaa p–n‑liitoksen, joka on diodin, transistoreiden ja monien muiden komponenttien perusrakenne.
• Elektrinen suunta: yksittäisessä p‑tyypin palassa reiät voivat liikkua kumpaan tahansa suuntaan riippuen sähkökentästä tai pitoisuuseroista. Rajapinnat (kuten p–n‑liitos) voivat kuitenkin antaa suunnattua virranläpäisyä tietyn kytkennän ja jännitteen oloissa.

Käyttökohteita

P‑tyypin puolijohteita käytetään laajalti elektroniikassa ja optoelektroniikassa. Tärkeitä sovelluksia:

• Diodeissa ja p–n‑liitoksissa (tasavirran suuntaus, tasasuuntaus)
• Bipolaaritransistoreissa (PNP‑tyypit, jossa p‑tyyppi toimii emitterinä ja kollektori tai substraatti on muita kerroksia)
• MOSFET‑rakenteissa (p‑tyypin body‑ tai lähdealueet riippuen piiristä)
• Aurinkokennoissa ja valoherkissä laitteissa, joissa eri dopausalueet tuottavat sähkökenttiä varausten erottamiseksi

Valmistus ja dopausmenetelmät

Dopausta voidaan tehdä eri tavoin: sulateseosdoping, diffuusio – jossa dopantti hyödynnetään korkeassa lämpötilassa piin pintakerrokseen – ja ionisuihkeimplantaatio, jossa dopantti‑ionit ammutaan tarkasti haluttuun syvyyteen ja seuraavaksi suoritetaan aktivointilämpökäsittely. Dopausta voidaan säätää erittäin tarkasti sekä pitoisuuden että syvyyden suhteen, mikä mahdollistaa monikerroksisten elektronisten rakenteiden valmistuksen.

Mittaus ja tunnistus

P‑tyypin tunnistamiseen käytetään esim. Hall‑mittausta, jolla voidaan määrittää kantajien tyyppi (positiiviset reiät tai negatiiviset elektronit) ja liikkuvuus. Lisäksi resistanssi‑ ja lämpötilamittaukset antavat tietoa dopauksesta ja materiaalin käyttäytymisestä eri olosuhteissa.

Yhteenvetona: p‑tyypin puolijohde syntyy, kun piihin tai muuhun puolijohdemateriaaliin lisätään kolmiarvoisia akseptori‑epäpuhtauksia. Tämä lisää purkautuvien reikien määrää ja muuttaa materiaalin sähkönjohtavuutta siten, että reiät ovat pääasialliset varaukonsiirtäjät. P‑tyypin ja n‑tyypin alueiden yhdistelmät ovat puolijohdetekniikan perusta monille moderneille elektronisille ja optoelektronisille laitteille.

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mikä on p-tyypin puolijohde?

K: Mitä ovat akseptoriset epäpuhtaudet?

K: Mistä tavalliset puolijohteet koostuvat?

K: Miten sähkövirta syntyy materiaalissa?

K: Miten p-tyypin puolijohde mahdollistaa virran kulun?

K: Mitä on pii ja miten siitä valmistetaan puolijohteita?

Kysymys: Mikä on tarkoitus lisätä kolmiarvoinen epäpuhtaus puhtaaseen puolijohteeseen?

Hae kirjaimella