Pooljuhid

1. Sissejuhatus pooljuhtidesse
2. Pooljuhtmaterjalid
3. Pooljuhtide elektrijuhtivus
4. Pooljuhtide lisanditega dopingu protsess
5. PN-siirde ehitus ja tööpõhimõtted
6. Pooljuhtkomponendid
7. Pooljuhtide rakendused elektroonikas ja tööstuses

1. Sissejuhatus pooljuhtidesse

Pooljuhid on materjalid, mille elektrijuhtivus jääb juhtide (näiteks metallid nagu vask ja alumiinium) ning isolaatorite (näiteks keraamika ja plastid) vahele. Pooljuhtide elektrilisi omadusi saab kergesti mõjutada lisandite lisamise (dopingu), temperatuuri ja valgusega. Sellised omadused muudavad pooljuhid elektroonikas asendamatuteks komponentideks.

1.1 Pooljuhtide omadused võrreldes juhtide ja isolaatoritega

Peamine erinevus juhtide, pooljuhtide ja isolaatorite vahel seisneb nende elektrijuhtivuses ja keelutsooni (ingl k. band gap) laiuses.

Materjali tüüp	Elektrijuhtivus (σ, S/m)	Keelutsooni laius (eV)
Juht	10⁷ kuni 10⁸	puudub (vööndid kattuvad)
Pooljuht	10⁻⁸ kuni 10³	~0,2–3 eV
Isolaator	< 10⁻¹⁰	> 3 eV

Juhtides kattuvad elektrone sisaldav valentstsoon ja tühi juhtivustsoon. See võimaldab elektronidel vabalt liikuda, luues väga hea elektrijuhtivuse.
Isolaatorites on valentstsooni ja juhtivustsooni vahel lai keelutsoon. Elektronidel puudub piisav energia, et sellist suurt energiahüpet teha, mistõttu on nende elektrijuhtivus väga väike.
Pooljuhtides jääb keelutsoon väiksemaks ja elektronid saavad suhteliselt väikese lisandenergia (soojus, valgus vms) mõjul liikuda valentstsoonist juhtivustsooni, tõstes seeläbi elektrijuhtivust märgatavalt.

Viited ja lisalugemine:

Kasap, S. O. (2013). Principles of Electronic Materials and Devices (4th ed.). McGraw-Hill Education.
https://www.mheducation.com/highered/product/principles-electronic-materials-devices-kasap/M9780078028182.html
Neamen, Donald A. (2011). Semiconductor Physics and Devices: Basic Principles (4th ed.). McGraw-Hill Education.
https://www.mheducation.com/highered/product/semiconductor-physics-devices-neamen/M9780073529585.html

1.2 Pooljuhtide elektrilised ja füüsikalised iseärasused

Pooljuhtide elektriline juhtivus sõltub olulisel määral temperatuurist ja lisanditest (dopingu määrast):

Temperatuuritundlikkus:
Temperatuuri tõustes suureneb pooljuhtide elektrijuhtivus. Soojusenergia võimaldab elektronidel ületada keelutsooni ning liikuda valentstsoonist juhtivustsooni, jättes maha elektronipuuduse ehk „augu“. Elektronid ja augud osalevad mõlemad elektrijuhtivuses.
Valgustundlikkus (fotovõime):
Pooljuhid võivad absorbeerida valgust ja genereerida elektron-auk paare, muutes nende elektrijuhtivust. Seda omadust kasutatakse fotodioodides, päikesepatareides ja optilistes andurites.
Doping (lisandpooljuhtivus):
Pooljuhtidesse lisatakse kontrollitud kogustes võõraid aineid (näiteks fosforit või boori), et tekitada elektrone (n-tüüpi) või auke (p-tüüpi). Dopingu protsessi käsitleme edaspidi detailsemalt.

Viited ja lisalugemine:

Streetman, Ben G., & Banerjee, Sanjay K. (2015). Solid State Electronic Devices (7th ed.). Pearson.
https://www.pearson.com/us/higher-education/program/Streetman-Solid-State-Electronic-Devices-7th-Edition/PGM291385.html
Sze, S. M., & Lee, Ming-Kwei. (2012). Semiconductor Devices: Physics and Technology (3rd ed.). Wiley.
https://www.wiley.com/en-us/Semiconductor+Devices%3A+Physics+and+Technology%2C+3rd+Edition-p-9780470537947

1.3 Levinumad pooljuhtmaterjalid ja nende keelutsoonid

Pooljuhtmaterjalide valik sõltub kasutuseesmärgist. Allpool toodud tabelis on populaarsete pooljuhtide keelutsoonid:

Pooljuht	Keelutsooni laius (eV)	Levinud kasutusalad
Räni (Si)	1,12	Mikroskeemid, transistorid
Germaanium (Ge)	0,67	Dioodid, fotodioodid
Galliumarseniid (GaAs)	1,42	LED-id, laserdioodid, kiire elektroonika

Räni on tööstuses enim kasutatav pooljuhtmaterjal, kuna see on odav, termiliselt stabiilne ning sobib ideaalselt integraallülituste (mikroskeemide) valmistamiseks.

