P-tipa pusvadītājs: definīcija, darbība un piemaisījumu loma
Uzzini, kas ir P-tipa pusvadītājs — definīcija, darbības princips un trīsvērtīgo piemaisījumu (B, Al, Ga) loma, skaidri un saprotami.
P tipa pusvadītājs ir viens no galvenajiem pusvadītāja veidiem, ko iegūst, pievienojot tīram pusvadītājam trīsvērtīgus piemaisījumu atomus. Tipiska materiāla — piemēram, silīcija vai ģermānija — ārējā elektronu čaulā ir četri elektroni. Ja daļu šo atomu aizstāj ar elementiem, kuru ārējā apvalkā ir tikai trīs elektroni (piemēram, bors, alumīnijs, gālijs vai indijs), katrā šādā vietā materiālā rodas tā sauktais caurums — vieta, kur trūkst ceturtā elektrona.
Kā rodas un darbojas p tipa pusvadītājs
Trīsvērtīgos piemaisījumus sauc par akceptoru piemaisījumiem, jo tie spēj pieņemt elektronu no materiāla valences joslas. Kad akceptors pieņem elektronu, tas kļūst negatīvi lādēts ions, bet blakus esošajā vietā paliek neokupēta elektrona stāvokļa “caurums”. Šie caurumi funkcionē kā pozitīvi lādēti nesēji (majoritārie lādiņnesēji p tipa pusvadītājā) — elektriskā strāva materiālā lielākoties tiek pārvadīta tieši ar caurumu palīdzību.
Svarīgi precizēt: elektrostrāvas kustība nav ierobežota tikai vienā virzienā kopumā — strāva plūst tā, kā to nosaka pievienotais spriegums un ķēdes savienojums. Tomēr no lādiņnesēju skatpunkta caurums formāli "pārvietojas" tādā virzienā, kā jauns elektrons aizpilda blakus vietu, radot nākamo caurumu pretējā vietā. Faktiski tie ir elektronu pārvietojuma rezultāti, kas dod iespaidu, ka pa materiālu pārvietojas pozitīvie caurumi.
Enerģētiskā skaidrošana
Enerģētiski akceptoru stāvoklis atrodas nedaudz virs valences joslas malas. Lai kļūtu par brīvu lādiņnesēju, akceptoram jāiegūst elektrons (jāionizē). Šī jonizācijas enerģija parasti ir maza, tāpēc jau pie istabas temperatūras liela daļa akceptoru ir ionizēta, un p tipa pusvadītājos ir daudz caurumu. Šī papildu lādiņnesēju koncentrācija būtiski palielina materiāla elektrisko vadītspēju salīdzinājumā ar tīru (intrinskisku) pusvadītāju.
Galvenās īpašības un faktori
- Majoritārie nesēji: caurumi (pozitīvi lādiņi).
- Minoritārie nesēji: elektroni — to koncentrācija ir mazāka, bet tie joprojām ir svarīgi, piemēram, atgriešanās (recombination) procesos un p–n pārejās.
- Elektriskā vadītspēja: pieaug proporcionāli piemaisījuma koncentrācijai, taču pārlieks piemaisījumu daudzums var samazināt mobilitāti sakarā ar spēcīgāku skandālo izkliedi.
- Mobilitāte: caurumu mobilitāte parasti ir zemāka nekā elektroniem, tādēļ par vienādu lādiņnesēju skaitu vadītspēja p tipa materiālā var būt mazāka nekā n tipa materiālā.
- Temperatūras ietekme: pie zemām temperatūrām akceptoru jonizācija var samazināties, bet pie augstām temperatūrām domiņējošā ietekme var būt intrisiskajiem nesējiem.
Piemaisījumi un ražošanas metodes
Biežākie trīsvērtīgie dopanti ir bors, gālijs, indijs un alumīnijs. Piemaisījumu ievadīšanai pusvadītājiem izmanto tehnoloģiskus paņēmienus, piemēram, difūziju, jonu implantāciju vai epitaksijas metodes (piemēram, CVD). Katra metode ļauj kontrolēt piemaisījuma koncentrāciju un iesēšanās dziļumu, kas ir būtiski ierīču īpašībām.
