P-type halvleder: Hvad er det? Doping, huller og anvendelser
P-type halvleder: Forklaring af doping med bor/aluminium, hvordan huller skaber strøm og praktiske anvendelser i elektronik og kredsløb.
P-type halvleder beskriver en halvleder, hvor huller (manglende elektroner) er de dominerende ladningsbærere. Når en treværdig urenhed tilsættes en ellers ren halvleder som silicium eller germanium, kaldes det doping og resultatet er en p-type halvleder. Treværdige urenheder som bor, gallium (Ga), indium (In) og aluminium fungerer som såkaldte acceptorer, fordi de accepterer en elektron og efterlader et hul. De materialer, der bruges som halvledere, leder ikke elektrisk særlig godt i ren tilstand, men er heller ikke stærke isolatorer — de ligger midt imellem ledere og isolatorer.
Hvordan opstår huller og ledning i p-type halvledere?
Silicium har normalt fire elektroner i sin yderste skal og danner kovalente bindinger med nabosiliciumatomer. Når et treværdigt atom (f.eks. bor) indsættes, mangler der en elektron for at fuldende de fire bindinger. Denne manglende elektron omtales som et hul — et sted i krystalstrukturen hvor en elektron kan bevæge sig ind og dermed få indtrykket af, at en positiv ladning bevæger sig i modsat retning. I p-type materialer er disse huller majoritetsbærere, mens elektroner er minoritetsbærere.
Energiniveauer og acceptor-niveau
Doping indfører nye energiniveauer tæt på valensbåndet (kaldet acceptorniveauet). Det kræver kun lidt energi for en elektron i valensbåndet at hoppe ind i acceptorniveauet og efterlade et frit hul. Det betyder, at selv ved lave temperaturer findes der mange huller, hvilket øger materialets ledningsevne sammenlignet med udopeed (intrinsisk) silicium.
Egenskaber der er vigtige at kende
- Majoritetsbærere: Huller (positiv ladning).
- Minoritetbærere: Elektroner.
- Ledning: Foregår ved bevægelse af huller i valensbåndet — under et elektrisk felt vil elektroner bevæge sig mod den positive elektrode, mens huller effektivt bevæger sig mod den negative elektrode.
- Mobilitet: Hule-mobiliteten er normalt lavere end elektron-mobiliteten, så for samme dopingsniveau vil en n-type halvleder ofte have højere ledningsevne end en p-type.
- Dopingsniveau: Bestemmer hvor mange huller der er — højere dopingskoncentration giver højere ledningsevne, men kan også øge støj og ændre andre egenskaber.
P- og n-type i praksis: PN-overgange og komponenter
Når et p-type materiale sættes sammen med et n-type materiale (hvor elektroner er majoritetsbærere), dannes en PN-overgang. Denne overgang er grundlaget for dioder, transistorer (f.eks. pnp- og npn-bipolare transistorer) og mange andre elektroniske komponenter. Ved PN-overgangen dannes et aflæsningslag (depletion region), som styrer strømmen afhængigt af påført spænding, og det er denne egenskab, der f.eks. tillader ensretning i dioder.
Fremstillingsmetoder og materialer
Almindelige metoder til at doppe silicium inkluderer diffusion og ionimplantation. Valget af dopant (f.eks. bor til p-type) og processen bestemmer præcisionen af dopingsprofilet, hvilket er afgørende for moderne integrerede kredsløb og CMOS-teknologi.
Anvendelser
- Digitale og analoge integrerede kredsløb (CMOS bruger både p- og n-type)
- Dioder og ensrettere
- Bipolare transistorer (pnp) og felt-effekt-transistorer
- Solceller (p- og n-dopede lag danner fotovoltaiske junctions)
- Sensorer og strømkontroller
Praktiske bemærkninger
Det er vigtigt at bemærke, at strøm kan flyde i begge retninger i et p-type materiale afhængigt af den påførte spænding og konstruktionen af kredsløbet — det er kombinationen af p- og n-regioner (fx en PN-overgang) der giver ensretning eller envejsadfærd i komponenter. Desuden afhænger egenskaberne af temperatur: ved højere temperatur øges antal termisk genererede bærere, hvilket kan gøre et stærkt dopet materiale mindre domineret af dopingen.
Samlet set er p-type halvledere et fundamentalt byggestykke i moderne elektronik. Ved at kontrollere dopingen præcist kan man skræddersy elektriske egenskaber og bygge alt fra simple dioder til komplekse mikroprocessorer.
Fremstilling
P-type halvledere fremstilles ved at dotere det rene halvledermateriale. Mængden af urenheder, der tilsættes, er meget lille i forhold til mængden af halvleder. Halvlederens nøjagtige karakter kan ændres ved at variere mængden af "doteringsstof", der tilsættes.I p-type halvleder er antallet af huller meget større end antallet af termisk genererede elektroner.
Relaterede sider
Halvleder
Spørgsmål og svar
Q: Hvad er en p-type halvleder?
A: En p-type halvleder er en type halvleder, hvor en trivalent urenhed er tilføjet til en intrinsisk eller ren halvleder som silicium eller germanium.
Q: Hvad er acceptor-urenheder?
A: Trivalente urenheder som Bor (B), Gallium (Ga), Indium (In) og Aluminium (Al) kaldes acceptor-urenheder.
Q: Hvad er almindelige halvledere lavet af?
A: Almindelige halvledere er lavet af materialer, der ligger halvvejs mellem ledere og isolatorer, og som ikke leder elektrisk strøm særlig godt.
Q: Hvordan opstår der en elektrisk strøm i et materiale?
A: For at der kan opstå en elektrisk strøm, skal elektroner bevæge sig gennem materialet, og der skal være et elektronhul i materialet, som elektronen kan bevæge sig ind i.
Q: Hvordan tillader en p-type halvleder strøm at flyde?
A: En p-type halvleder har flere huller end elektroner, hvilket gør det muligt for strømmen at flyde langs materialet fra hul til hul, men kun i én retning.
Q: Hvad er silicium, og hvordan bruges det til at lave halvledere?
A: Silicium er et grundstof med fire elektroner i den ydre skal, og det bruges oftest til at fremstille halvledere. For at lave en p-type halvleder tilsætter man ekstra materialer som bor eller aluminium til silicium, hvilket skaber et hul i stedet for den fjerde elektron.
Q: Hvad er formålet med at tilføje en trivalent urenhed til en ren halvleder?
A: Ved at tilføje en trivalent urenhed som bor eller aluminium til en ren halvleder skabes der elektronhuller, og det gør det muligt at lade elektrisk strøm flyde i en p-type halvleder.
Søge