Viited ja lisalugemine:

Sze, S. M. (2006). Physics of Semiconductor Devices (3rd ed.). Wiley-Interscience.
https://www.wiley.com/en-us/Physics+of+Semiconductor+Devices%2C+3rd+Edition-p-9780471143239

1.4 Kokkuvõte (võtmeideed):

Pooljuhid paiknevad oma elektrijuhtivuselt juhtide ja isolaatorite vahel.
Nende elektrijuhtivust saab hõlpsasti muuta dopingu, temperatuuri ja valgusega.
Keelutsooni laius määrab, kas materjal on juht, pooljuht või isolaator.
Pooljuhtide ainulaadsed omadused on elektroonikas väga olulised ja võimaldavad luua erinevaid elektroonikakomponente ja -seadmeid.

2. Pooljuhtmaterjalid

Pooljuhtmaterjalide valik mõjutab oluliselt elektroonikaseadmete omadusi ja rakendusalasid. Valik sõltub materjali keelutsooni laiusest, elektrijuhtivusest, temperatuuritundlikkusest ja töötlemise võimalustest.

2.1 Levinumad pooljuhtmaterjalid ja nende omadused

Kolm peamist tööstuslikult kasutatavat pooljuhtmaterjali on:

Räni (Si)
Germaanium (Ge)
Galliumarseniid (GaAs)

2.2 Räni (Si)

Räni on kõige laiemalt kasutatav pooljuhtmaterjal elektroonikatööstuses. Umbes 95% kogu elektroonikast põhineb ränil.

Räni peamised omadused:

Keelutsooni laius: 1,12 eV (300 K juures)
Kõrge termiline stabiilsus
Kättesaadav ja soodne hind
Väga hästi uuritud tehnoloogiad (näiteks CMOS tehnoloogia)

Kasutusalad:

Mikroskeemid (protsessorid, mälu, andurid)
Transistorid (bipolaarsed ja väljatransistorid MOSFET)
Päikesepatareid

Viited ja lisalugemine:

Kasap, S. O. (2013). Principles of Electronic Materials and Devices, 4th ed., McGraw-Hill.
Principles of Electronic Materials and Devices
Wolf, Stanley; Tauber, Richard N. (2000). Silicon Processing for the VLSI Era, Volume 1 – Process Technology, Lattice Press.

2.3 Germaanium (Ge)

Germaanium oli esimene laialdaselt kasutusele võetud pooljuhtmaterjal enne räni populaarsuse kasvu. Tänapäeval kasutatakse seda spetsiifilistes rakendustes.

Germaaniumi peamised omadused:

Keelutsooni laius: 0,67 eV (300 K juures)
Kõrgem elektrijuhtivus kui ränil
Madalam termiline stabiilsus võrreldes räniga
Kõrgem tundlikkus temperatuuri suhtes

Kasutusalad:

Kõrgsageduslikud ja madala pingega transistorid
Infrapunaandurid ja optoelektroonilised komponendid
Dioodid ja fotodioodid (eriti infrapunaspektri rakendustes)

Viited ja lisalugemine:

Neamen, Donald A. (2011). Semiconductor Physics and Devices, 4th ed., McGraw-Hill.
Semiconductor Physics and Devices
Streetman, Ben G.; Banerjee, Sanjay K. (2015). Solid State Electronic Devices, 7th ed., Pearson Education.

2.4 Galliumarseniid (GaAs)

Galliumarseniid on III–V tüüpi ühendpooljuht (III grupi gallium ja V grupi arseen), mida kasutatakse spetsiaalsetes ja kõrge jõudlusega elektroonikaseadmetes.

GaAs peamised omadused:

Keelutsooni laius: 1,42 eV (300 K juures)
Kiiremad elektronid ja kõrgem elektronliikuvus kui ränil
Võimaldab töötada kõrgematel sagedustel (GHz vahemikus)
Hea optoelektrooniline tundlikkus

Kasutusalad:

Kõrgsageduselektroonika (satelliitkommunikatsioon, radariseadmed)
Valgusdioodid (LED), laserdioodid
Kiired integraallülitused ja optilised seadmed

Viited ja lisalugemine:

Sze, S. M.; Lee, Ming-Kwei. (2012). Semiconductor Devices: Physics and Technology, 3rd ed., Wiley.
Semiconductor Devices
Adachi, Sadao (1994). GaAs and Related Materials: Bulk Semiconducting and Superlattice Properties, World Scientific Publishing.

