1.6 p-n siire

iDevide ikoon
Kui tootja legeerib kristalli selliselt, et selle üks pool on p-tüüpi ja teine pool n-tüüpi, toimub midagi uut. Piirkonda p-tüübi ja n-tüübi vahel nimetatakse pn-siirdeks. Pooljuhi p-n siirde moodustamiseks peab ränikristsllli n-tüüpi piirkond külgnema või otsakuti koos olema sama kristalli p-tüüpi piirkonnaga. pn-siiret iseloomustab p-tüübist või n-tüübist legeerimine või muutmine

Joonis 18. p-n siire.


Allikas: Pütsep, R. Elektroonika, 1998, lk. 45

pn-siire - erilise tehnoloogilise protsessiga saadud p-juhtivusega pooljuhi ja n-juhtivusega pooljuhi piirikiht.

Joonis 19. p-n siirde olemus.

Allikas: Pütsep, R. Elektroonika, 1998, lk. 46

pn-siirde olemus - kuna elektronide kontsentratsioon n-pooljuhis on palju suurem kui p-pooljuhis, siis toimub elektronide difusioon p-pooljuhti. Nende lahkumise tõttu tekib n-pooljuhi piiripinna lähedal positiivne ruumlaeng. Samal ajal tinglikult tungivad augud p-pooljuhist n-pooljuhti, mistõttu p-pooljuhi õhukeses piirikihis tekib negatiivne laeng joonis 19.

Erinimeliste elektrilaengutega kihtide vahel tekib teatava tugevusega elektriväli, mis on suunatud n-juhtivusega pooljuhist p-juhtivusega pooljuhti ja takistab laengute edasist difundeerumist, samuti aga rekombineerumist (ühinemist). Piirikihis endas aga vastasnimelised laengukandjad rekombineeruvad, nii et piirikihi elektriline takistus suureneb.

pn-siire kui tõkkekiht - kui pn-siirde külge lülitada väline vooluallikas nii, et positiivne klemm ühendatakse p-juhtivusega ja negatiivne klemm n-juhtivusega pooljuhiga, siis tekib pn-siirde elektriväljale Epn vastassuunaline väline elektriväli E. Viimane kompenseerib siirde elektrivälja toime, siirde laengud rekombineeruvad, tõkkekiht kaotab oma takistava toime ja pn-siiret läbib elektrivool.

Sellist pn-siirde reziimi nimetatakse avasuuna reziimiks, tekkivat voolu pärivooluks ja siirdele rakendatud pinget päripingeks.

Kui pn-siirde külge lülitada väline vooluallikas nii, et positiivne klemm ühendatakse n-juhtivusega ja negatiivne klemm p-juhtivusega pooljuhiga, siis tekib pn-siirde elektriväljale Epn samasuunaline väline elektriväli E ja suurendab selle mõju. Enamuslaengukandjad liiguvad esialgu vooluallika klemmide suunas ja venitavad tõkkekihi paksemaks ja vool teda praktiliselt ei läbi.

Sellist pn-siirde reziimi nimetatakse vastupingereziimiks, siiret läbivat väga nõrka voolu tõkkevooluks ja siirdele rakendatud pinget vastupingeks.

pn-siirde valmistamise viisid:

  • punktsiire - n-juhtivusega germaaniumkristalli vastu surutud peenikesest metallnõelast läbiv vooluimpulss kuumendab kontaktikohta tugevasti ja nõelaots sulab pooljuhiga kokku. Seejuures lisandi aatomid difundeeruvad nõela teravikust pooljuhti ja tekitavad nn. termoaktseptorid. Kujuneb väike p-juhtivusega piirkond.
  • pindsiire - valmistatakse kas lisandite sulandamisega, difundeerumisega või erijuhtivusega pooljuhtkristallide kasvatamise teel.

Pindsiirde valmistamine:

  • sulandsiire - n-juhtivusega räniplaadi vastu asetatud aktseptorina toimivat alumiiniumvarda otsa kuumutatakse vaakumis 7000 - 8000 C. Alumiinium ja räni tema all sulavad. Jahtudes moodustub alumiinium varda otsa all p-juhtivusega räni kiht;
  • mikrosulandsiire - kasutatakse kõrgsagedusdioodide valmistamiseks. Väikesesse pooljuhtplaati sulandatakse peenike elektrood, mis sisaldab aktseptorit või on sellega kaetud. Moodustuva p-juhtivusega ala ja plaadi ülejäänud osa vahel kujuneb pn-siire. Mikrosulandsiirde pindala on punktsiirdest 5 korda suurem ja seetõttu on ka lubatav pärivool tunduvalt suurem;
  • difusioonsiire - difusioonmenetlusel kuumutatakse näiteks p-juhtivusega germaaniumplaati koos doonorlisandi antimoniga. Pooljuhi sulamisele lähedasel temperatuuril tungivad gaasilise antimoni aatomid germaaniumi pinda ja nii moodustub germaaniumi pinnakihis n-juhtivusega ala ja seega ka pn-siire. Lisandi kontsentratsioon kahaneb sujuvalt plaadi sügavuse suunas. Planaarmenetlusel difundeeritakse aktseptorlisandi (boor või alumiinium) aatomeid n-juhtivusega räniplaati läbi selle pinnale sadestunud kaitsekihis (maskis) olevate avade. Nii saadakse ühel plaadil korraga siirdeid paljude dioodide vajaduseks;
  • epitaksiamenetlus - olemus seisneb selles, et monokristallilisele p- või n-juhtivusega alusele kasvatakse õhuke räni kiht. Selleks lastakse ränitetrakloriidi ja vesiniku segu üle kuumutatud räni plaadi. Toimuvas keemilises reaktsioonis eralduvad räniaatomid sadestuvad alusplaadi pinnale jätkates selle kristallstruktuuri. Kui lisada plaadist ülejuhtivale segule boori või fosfori ühendeid, saadakse vastavalt p- või n-juhtivusega kiht;
  • kombineeritud menetlus - olemus seisneb selles, pn-siirde valmistamisel kasutatakse mitut menetlust koos, näiteks epitaksplanaartehnoloogia.