Was ist eine PN-Schaltung?

Was ist eine PN-Schicht?

Definition der PN-Schicht

Eine PN-Schicht wird definiert als die Grenzfläche zwischen p-dotiertem und n-dotiertem Halbleitermaterial in einem einzigen Kristall.

Erstellen einer PN-Schicht

Betrachten wir nun, wie diese pn-Schicht entsteht. Es gibt zahlreiche Löcher im p-dotierten Halbleiter und viele freie Elektronen im n-dotierten Halbleiter.

Im p-dotierten Halbleiter gibt es wiederum eine Vielzahl von trivalenten Verunreinigungsatomen, und idealerweise ist jedes Loch im p-dotierten Halbleiter mit einem trivalenten Verunreinigungsatom verbunden.

Wir verwenden hier das Wort „ideal“, da wir thermisch erzeugte Elektronen und Löcher im Kristall vernachlässigen. Wenn ein Elektron ein Loch füllt, wird das Verunreinigungsatom, das mit diesem Loch verbunden ist, zu einem negativ geladenen Ion.

Denn es enthält nun ein zusätzliches Elektron. Da die trivalenten Verunreinigungsatome Elektronen akzeptieren und negativ geladen werden, werden sie Akzeptorverunreinigungen genannt. Die Verunreinigungsatome ersetzen eine gleiche Anzahl an Halbleiteratomen im Kristall und platzieren sich in der Kristallstruktur.

Daher sind die Verunreinigungsatome statisch in der Kristallstruktur. Wenn diese trivalenten Verunreinigungsatome freie Elektronen akzeptieren und zu negativen Ionen werden, bleiben die Ionen weiterhin statisch. Ähnlich, wenn ein Halbleiterkristall mit pentavalenten Verunreinigungen dotiert wird, ersetzt jedes Verunreinigungsatom einen Halbleiteratom in der Kristallstruktur; daher werden diese Verunreinigungsatome statisch in der Kristallstruktur.

Jedes pentavale Verunreinigungsatom in der Kristallstruktur hat ein zusätzliches Elektron im äußersten Orbit, das es leicht als freies Elektron entfernen kann. Wenn es dieses Elektron entfernt, wird es zu positiv geladenen Ionen.

Da pentavale Verunreinigungsatome Elektronen an den Halbleiterkristall spenden, werden sie Spenderverunreinigungen genannt. Wir diskutieren statische Akzeptor- und Spenderverunreinigungsatome, weil sie eine Schlüsselrolle bei der Bildung der PN-Schicht spielen.

Wenn ein p-dotierter Halbleiter mit einem n-dotierten Halbleiter in Kontakt kommt, migrieren die freien Elektronen auf dem n-dotierten Halbleiter in der Nähe der Schicht zunächst zum p-dotierten Halbleiter aufgrund der Diffusion, da die Konzentration der freien Elektronen im n-dotierten Bereich viel höher ist als im p-dotierten Bereich.

Die Elektronen, die in den p-Bereich kommen, verbinden sich mit den ersten gefundenen Löchern. Das bedeutet, dass die freien Elektronen, die aus dem n-dotierten Bereich stammen, sich mit den Akzeptorverunreinigungsatomen in der Nähe der Schicht verbinden. Dieses Phänomen bildet negative Ionen.

Da die Akzeptorverunreinigungsatome in der Nähe der Schicht im p-dotierten Bereich zu negativen Ionen werden, gibt es eine Schicht negativer statischer Ionen im p-Bereich, der an die Schicht angrenzt.

Die freien Elektronen im n-dotierten Bereich werden zunächst in den p-dotierten Bereich wandern, bevor die freien Elektronen im n-dotierten Bereich, die weiter von der Schicht entfernt sind, folgen. Dies bildet eine Schicht statischer positiver Ionen im n-dotierten Bereich, der an die Schicht angrenzt.

Nach der Bildung einer ausreichend dicken Schicht positiver Ionen im n-dotierten Bereich und negativer Ionen im p-dotierten Bereich, wird es keine weitere Diffusion von Elektronen vom n-dotierten Bereich zum p-dotierten Bereich geben, da es eine negative Wand vor den freien Elektronen gibt. Diese beiden Ionenlagen bilden die PN-Schicht.

Da eine Lage negativ geladen und die andere positiv geladen ist, entsteht ein elektrisches Potential über der Schicht, das als Potentialsperre wirkt. Diese Barrierepotential hängt vom Halbleitermaterial, Dotiergrad und Temperatur ab.

Es wurde festgestellt, dass das Barrierepotential für Germaniumhalbleiter 0,3 Volt bei 25°C beträgt, und es für Siliziumhalbleiter 0,7 Volt bei der gleichen Temperatur beträgt.

Diese Potentialsperre enthält keine freien Elektronen oder Löcher, da alle freien Elektronen in dieser Region mit Löchern kombiniert sind und aufgrund des Mangel an Ladungsträgern (Elektronen oder Löchern) in dieser Region auch als Depletionsschicht bezeichnet wird. Obwohl die Diffusion von freien Elektronen und Löchern nach der Erstellung einer bestimmten dicken Depletionsschicht aufhört, ist diese Dicke praktisch sehr gering und liegt im Bereich von Mikrometern.