2.5 Muud pooljuhtmaterjalid ja nende rakendused

Lisaks eelmainitutele kasutatakse erirakendustes ka teisi pooljuhte, näiteks:

Materjal	Keelutsooni laius	Peamised rakendused
Ränikarbiid (SiC)	3,26 eV	Võimsuselektroonika, kõrge temperatuuriga seadmed
Galliumnitriid (GaN)	3,4 eV	Sinised ja UV-LED-id, kõrgjõudlusega transistorid
Indiumfosfiid (InP)	1,34 eV	Kiudoptilised kommunikatsiooniseadmed

Viited ja lisalugemine:

Dimitrijev, Sima (2006). Principles of Semiconductor Devices, Oxford University Press.
Principles of Semiconductor Devices
Mishra, Umesh K.; Parikh, Primit; Wu, Yi-Feng (2002). “AlGaN/GaN HEMTs—an overview of device operation and applications.” Proceedings of the IEEE, 90(6), 1022–1031.
IEEE artikkel GaN transistoritest

2.6 Kokkuvõte (võtmeideed):

Räni on enim kasutatud pooljuhtmaterjal universaalsuse, hinna ja omaduste tõttu.
Germaanium sobib spetsiifilistesse rakendustesse, eriti infrapuna-elektroonikasse.
Galliumarseniid pakub eeliseid kiirete ja optiliste elektroonikaseadmete puhul.
Uued materjalid (näiteks GaN, SiC) võimaldavad areneda võimsuselektroonikal ja kõrgjõudlusega rakendustel.

3. Pooljuhtide elektrijuhtivus

Pooljuhtide elektrijuhtivus sõltub elektronide ja aukude olemasolust materjali kristallstruktuuris. Erinevalt metallidest, kus elektrijuhtivus põhineb vabade elektronide liikumisel, toimub pooljuhtides elektrijuhtivus nii elektronide kui ka elektronpuuduste ehk „aukude“ abil.

3.1 Elektronid ja augud pooljuhtides

Pooljuhtides esineb kaks elektrijuhtivuse põhikandjat:

Elektronid (negatiivse laenguga osakesed), mis liiguvad juhtivustsoonis.
Augud (positiivselt laetud „elektronpuudused“), mis tekivad valentstsoonis, kui elektronid liiguvad valentstsoonist juhtivustsooni.

Kui elektron liigub juhtivustsooni, jääb valentstsooni maha auk. Elektrivälja mõjul liiguvad elektronid juhtivustsoonis ühes suunas ja augud valentstsoonis vastassuunas, luues sellega elektrijuhtivuse.

Viited ja lisalugemine:

Neamen, Donald A. (2011). Semiconductor Physics and Devices, 4th ed., McGraw-Hill.
Semiconductor Physics and Devices
Streetman, Ben G.; Banerjee, Sanjay K. (2015). Solid State Electronic Devices, 7th ed., Pearson Education.

3.2 Sisemine pooljuhtivus (Intrinsic Conductivity)

Sisemine ehk puhas pooljuht sisaldab väga vähesel määral lisandeid ja tema elektrijuhtivus tuleneb ainult elektronide ja aukude termilisest tekkest. Mida kõrgem on temperatuur, seda rohkem elektron-auk paare tekib.

Sisemise juhtivuse põhijooned:

Elektronide arv juhtivustsoonis ja aukude arv valentstsoonis on võrdsed:

$n=p=nin=p=ni$

Sisemiste elektronkandjate kontsentratsiooni nini saab leida järgmisest valemist:

$ni2=NCNVe−EgkTni2=NCNVe−kTEg$

kus:

$NCNC, NVNV$ ;– olekute tihedused juhtivus- ja valentstsoonis
$EgEg$ – keelutsooni laius $(eV)$
$kk$ – Boltzmanni konstant $(8,617×10−5 eV/K8,617×10−5eV/K)$
$TT$ – absoluuttemperatuur $(K)$

Näiteks räni puhul $ni≈1,5×1010 cm−3ni≈1,5×1010cm−3$ toatemperatuuril (300 K).

Viited ja lisalugemine:

Kasap, S. O. (2013). Principles of Electronic Materials and Devices, 4th ed., McGraw-Hill.
Sze, S. M.; Lee, Ming-Kwei. (2012). Semiconductor Devices: Physics and Technology, 3rd ed., Wiley.

3.3 Lisandpooljuhtivus (Extrinsic Conductivity)

Praktiliselt kõik pooljuhid on elektroonikas kasutusel lisanditega (dopeeritud kujul). Lisanditega doping muudab oluliselt pooljuhi elektrijuhtivust. Dopingut on kahte tüüpi:

N-tüüpi doping (nt fosfor või arseen ränis)
Lisandil on rohkem valentselektrone kui põhielemendil, tekivad vabad elektronid. Juhtivustsoonis elektronide arv suureneb märgatavalt.
P-tüüpi doping (nt boor või gallium ränis)
Lisandil on vähem valentselektrone kui põhielemendil, tekivad elektronpuudused (augud). Valentstsoonis aukude arv suureneb märgatavalt.

N-tüüpi pooljuhid:

Elektrone nimetatakse majoritaarseteks kandjateks.
Augud jäävad minoritaarseteks kandjateks.
Juhtivus põhineb peamiselt vabadel elektronidel.

