Hvad er en PN-forbindelse?
Hvad er en PN-forbindelse?
Definition af PN-forbindelse
En PN-forbindelse defineres som en grænseflade mellem p-type og n-type halvledermaterialer i et enkelt kristal.
Opret en PN-forbindelse
Lad os nu undersøge, hvordan denne PN-forbindelse oprettes. Der findes mange huller i p-type halvledere og mange frie elektroner i n-type halvledere.
Igen i p-type halvledere findes der talrige trivalent forureningseatomer, og ideelt set er hvert hul i p-type halvlederen forbundet med et trivalent forureningseatom.
Her bruger vi ordet 'ideelt' fordi vi ignorerer termisk genererede elektroner og huller i krystallet. Når et elektron fylder et hul, bliver det forureningseatom, der er forbundet med dette hul, til et negativt ion.
Fordi det nu indeholder et ekstra elektron. Da trivalente forureningseatomer accepterer elektroner og bliver negativt opladet, kaldes forureningen acceptorforurening. Forureningseatomer erstatter et ligholdigt antal halvlederatomer i krystallet og placerer sig selv i krystalstrukturen.
Derfor er forureningseatomer statiske i krystalstrukturen. Når disse trivalente forureningseatomer accepterer frie elektroner og bliver negative ioner, bliver ionerne stadig statiske. Lignende, når et halvlederkristal dopes med pentavalent forurening, erstatter hvert atom af forurening et halvlederatom i krystalstrukturen; derfor bliver disse forureningseatomer statiske i krystalstrukturen.
Hvert pentavalent forureningseatom i krystalstrukturen har et ekstra elektron i den yderste bane, som det let kan fjerne som et frit elektron. Når det fjerner dette elektron, bliver det positivt opladet ioner.
Da pentavalente forureningseatomer donerer elektroner til halvlederkristallet, kaldes de donorforureninger. Vi diskuterer statiske acceptor- og donorforureningseatomer, fordi de spiller en nøglerolle i dannelse af PN-forbindelsen.
Lad os komme til punktet, hvor en p-type halvleder kommer i kontakt med en n-type halvleder, flytter frie elektroner på n-type halvlederen nærmere forbindelsen først til p-type halvlederen pga. diffusion, da koncentrationen af frie elektroner er meget større i n-type området end i p-type området.
Elektronerne kommer til p-området vil kombinere med de første huller de finder. Dette betyder, at de frie elektroner, der kommer fra n-type området, vil kombinere med acceptorforureningseatomer nærmere forbindelsen. Dette fænomen skaber negative ioner.
Da acceptorforureningseatomer nærmere forbindelsen i p-type området bliver negative ioner, vil der være et lag af negative statiske ioner i p-området ved siden af forbindelsen.
De frie elektroner i n-type området vil først migrere til p-type området end de frie elektroner i n-type området langt fra forbindelsen. Dette skaber et lag af statiske positive ioner i n-type området ved siden af forbindelsen.
Efter dannelse af et tilstrækkeligt tykt lag af positive ioner i n-type området og et negativt ionlag i p-type området, vil der ikke være mere diffusion af elektroner fra n-type området til p-type området, fordi der er en negativ væg foran de frie elektroner. Disse to lag af ioner danner PN-forbindelsen.
Da et lag er negativt opladt og det andet positivt opladt, dannes der en elektrisk potentiel over forbindelsen, der fungerer som en potentiel barriere. Denne barrierepotentiel afhænger af halvledermaterialet, dopningsniveauet og temperaturen.
Det er fundet, at barrierepotentialet for germanium-halvleder er 0,3 volt ved 25°C, og for silicium-halvleder er det 0,7 volt ved samme temperatur.
Denne potentialbarriere indeholder ingen frie elektroner eller huller, da alle frie elektroner er kombineret med huller i dette område, og på grund af udtørringen af ladningsbærere (elektroner eller huller) i dette område, kaldes det også udtørringsområde. Selvom diffusionen af frie elektroner og huller stopper efter oprettelsen af et bestemt tykt udtørringslag, er dette udtørringslags tykkelse praktisk talt meget lille, typisk i mikrometerområdet.
