Какво е PN-спойка?

Какво е PN спойка?

Определение на PN спойка

PN спойката се дефинира като интерфейс между p-тип и n-тип полупроводни материали в един кристал.

Създаване на PN спойка

Нека сега разгледаме как се създава тази PN спойка. В p-тип полупроводник има много дупки, а в n-тип полупроводник има много свободни електрони.

Отново в p-тип полупроводник има множество тривалентни примесни атоми, и идеално, всяка дупка в p-тип полупроводника е свързана с един тривалентен примесен атом.

Използваме думата "идеално", защото пренебрегваме термично генерираните електрони и дупки в кристала. Когато един електрон попълни дупка, примесният атом, свързан с тази дупка, става отрицателен йон.

Тъй като сега съдържа допълнителен електрон. Тъй като тривалентните примесни атоми приемат електрони и стават заредени отрицателно, примесата се нарича акцепторна примеса. Примесните атоми заместват равен брой полупроводници атоми в кристала и се поставят в кристалната структура.

Следователно, примесните атоми са неподвижни в кристалната структура. Когато тези тривалентни примесни атоми приемат свободни електрони и стават отрицателни йони, те остават неподвижни. Подобно, когато кристал на полупроводник е дозиран с петвалентна примеса, всеки атом на примесата замества атом на полупроводника в кристалната структура; следователно, тези примесни атоми са неподвижни в кристалната структура.

Всякак петвалентен примесен атом в кристалната структура има един допълнителен електрон в най-външната орбита, който може лесно да изтрие като свободен електрон. Когато изтрие този електрон, той става положително зареден йон.

Тъй като петвалентните примесни атоми даряват електрони на кристала на полупроводника, те се наричат донорни примеси. Разглеждаме неподвижни акцепторни и донорни примесни атоми, защото те играят ключова роля в формирането на PN спойката.

Да се върнем към момента, когато p-тип полупроводник се срещне с n-тип полупроводник, свободните електрони в n-тип полупроводник, близо до спойката, първо мигрират към p-тип полупроводник поради дифузия, защото концентрацията на свободните електрони е много по-висока в n-тип областта, отколкото в p-тип областта.

Електроните, които стигнат до p областта, ще се комбинират с дупките, които първо намерят. Това означава, че свободните електрони, които идват от n-тип област, ще се комбинират с акцепторни примесни атоми, близо до спойката. Това явление създава отрицателни йони.

Тъй като акцепторните примесни атоми, близо до спойката в p-тип областта, стават отрицателни йони, ще има слой от отрицателни неподвижни йони в p областта, прилежаща към спойката.

Свободните електрони в n-тип областта ще мигрират първо към p-тип областта, отколкото свободните електрони в n-тип областта, далеч от спойката. Това създава слой от неподвижни положителни йони в n-тип областта, прилежаща към спойката.

След формирането на достатъчно дебел слой от положителни йони в n-тип областта и отрицателни йони в p-тип областта, няма повече дифузия на електрони от n-тип областта към p-тип областта, тъй като има отрицателна стена пред свободните електрони. Тези два слоя от йони формират PN спойката.

Тъй като един слой е зареден отрицателно, а другият положително, се формира електрическо потенциално поле през спойката, действайки като потенциална бариера. Тази бариера зависи от материалите на полупроводника, нивото на дозиране и температурата.

Установено е, че потенциалната бариера за германиев полупроводник е 0.3 волта при 25°C, а за силициев полупроводник е 0.7 волта при същата температура.

Тази потенциална бариера не съдържа никакви свободни електрони или дупки, тъй като всички свободни електрони са се комбинирали с дупките в тази област, и поради изчерпването на носителите на заряд (електрони или дупки) в тази област, тя се нарича обедняваща зона. Въпреки че дифузията на свободни електрони и дупки спира след създаването на определено дебел обедняващ слой, практически тази дебелина на обедняващия слой е много малка, в диапазон от микрометри.