Loma elektroniskajās ierīcēs
P tipa materiāli ir viena no divām pamata sastāvdaļām, kas nepieciešamas p–n pāreju veidošanai. p–n pārejas ir pamats diodēm, bipolārajiem tranzistoriem, lāzerdiodēm, saules baterijām un daudzām citām pusvadītāju ierīcēm. Kombinējot p tipa un n tipa zonas, iespējams kontrolēt lādiņu pārvietošanos, radīt taisnojošas īpašības, pastiprināt signālus un pārvērst gaismu elektrībā (vai otrādi).
Piemēri un praktiski apsvērumi
- p tipa slāņi bieži tiek kombinēti ar n tipa slāņiem mikroshēmās un diodēs.
- p tipa pusvadītājos negatīvā lādē nokļuvušie akceptoru atomi rada statisku negatīvu lādiņu, kas jāņem vērā ierīču dizainā (piemēram, sprieguma sliekšņi, spraudspunkta potenciāls).
- Sarežģītākos dizainos izmanto arī kompensācijas paņēmienus, pievienojot gan akceptorus, gan donorus (piemēram, ar pievienotu n tipa piemaisījumu), lai precizētu elektriskās īpašības.
Kopsavilkumā: p tipa pusvadītājs ir materiāls ar pārsvarā pozitīviem lādiņnesējiem — caurumiem — ko iegūst, dopējot tīru pusvadītāju ar trīsvērtīgiem akceptoru elementiem. Šie materiāli ir fundamentāli elektronikas komponenti, un to īpašības ir atkarīgas gan no piemaisījumu izvēles, gan no apstrādes metodēm, gan no temperatūras un ierīces konstrukcijas.
Ražošana
P tipa pusvadītājus izgatavo, dopingējot tīru pusvadītāju materiālu. Pievienoto piemaisījumu daudzums ir ļoti mazs salīdzinājumā ar pusvadītāja daudzumu. Precīzu pusvadītāja raksturu var mainīt, mainot pievienotā "piedevas" daudzumu. p tipa pusvadītājā caurumu skaits ir daudz lielāks nekā termiski ģenerēto elektronu skaits.
Saistītās lapas
Pusvadītāju
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir p tipa pusvadītājs?
A: P tipa pusvadītājs ir pusvadītāja veids, kurā iekšējam jeb tīram pusvadītājam, piemēram, silīcijam vai ģermānijam, ir pievienots trīsvērtīgs piemaisījums.
J: Kas ir akceptora piemaisījumi?
A: Tādi trīsvērtīgie piemaisījumi kā bors (B), gallijs (Ga), indijs (In) un alumīnijs (Al) tiek saukti par akceptoru piemaisījumiem.
J: No kā sastāv parastie pusvadītāji?
A: Parastos pusvadītājus izgatavo no materiāliem, kas ir pusceļā starp vadītājiem un izolatoriem un nevada elektrisko strāvu ļoti labi.
J: Kā materiālā rodas elektriskā strāva?
A: Lai rastos elektriskā strāva, elektroniem ir jāpārvietojas caur materiālu, un materiālā ir jābūt elektronu caurumam, kurā elektrons var pārvietoties.
J: Kā p tipa pusvadītājā var plūst strāva?
A: P tipa pusvadītājā ir vairāk caurumu nekā elektronu, kas ļauj strāvai plūst pa materiālu no cauruma uz caurumu, bet tikai vienā virzienā.
J: Kas ir silīcijs un kā to izmanto pusvadītāju ražošanā?
A: Silīcijs ir elements, kura ārējā apvalkā ir četri elektroni, un to visbiežāk izmanto pusvadītāju ražošanā. Lai izveidotu p tipa pusvadītāju, silīcijam pievieno papildu materiālus, piemēram, boru vai alumīniju, tādējādi ceturtā elektrona vietā radot caurumu.
Kāds ir mērķis tīram pusvadītājam pievienot trīsvērtīgu piemaisījumu?
A: Trīskārša piemaisījuma, piemēram, bora vai alumīnija, pievienošana tīram pusvadītājam rada elektronu caurumus un nodrošina elektriskās strāvas plūsmu p tipa pusvadītājā.
Meklēt