P-tüüpi pooljuhid:

Augud on majoritaarsed kandjad.
Elektronid on minoritaarsed kandjad.
Juhtivus põhineb peamiselt aukude liikumisel.

Viited ja lisalugemine:

Neamen, Donald A. (2011). Semiconductor Physics and Devices, 4th ed., McGraw-Hill.
Streetman, Ben G.; Banerjee, Sanjay K. (2015). Solid State Electronic Devices, 7th ed., Pearson Education.

3.4 Elektrijuhtivuse valem pooljuhtides

Pooljuhi üldine elektrijuhtivus (σ) on antud valemiga:

σ $=q(nμn+pμp)$ σ $=q(nμn+pμp)$

kus:

$q$ – elementaarlaeng $(1,6×10−19 C1,6×10−19C)$
$n, p$ – elektronide ja aukude kontsentratsioonid
$μn, μp$ – elektronide ja aukude liikuvused $(ühik: cm2/Vscm2/Vs)$

Näiteks ränil on toatemperatuuril tüüpilised liikuvused:

Elektronid: $μn≈1350 cm2/Vsμn≈1350cm2/Vs$
Augud: $μp≈480 cm2/Vsμp≈480cm2/Vs$

Liikuvused määravad elektrilise efektiivsuse ja pooljuhi reageerimiskiiruse erinevates rakendustes.

3.5 Kokkuvõte (võtmeideed):

Elektrijuhtivust pooljuhtides põhjustavad elektronid ja augud.
Sisemine elektrijuhtivus tekib temperatuurist, lisandjuhtivus dopingu mõjul.
N-tüüpi doping annab elektronide ülekaalu, p-tüüpi doping aukude ülekaalu.
Elektrijuhtivuse suurust saab täpselt kontrollida dopingu ja temperatuuri abil.

4. Pooljuhtide lisanditega dopingu protsess

Pooljuhtide omadusi saab praktiliseks kasutuseks optimeerida kontrollitud lisandite lisamisega ehk dopinguga. Dopingu abil on võimalik pooljuhi elektrijuhtivust ja elektriliste laengukandjate kontsentratsiooni täpselt reguleerida.

4.1 Mis on doping?

Doping tähendab väikese hulga lisandite sihipärast lisamist puhtale pooljuhile, et saavutada soovitud elektrilisi omadusi. Tavaliselt kasutatakse dopinguks aineid, mille valentselektronide arv erineb aluspooljuhi omast.

Dopingu tulemusel:

suureneb oluliselt laengukandjate arv (elektronid või augud),
tekivad n-tüüpi või p-tüüpi pooljuhid,
paraneb elektrijuhtivus ja muudetakse elektrilisi omadusi.

Viited ja lisalugemine:

Streetman, B.G., & Banerjee, S.K. (2015). Solid State Electronic Devices, 7th ed., Pearson Education.
Sze, S.M., & Lee, Ming-Kwei. (2012). Semiconductor Devices: Physics and Technology, 3rd ed., Wiley.

4.2 N-tüüpi doping

N-tüüpi doping saavutatakse pooljuhti (näiteks räni) lisandite lisamisega, millel on rohkem valentselektrone kui alusmaterjalil.

Näiteks:

Räni $(Si)$ valentselektrone: $4$
Fosfori $(P)$ või $Arseeni (As)$ valentselektrone: $5$

Kui lisada räni kristalli fosforit, jääb kristallstruktuuris iga fosforiaatomi kohta üle üks vaba elektron, mis läheb kergesti juhtivustsooni ja suurendab oluliselt elektrijuhtivust.

Tulemuseks on n-tüüpi pooljuht, kus:

Majoritaarsed kandjad: elektronid
Minoritaarseid kandjaid: augud

Näited n-tüüpi dopingainetest räni pooljuhis:

Lisand	Valentselektronid	Doonorenergia (eV)
Fosfor (P)	5	0,045
Arseen (As)	5	0,054
Antimon (Sb)	5	0,039

Viited ja lisalugemine:

Neamen, D.A. (2011). Semiconductor Physics and Devices, 4th ed., McGraw-Hill.
Kasap, S.O. (2013). Principles of Electronic Materials and Devices, 4th ed., McGraw-Hill.

4.3 P-tüüpi doping

P-tüüpi doping saavutatakse pooljuhile lisandite lisamisega, millel on vähem valentselektrone kui alusmaterjalil.

Näiteks:

Räni $(Si)$ valentselektrone: $4$
Boor $(B)$ või $Gallium (Ga)$ valentselektrone: $3$

Kui lisada räni kristalli boori, tekivad kristallstruktuuris elektronpuudused ehk „augud“. Elektronid saavad neid auke täita, kuid selle tulemusena tekivad uued augud teises kohas. Selliselt hakkavad augud justkui positiivsed laengud kristallis ringi liikuma.

