340
13 Fysikk og teknologi
Dioder Dioder er en gruppe komponenter som det fins svært mange av i mobil telefonen og i all annen elektronikkbasert teknologi. Den vanligste typen kalles pn-diode. Den er bygd opp av halvledere som er dopet. Vi må derfor først ta en titt på hva doping av halvledere innebærer.
Doping av halvledere En mikroteknolog arbeider med doping av silisium.
En halvleder inneholder to typer ladningsbærere: negative ladningsbærere, som er elektroner i ledningsbåndet, og positive ladningsbærere, som er «hull» i valensbåndet. Strømmen i halvlederen er en sum av elektronstrømmen og hullstrømmen. I reint silisium ved romtemperatur er det som nevnt et par ladningsbærere per 1013 atomer på grunn av termisk eksitasjon. Det gjør reint silisium til en relativt dårlig leder. Vi skal nå se på hva som skjer om vi tilsetter en liten mengde fremmedatomer i silisiumkrystallen. Dette kalles å dope den.
Elektron
P Valenselektroner
Hvis vi doper silisiumkrystallen med fosfor – som har fem valenselektroner – får krystallen en rekke løst bundne elektroner. Vi har fått en n-leder.
E Ledningsbånd Energigap Valensbånd
Et av valenselektronene i fosfor hører ikke hjemme i silisiumkrystall-strukturen. Det vil være løst bundet til atomet sitt og har en energi tett oppunder ledningsbåndet, markert som en stiplet linje på energidiagrammet.
n-ledere Det er vanlig å dope silisium med fosfor, P. Hvor mye fosfor som tilsettes, er avhengig av hva vi skal bruke halvlederen til. Vanlige dopingtettheter er ett P-atom per 105 til 109 Si-atomer. Så små tilsetninger endrer ikke krystallformen. P-atomet inntar bare en plass som egentlig tilhører Si-atomet, se figuren i margen. Men P-atomet har fem valenselektroner. For å danne elektronparbindingene til nabo atomene kreves bare fire elektroner, og disse fire elektronene plasserer seg i krystallens valensbånd. Det femte elektronet har ingen naturlig plass i krystalloppbygningen av silisium. I stedet vil det ha en energi tett oppunder ledningsbåndet. Dette energinivået er markert som en stiplet linje på den nederste figuren i margen. Dette elektronet vil med andre ord være løst bundet til krystallen, og det hopper lett opp i ledningsbåndet ved romtemperatur. I praksis vil det være omtrent like stor tetthet av elektroner i ledningsbåndet som tettheten av fosfor i silisiumkrystallen. Selv med den mest forsiktige dopingen på ett P-atom per 109 Si-atomer øker altså elektrontettheten i ledningsbåndet fra ett elektron per 1013 atomer til ett elektron per 109 atomer. Det betyr 10 000 ganger flere ledningselektroner enn i reint silisium. Dette gjør den dopede krystallen til en mye bedre leder, fordi elektronstrømmen altså kan være 10 000 ganger kraftigere. Denne typen halvledere kaller vi n-ledere, for det er de negative ladningsbærerne som dominerer og står for nesten all ladningstransporten. Hva skjer med hullene i valensbåndet i en slik n-dopet krystall? Siden det nå er enormt mange flere ledningselektroner, blir de fleste hullene fylt opp. Sannsynlighetsregning viser at vi får 10 000 ganger færre hull enn i reint silisium. Hullstrømmen i en rein n-leder er altså neglisjerbar.