Co je PN přechod?
Definice PN přechodu
PN přechod se definuje jako rozhraní mezi p-typem a n-typem polovodičových materiálů v jednom krystalu.
Vytvoření PN přechodu
Nyní si prohlédněme, jak je tento PN přechod vytvořen. V p-typu polovodiče je mnoho děr a v n-typu polovodiče je mnoho volných elektronů.
Opět v p-typu polovodiče jsou početné trivalentní cizí atomy a ideálně je každá díra v p-typu polovodiče spojena s jedním trivalentním cizím atomem.
Používáme zde slovo "ideální", protože zanedbáváme termicky generované elektrony a díry v krystalu. Když elektron zaplní díru, cizí atom spojený s touto dírou se stane negativně nabitém iontem.
Protože nyní obsahuje navíc elektron. Jelikož trivalentní cizí atomy akceptují elektrony a stávají se negativně nabité, cizí látka se nazývá akceptorová cizí látka. Cizí atomy nahrazují stejný počet atomů polovodiče v krystalu a umisťují se do krystalické struktury.
Cizí atomy jsou tedy statické v krystalické struktuře. Když tyto trivalentní cizí atomy akceptují volné elektrony a stávají se negativně nabitémi ionty, tyto ionty zůstávají stále statické. Podobně, když je krystal polovodiče dotován pentavalentní cizí látkou, každý atom cizí látky nahradí atom polovodiče v krystalické struktuře; cizí atomy tedy stávají se statickými v krystalické struktuře.
Každý pentavalentní cizí atom v krystalické struktuře má jeden navíc elektron v nejvnější oblasti, který snadno může odstranit jako volný elektron. Když tento elektron odstraní, stane se pozitivně nabitém iontem.
Jelikož pentavalentní cizí atomy darují elektrony krystalu polovodiče, nazývají se dárcovské cizí látky. Diskutujeme o statických akceptorových a dárcovských cizích částicích, protože hrají klíčovou roli při tvorbě PN přechodu.
Představme si moment, kdy p-typ polovodiče přijde do kontaktu s n-typem polovodiče. Volné elektrony na n-typu polovodiče blízko přechodu se nejprve přesunou do p-typu polovodiče kvůli difuzi, protože koncentrace volných elektronů je v oblasti n-typu mnohem vyšší než v oblasti p-typu.
Elektrony, které přijdou do p-oblasti, se spojí s prvními nalezenými dírami. To znamená, že volné elektrony pocházející z n-typu oblasti se spojí s akceptorovými cizími atomy blízkými přechodu. Tento jev vytváří negativní ionty.
Jelikož akceptorové cizí atomy blízké přechodu v p-typu oblasti se stávají negativně nabitymi ionty, bude v p-oblasti vedle přechodu vrstva statických negativně nabitych iontů.
Volné elektrony v n-typu oblasti se nejdříve přesunou do p-typu oblasti než volné elektrony v n-typu oblasti dál od přechodu. To vytváří vrstvu statických pozitivně nabitych iontů v n-typu oblasti vedle přechodu.
Po vytvoření dostatečně silné vrstvy pozitivně nabitych iontů v n-typu oblasti a negativně nabitych iontů v p-typu oblasti, už nebude probíhat žádná další difuze elektronů z n-typu oblasti do p-typu oblasti, protože před volnými elektrony je negativní zeď. Tyto dvě vrstvy iontů tvoří PN přechod.
Jelikož je jedna vrstva negativně nabita a druhá pozitivně nabita, vytváří se napětí napříč přechodem, které funguje jako potenciální bariéra. Toto bariérové napětí závisí na materiálu polovodiče, úrovni dotace a teplotě.
Zjistilo se, že bariérové napětí pro germaniový polovodič je 0,3 voltu při 25°C, a pro křemíkový polovodič je 0,7 voltu při stejné teplotě.
Tato potenciální bariéra neobsahuje žádné volné elektrony nebo díry, protože všechny volné elektrony se v této oblasti spojily s dírami a v důsledku vyčerpání nosičů náboje (elektronů nebo děr) v této oblasti se také nazývá vyčerpaná oblast. I když difuze volných elektronů a děr zastaví po vytvoření určité silné vyčerpané vrstvy, prakticky je tato tloušťka vyčerpané vrstvy velmi malá, ve řádu mikrometrů.