Tulemuseks on p-tüüpi pooljuht, kus:

Majoritaarsed kandjad: augud
Minoritaarseid kandjaid: elektronid

Näited p-tüüpi dopingainetest räni pooljuhis:

Lisand	Valentselektronid	Aktseptorenergia (eV)
Boor (B)	3	0,045
Gallium (Ga)	3	0,072
Indium (In)	3	0,16

Viited ja lisalugemine:

Neamen, D.A. (2011). Semiconductor Physics and Devices, 4th ed., McGraw-Hill.
Kasap, S.O. (2013). Principles of Electronic Materials and Devices, 4th ed., McGraw-Hill.

4.4 Dopingu meetodid

Dopingut viiakse läbi peamiselt kahe meetodiga:

Difusioon:
Lisandaine kantakse pooljuhi pinnale, millest see kõrgel temperatuuril (900–1300 °C) difundeerub materjali sisse. Selle meetodi sügavus ja kontsentratsioon sõltuvad temperatuurist ja difusiooni kestusest.
Ioonimplantatsioon:
Lisandi ioonid kiirendatakse suure energiaga pooljuhi kristalli, võimaldades täpset kontrolli sügavuse ja dopingu kontsentratsiooni üle. Tavaliselt järgneb sellele protsessile termiline töötlus kristallstruktuuri taastamiseks.

Viited ja lisalugemine:

Wolf, S., & Tauber, R.N. (2000). Silicon Processing for the VLSI Era, Volume 1 – Process Technology, Lattice Press.
Sze, S.M. (2006). Physics of Semiconductor Devices, 3rd ed., Wiley.

4.5 Dopingu mõju elektrijuhtivusele

Dopingu suurendamisel kasvab oluliselt elektrijuhtivus, sest:

suureneb majoritaarsete kandjate (elektronide või aukude) kontsentratsioon,
muutuvad materjali elektrilised omadused etteaimatavamaks ja juhitavamaks.

Dopingu taseme kontroll võimaldab luua erinevaid elektroonilisi seadmeid alates dioodidest ja transistoridest kuni integraallülitusteni.

4.6 Kokkuvõte (võtmeideed):

Doping võimaldab kontrollida pooljuhi elektrijuhtivust.
N-tüüpi doping suurendab elektronide kontsentratsiooni ja muudab elektronid juhtivuse põhikandjateks.
P-tüüpi doping suurendab aukude kontsentratsiooni ja muudab augud juhtivuse põhikandjateks.
Levinud dopingumeetodid on difusioon ja ioonimplantatsioon.

5. PN-siirde ehitus ja tööpõhimõtted

PN-siire on pooljuhttehnoloogia aluseks, millele rajanevad dioodid, transistorid, päikesepatareid, valgusdioodid (LED-id) ja paljud teised elektroonikaseadmed. PN-siire tekib, kui ühendada omavahel p- ja n-tüüpi pooljuhid.

5.1 PN-siirde moodustumine

Kui ühendada p-tüüpi ja n-tüüpi pooljuhtmaterjal, tekib nende kokkupuutepinnale PN-siire. Selle tulemusena toimub laengukandjate difusioon:

Elektronid difundeeruvad n-piirkonnast p-piirkonda ja rekombineeruvad seal olevate aukudega.
Augud difundeeruvad p-piirkonnast n-piirkonda ja rekombineeruvad elektronidega.

Difusiooni tulemusel tekib laengukandjatest vaesunud ala, mida nimetatakse vaegalaks (ingl k. depletion region).

5.2 Vaegala omadused

Vaegala on piirkond PN-siirdes, kus vabad laengukandjad praktiliselt puuduvad. Vaegalas paiknevad fikseeritud positiivsed ja negatiivsed ioonid, mis moodustavad sisseehitatud elektrivälja.

Vaegala peamised omadused:

Sisseehitatud elektriväli takistab edasist laengukandjate difusiooni.
Tekib tasakaal difusiooni- ja elektriliste jõudude vahel.
PN-siirdes tekib potentsiaalibarjäär ehk kontaktpinge, mida nimetatakse sisseehitatud potentsiaaliks (VbiVbi).

Sisseehitatud potentsiaal arvutatakse valemiga:

$Vbi=kTqln⁡(NANDni2)Vbi=qkTln(ni2NAND)$

kus:

$k$ – Boltzmanni konstant
$T$ – absoluuttemperatuur (K)
$q$ – elektroni laeng
$NA,ND$ – aktseptorite ja doonorite kontsentratsioonid
$ni$ – sisemine laengukandjate kontsentratsioon

Näiteks räni puhul on tüüpiline sisseehitatud potentsiaal umbes 0,6–0,7 V.

