Τι είναι μια σύνδεση PN;

Τι είναι μια σύνδεση PN;

Ορισμός Σύνδεσης PN

Η σύνδεση PN ορίζεται ως διάσταση μεταξύ υλικών πολυκρυστάλλων τύπου p και n σε έναν μονοκρύσταλλο.

Δημιουργία Σύνδεσης PN

Εξετάζουμε τώρα πώς δημιουργείται αυτή η σύνδεση PN. Υπάρχουν πολλά κενά στο υλικό τύπου p και πολλά ελεύθερα ηλεκτρόνια στο υλικό τύπου n.

Στο υλικό τύπου p, υπάρχουν πολλά τριβαλέντα ξένα άτομα, και ιδανικά, κάθε κένωμα στο υλικό τύπου p συνδέεται με ένα τριβαλέντο ξένο άτομο.

Χρησιμοποιούμε τον όρο "ιδανικό" γιατί παραβλέπουμε τα θερμικά παραγόμενα ηλεκτρόνια και κενά στον κρύσταλλο. Όταν ένα ηλεκτρόνιο συμπληρώνει ένα κένωμα, το ξένο άτομο που συνδέεται με αυτό το κένωμα γίνεται αρνητικό ιόν.

Αυτό συμβαίνει γιατί πλέον περιέχει ένα επιπλέον ηλεκτρόνιο. Επειδή τα τριβαλέντα ξένα άτομα αποδέχονται ηλεκτρόνια και γίνονται αρνητικά φορτία, το ξένο άτομο ονομάζεται ξένο άτομο-αποδέκτης. Τα ξένα άτομα αντικαθιστούν ίσο αριθμό άτομων πολυκρυστάλλου στον κρύσταλλο και τοποθετούνται στο κρυσταλλικό πλάσμα.

Επομένως, τα ξένα άτομα είναι σταθερά στο κρυσταλλικό πλάσμα. Όταν αυτά τα τριβαλέντα ξένα άτομα αποδέχονται ελεύθερα ηλεκτρόνια και γίνονται αρνητικά ιόντα, τα ιόντα παραμένουν σταθερά. Ομοίως, όταν ένας κρύσταλλος πολυκρυστάλλου περιέχει πενταβαλέντα ξένα άτομα, κάθε άτομο ξένου αντικαθιστά ένα άτομο πολυκρυστάλλου στο κρυσταλλικό πλάσμα, και επομένως αυτά τα ξένα άτομα γίνονται σταθερά στο κρυσταλλικό πλάσμα.

Κάθε πενταβαλέντο ξένο άτομο στο κρυσταλλικό πλάσμα έχει ένα επιπλέον ηλεκτρόνιο στον εξωτερικό τροχιακό, το οποίο μπορεί εύκολα να αφαιρέσει ως ελεύθερο ηλεκτρόνιο. Όταν αφαιρεί αυτό το ηλεκτρόνιο, γίνεται θετικό ιόν.

Επειδή τα πενταβαλέντα ξένα άτομα δίνουν ηλεκτρόνια στον κρύσταλλο πολυκρυστάλλου, ονομάζονται ξένα άτομα-δότης. Συζητάμε για σταθερά ξένα άτομα-αποδέκτης και ξένα άτομα-δότης, γιατί παίζουν κεντρικό ρόλο στη δημιουργία της σύνδεσης PN.

Όταν ένα υλικό τύπου p έρχεται σε επαφή με ένα υλικό τύπου n, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια στο υλικό τύπου n πιο κοντά στη σύνδεση μετακινούνται πρώτα στο υλικό τύπου p λόγω διάχυσης, γιατί η συγκέντρωση των ελεύθερων ηλεκτρονίων είναι πολύ μεγαλύτερη στην περιοχή τύπου n από την περιοχή τύπου p.

Τα ηλεκτρόνια που έρχονται στην περιοχή p θα συνδυαστούν με τα κενά που βρίσκουν πρώτα. Αυτό σημαίνει ότι τα ελεύθερα ηλεκτρόνια που προέρχονται από την περιοχή τύπου n θα συνδυαστούν με τα ξένα άτομα-αποδέκτης πιο κοντά στη σύνδεση. Αυτό το φαινόμενο δημιουργεί αρνητικά ιόντα.

Επειδή τα ξένα άτομα-αποδέκτης πιο κοντά στη σύνδεση στην περιοχή τύπου p, γίνονται αρνητικά ιόντα, θα υπάρχει ένα στρώμα αρνητικών σταθερών ιόντων στην περιοχή p κοντά στη σύνδεση.

Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια στην περιοχή τύπου n θα μετακινηθούν πρώτα στην περιοχή τύπου p από τα ελεύθερα ηλεκτρόνια στην περιοχή τύπου n μακριά από τη σύνδεση. Αυτό δημιουργεί ένα στρώμα θετικών σταθερών ιόντων στην περιοχή τύπου n κοντά στη σύνδεση.

Μετά τη δημιουργία ενός αρκετά παχούς στρώματος θετικών ιόντων στην περιοχή τύπου n και αρνητικών ιόντων στην περιοχή τύπου p, δεν θα υπάρξει πλέον διάχυση ηλεκτρονίων από την περιοχή τύπου n στην περιοχή τύπου p, γιατί υπάρχει ένα αρνητικό τείχος μπροστά στα ελεύθερα ηλεκτρόνια. Αυτά τα δύο στρώματα ιόντων σχηματίζουν τη σύνδεση PN.

Επειδή ένα στρώμα είναι αρνητικά φορτισμένο και το άλλο θετικά, δημιουργείται ηλεκτρικό δυναμικό μεταξύ της σύνδεσης, δρώντας ως δυναμικό εμπόδιο. Αυτό το δυναμικό εμπόδιο εξαρτάται από το υλικό πολυκρυστάλλου, το επίπεδο δοπάνης και τη θερμοκρασία.

Βρίσκεται ότι το δυναμικό εμπόδιο για το υλικό germanium είναι 0,3 βολτ στη θερμοκρασία 25°C, και για το υλικό silicon είναι 0,7 βολτ στην ίδια θερμοκρασία.

Αυτό το δυναμικό εμπόδιο δεν περιέχει κανένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο ή κένωμα, γιατί όλα τα ελεύθερα ηλεκτρόνια έχουν συνδυαστεί με κενά σε αυτή την περιοχή, και λόγω της εξάντλησης των φορέων φορτίου (ηλεκτρονίων ή κενών) σε αυτή την περιοχή, ονομάζεται επίσης περιοχή εξάντλησης. Παρ' όλα αυτά, η διάχυση των ελεύθερων ηλεκτρονίων και κενών σταματά μετά τη δημιουργία ενός αρκετά παχούς στρώματος εξάντλησης, αλλά πρακτικά αυτό το πάχος του στρώματος εξάντλησης είναι πολύ μικρό, σε τάξη μικρομέτρων.