5.3 PN-siirde pingestamine

PN-siirde elektrilised omadused sõltuvad rakendatud pingest, mis võib olla kahte tüüpi:

Otsesiirdes (Forward bias)
Vastusiirdes (Reverse bias)

5.3.1 Otsesiire (forward bias)

PN-siire on otsesiirdes, kui:

$p$ -piirkonnale rakendatakse positiivne pinge ja $n$ -piirkonnale negatiivne pinge.
Vaegala kitseneb oluliselt, võimaldades elektrivoolu tekkimist.
Elektronid ja augud saavad vabalt liikuda läbi siirde, mis põhjustab tugevat elektrivoolu.

Otsesiirdes dioodi voolutugevus on antud Shockley valemiga:

$I=IS(eqVkT−1)I=IS(ekTqV−1)$

kus ISIS on siirde küllastusvool, $V$ rakendatud pinge, $q$ elektroni laeng, $k$ Boltzmanni konstant, $T$ temperatuur.

5.3.2 Vastusiire (reverse bias)

PN-siire on vastusiirdes, kui:

$p$ -piirkonnale rakendatakse negatiivne pinge ja $n$ -piirkonnale positiivne pinge.
Vaegala laieneb, elektrivool praktiliselt puudub.
Väga väike vool (lekevool) tekib ainult minoritaarsete kandjate tõttu.

Kui vastupinge ületab kriitilise väärtuse (läbilöögipinge), suureneb vool järsult (Zeneri või laviinläbilöök).

5.4 Läbilöögifenomen PN-siirdes

Läbilöögi nähtust PN-siirdes kasutatakse näiteks Zeneri dioodides:

Zeneri läbilöök: toimub väikese laiusega tugevalt dopeeritud PN-siirdes. Elektrivälja mõjul eralduvad elektronid valentstsoonist otse juhtivustsooni (tunneliefekt), mis võimaldab stabiliseerida pinget.
Laviinläbilöök: toimub laiemas ja nõrgemini dopeeritud PN-siirdes, kus tugev elektriväli kiirendab elektrone, mis omakorda vabastavad löökionisatsiooniga uusi elektrone.

5.5 PN-siirde rakendused

PN-siirdega komponendid on elektroonikas väga levinud. Näited kasutusaladest:

Dioodid (alaldusdioodid, Zeneri dioodid)
Valgusdioodid (LED-id) ja laserid
Fotodioodid ja päikesepatareid
Transistoride baaselemendid (bipolaarsed transistorid)

5.6 Viited ja lisalugemine

Põhjalikuks lisalugemiseks sobivad järgmised allikad:

Neamen, D.A. (2011). Semiconductor Physics and Devices, 4th ed., McGraw-Hill. Semiconductor Physics and Devices
Streetman, B.G., & Banerjee, S.K. (2015). Solid State Electronic Devices, 7th ed., Pearson. Solid State Electronic Devices
Kasap, S.O. (2013). Principles of Electronic Materials and Devices, 4th ed., McGraw-Hill.

5.7 Kokkuvõte (võtmeideed)

PN-siire tekib, kui ühendada p- ja n-tüüpi pooljuhid.
Vaegala ja sisseehitatud elektriväli on PN-siirde olulised tunnused.
PN-siirde elektrilisi omadusi kontrollitakse otsesiirde ja vastusiirdega.
PN-siire on aluseks enamusele pooljuhtkomponentidele elektroonikas.

6. Pooljuhtkomponendid

Pooljuhtkomponendid on elektroonikas seadmete põhielemendid. Nende toimimine tugineb pooljuhtide erilistele omadustele ning eelkõige PN-siirde ehitusele.

6.1 Dioodid

Diood on kõige lihtsam PN-siirdele tuginev pooljuhtkomponent, mis juhib voolu ainult ühes suunas.

Peamised dioodide tüübid ja rakendused:

Alaldusdioodid (Rectifier diode)
Muudavad vahelduvvoolu alalisvooluks. Näide: 1N4001–1N4007 seeria.
Zeneri dioodid (Zener diode)
Kasutatakse pingestabilisaatorites. Läbipinge (Zeneri pinge) on täpselt määratud ja stabiilne. Näide: 1N4728 (3,3 V), 1N4733 (5,1 V).
Valgusdioodid (LED)
Dioodid, mis kiirgavad valgust elektronide ja aukude rekombineerumisel. Näited: indikaatorvalgustid, ekraanid, valgustuslahendused.
Fotodioodid
Valgusele tundlikud dioodid, mille elektrijuhtivus sõltub valgustatusest. Kasutatakse: optilistes andurites, valguse mõõtmises, optilises kommunikatsioonis.

Lisalugemine:

Neamen, D.A. (2011). Semiconductor Physics and Devices, 4th ed., McGraw-Hill.

6.2 Transistorid

Transistorid on pooljuhtseadmed, mille abil juhitakse elektrivoolu või pinget ning võimendatakse signaale.

Transistoride liigid:

6.2.1 Bipolaartransistorid (BJT)

Koosneb kahest PN-siirdest:

NPN transistor: voolu juhivad peamiselt elektronid. Levinud elektroonikas sagedus- ja signaalivõimenditena.
PNP transistor: voolu juhivad peamiselt augud.

Rakendused: võimendid, lülitusahelad, signaalitöötlus.

Näited:

BC547, BC557 väikese võimsusega transistorid.
TIP41, TIP42 võimsustransistorid.

Lisalugemine:

Streetman, B.G., & Banerjee, S.K. (2015). Solid State Electronic Devices, 7th ed., Pearson.

6.2.2 Väljatransistorid (FET)

Väljatransistoride tööd juhib elektriväli, mitte baasivool nagu bipolaartransistorides.

Peamised tüübid:

JFET (Junction FET): lihtne, vähese müraga transistor (näiteks BF245).
MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor FET): enimkasutatav transistor tüüp, sobib väga hästi integraallülitustesse ja suure jõudlusega lülitustesse (IRFZ44N, IRLZ44N).

Rakendused: toitelülitused, integraallülitused (protsessorid), elektrooniline juhtimine.

Lisalugemine:

Kasap, S.O. (2013). Principles of Electronic Materials and Devices, 4th ed., McGraw-Hill.

6.3 Türistorid ja TRIAC-id

Need komponendid juhivad voolu vastavalt juhtsignaalile ja jäävad avatuks kuni voolu katkestamiseni või polaarsuse muutumiseni.

Türistor (SCR): pooljuhtlüliti, mis juhib voolu ainult ühes suunas ja avaneb värava (gate) impulsiga.
- Rakendused: mootori juhtimine, valgustuse reguleerimine, võimsuselektroonika.
- Näide: BT151
TRIAC: türistori analoog, mis juhib voolu mõlemas suunas (vahelduvvoolu korral).
- Rakendused: valgustuse dimmerid, vahelduvvoolu koormuste juhtimine.
- Näide: BT136, BTA16

Lisalugemine:

Rashid, M.H. (2013). Power Electronics Handbook, 4th ed., Butterworth-Heinemann.

6.4 Integraallülitused ja mikrokontrollerid

Integraallülitused (IC) sisaldavad tuhandeid või miljoneid pooljuhtkomponente ühes väikeses kristallis.

Näited:

Operatsioonvõimendid (näiteks LM358, LM741): signaalitöötlus, mõõtevõimendid.
Mikrokontrollerid (näiteks ATmega328, STM32): programmeeritavad seadmed automatiseerimiseks, juhtimiseks ja andmetöötluseks.

6.5 Pooljuhid andurites ja optoelektroonikas

Pooljuhid leiavad rakendust erinevates sensorites ja optoelektroonilistes komponentides:

Temperatuurisensorid (näiteks LM35)
Valgusandurid (näiteks fotodioodid BPW34, fototransistorid)
Optilised sidurid ehk optoisolaatorid (näiteks PC817, 4N25)

6.6 Viited ja lisalugemine:

Põhjalikuks lisalugemiseks soovitan järgmisi allikaid:

Streetman, B.G.; Banerjee, S.K. (2015). Solid State Electronic Devices, 7th ed., Pearson Education. Solid State Electronic Devices
Neamen, D.A. (2011). Semiconductor Physics and Devices, 4th ed., McGraw-Hill. Semiconductor Physics and Devices
Rashid, M.H. (2013). Power Electronics Handbook, 4th ed., Butterworth-Heinemann.

6.7 Kokkuvõte (võtmeideed):

Pooljuhtkomponendid põhinevad enamasti PN-siirdel ja selle omadustel.
Dioodid võimaldavad voolu juhtida ühes suunas ja neid kasutatakse alaldamiseks, stabiliseerimiseks ja valguse tekitamiseks.
Transistorid võimaldavad voolu või pinget juhtida ja signaale võimendada.
Türistorid ja TRIAC-id on elektroonilised pooljuhtlülitid, mida kasutatakse võimsuselektroonikas.
Integraallülitused ja mikrokontrollerid on kõrgelt integreeritud pooljuhiseadmed, mis on aluseks kaasaegsele elektroonikale.

7. Pooljuhtide rakendused elektroonikas ja tööstuses

Pooljuhtide omadused on elektroonikarevolutsiooni aluseks. Tänu võimalusele täpselt kontrollida elektrijuhtivust, kasutatakse pooljuhte pea kõigis kaasaegsetes tehnoloogiavaldkondades.

7.1 Alaldid ja toiteallikad

Pooljuhtdioode kasutatakse laialdaselt alaldamiseks ehk vahelduvvoolu (AC) muutmiseks alalisvooluks (DC):

Poollaine ja täislaine alaldid
Kasutatakse lihtsaid dioode (1N400x seeria).
Pingestabilisaatorid (Zener-dioodid ja regulaatorid)
Stabiliseerivad väljundpinge kindlal tasemel. Näited: LM7805 (5 V), LM7812 (12 V).
Lülitus-toiteallikad (Switching power supplies)
Kasutavad MOSFET-transistoreid suure efektiivsuse saavutamiseks.

Rakendused:
Tööstusseadmed, elektroonilised seadmed, akulaadijad.

Lisalugemine:

Rashid, M.H. (2013). Power Electronics Handbook, 4th ed., Butterworth-Heinemann.

7.2 Lülitusahelad ja võimendid

Transistorid on elektroonikas kõige enam kasutatud lülitus- ja võimenduskomponendid:

Digitaalsed lülitused (MOSFET, BJT)
Kasutusel arvutites, digitaalsetes süsteemides, PLC-des.
Analoogvõimendid (BJT, MOSFET, operatsioonvõimendid)
Audio-, video- ja mõõtevõimendid.
Kõrgsagedusahelad (GaAs-transistorid)
Radarid, mobiilside tugijaamad, satelliitside.

Rakendused:
Elektrooniline juhtimine, arvutid, kommunikatsiooniseadmed.

Lisalugemine:

Sedra, A.S., & Smith, K.C. (2015). Microelectronic Circuits, 7th ed., Oxford University Press.

7.3 Valgustus ja optoelektroonika

Optoelektroonika põhineb pooljuhtide võimel muuta elektrivool valguseks ja vastupidi:

Valgusdioodid (LED-id)
Valgustuslahendused, ekraanid, signaallambid.
Laserid (laserdioodid)
Side, mõõteseadmed, CD/DVD-seadmed.
Fotodioodid ja fototransistorid
Optilised sensorid, valgusmõõtmine, side ja automatiseerimine.
Päikesepatareid (PV-paneelid)
Päikeseenergia elektriks muundamiseks.

Rakendused:
Tööstusautomaatika, side, alternatiivenergia.

Lisalugemine:

Kasap, S.O. (2013). Optoelectronics and Photonics: Principles and Practices, 2nd ed., Pearson.

7.4 Anduritehnoloogia

Pooljuhtkomponendid on laialdaselt kasutusel erinevates sensorites ja mõõtesüsteemides:

Temperatuurisensorid (pooljuhttermistorid, nt LM35)
Surve- ja jõuandurid (piesoandurid)
Gaasi- ja niiskusandurid (pooljuhtgaasiandurid, MEMS-sensorid)
Magnetvälja- ja Hall-efekti andurid (näiteks A3144)

Rakendused:
Tööstuslik mõõtmine, automatiseeritud juhtimissüsteemid, autoelektroonika.

Lisalugemine:

Fraden, J. (2015). Handbook of Modern Sensors: Physics, Designs, and Applications, 5th ed., Springer.

7.5 Võimsuselektroonika ja tööstusautomaatika

Võimsuselektroonika seadmed reguleerivad elektrienergia juhtimist, teisendamist ja kasutamist:

Transistorinverterid
Muudavad alalisvoolu vahelduvvooluks (näiteks sagedusmuundurid).
Alaldisillad ja türistorregulaatorid
Kasutatakse tööstuslikes protsessides, elektrimootorite juhtimises.
TRIAC ja SSR (solid-state releed)
Valgustuse juhtimine, kütteseadmete reguleerimine.

Rakendused:
Tootmisliinid, elektrilised ajamid, tööstusseadmete juhtimine.

Lisalugemine:

Rashid, M.H. (2017). Power Electronics: Circuits, Devices & Applications, 4th ed., Pearson.

7.6 Mikroelektroonika ja arvutitehnika

Integraallülitused (IC-d) on aluseks arvutite, mobiiltelefonide ja automatiseeritud süsteemide arengule:

Protsessorid (CPU), mikroprotsessorid ja mikrokontrollerid
Mälu (RAM, Flash)
Digitaalsed ja analooglülitused (ADC, DAC, DSP)

Rakendused:
Arvutid, nutiseadmed, IoT, tööstusautomaatika.

Lisalugemine:

Harris, D.M., & Harris, S.L. (2022). Digital Design and Computer Architecture, 3rd ed., Morgan Kaufmann.

7.7 Viited ja lisalugemine:

Põhjalik lisakirjandus, mida soovitan:

Power Electronics Handbook, M.H. Rashid (2013), Butterworth-Heinemann.
Microelectronic Circuits, Sedra & Smith (2015), Oxford University Press.
Optoelectronics and Photonics, Kasap (2013), Pearson Education.

7.8 Kokkuvõte (võtmeideed):

Pooljuhtide rakendused hõlmavad praktiliselt kõiki kaasaegse elektroonika valdkondi.
Pooljuhtkomponendid võimaldavad luua väikese energiatarbimisega, usaldusväärseid ja väga kompaktseid seadmeid.
Võimsuselektroonika ja mikroelektroonika on olulised tööstuse automatiseerimisel, energiatõhususes ja kommunikatsioonitehnoloogiates.

Sellega on „Pooljuhtide“ teema põhjalik käsitlus valmis. Kui soovid midagi veel täpsustada või täiendada, anna julgelt teada. Edu õppematerjali kasutamisel!