Mikä on PN-liitos?
Mikä on PN-liitos?
PN-liiton määritelmä
PN-liitoksella tarkoitetaan p-tyypin ja n-tyypin puolijohtimateriaalien rajapintaa yhden kristallin sisällä.
PN-liiton luominen
Katsotaan nyt, miten tämä pn-liitos luodaan. P-tyypisessä puolijohteessa on paljon aukkoja ja n-tyypisessä puolijohteessa paljon vapaita elektroneja.
Jälleen p-tyypisessä puolijohteessa on lukuisia kolmiarvoisia epäpuhtauksia, ja ideaalisesti jokainen aukko p-tyypisessä puolijohteessa liittyy yhteen kolmiarvoiseen epäpuhtauteen.
Käytämme sanaa 'ideaalinen', koska jätämme huomiotta termisesti tuotetut elektronit ja aukot kristallissa. Kun elektroni täyttää aukon, kyseinen aukkoon liittyvä epäpuhtausatomi muuttuu negatiiviseksi ioniksi.
Tämä johtuu siitä, että se sisältää nyt ylimääräisen elektronin. Koska kolmiarvoiset epäpuhtauksiat atomit hyväksyvät elektroneja ja muuttuvat negatiivisesti varautuneiksi, epäpuhtaudelle annetaan nimi akseptori. Epäpuhtausatomit korvaavat samanlaisen määrän puolijohtimateriaalin atomeja kristallisessa rakenteessa ja asettuvat paikoilleen kristallisessa rakenteessa.
Näin ollen epäpuhtausatomit ovat staattisia kristallisessa rakenteessa. Kun nämä kolmiarvoiset epäpuhtausatomit hyväksyvät vapaat elektronit ja muuttuvat negatiivisiksi ioneiksi, ionit pysyvät edelleen paikoillaan. Samalla tavoin, kun puolijohtimateriaaliin lisätään viisiarvoista epäpuhtautta, jokainen epäpuhtausatomi korvaa puolijohtimateriaalin atomia kristallisessa rakenteessa; siksi nämä epäpuhtausatomit ovat staattisia kristallisessa rakenteessa.
Jokaisella viisiarvoisella epäpuhtausatomilla kristallisessa rakenteessa on yksi ylimääräinen elektroni ulkoimmassa kiertoradassaan, jonka se voi helposti poistaa vapaaksi elektroniksi. Kun se poistaa elektronin, se muuttuu positiivisesti varautuneeksi ioniksi.
Koska viisiarvoiset epäpuhtausatomit antavat elektroneja puolijohtimateriaalille, niitä kutsutaan donoreiksi. Keskustelemme staattisista akseptori- ja donoriepäpuhtausatomeista, koska ne ovat keskeisiä rooleissa pn-liiton muodostamisessa.
Kun p-tyypinen puolijohtimateriaali tulee yhteyteen n-tyypisen puolijohtimateriaalin kanssa, n-tyypisellä puolijohtimateriaalilla olevat vapaat elektronit lähempänä liitosta ensin siirtyvät p-tyypiseen puolijohtimateriaaliin diffuusioiden vuoksi, koska vapaan elektronin pitoisuus on paljon suurempi n-tyypisessä alueessa kuin p-tyypisessä alueessa.
P-alueeseen tulleet elektronit yhdistyvät ensimmäiseen löytämäänsä aukkoon. Tämä tarkoittaa, että n-tyypisestä alueesta tulevat vapaat elektronit yhdistyvät lähempänä liitosta oleviin akseptoriepäpuhtausatomeihin. Tämä ilmiö tekee negatiivisista ionien.
Kun lähempänä liitosta olevat akseptoriepäpuhtausatomit p-tyypisessä alueessa muuttuvat negatiivisiksi ioneiksi, p-alueessa tulee olemaan kerros negatiivisista staattisista ioneista lähempänä liitosta.
Vapaat elektronit n-tyypisessä alueessa siirtyvät ensin p-tyypiseen alueeseen kuin vapaat elektronit n-tyypisessä alueessa, joka on kauempana liitoksesta. Tämä luo kerroksen staattisista positiivisista ioneista n-tyypisessä alueessa lähempänä liitosta.
Kun riittävän paksu kerros positiivisista ioneista n-tyypisessä alueessa ja negatiivisista ioneista p-tyypisessä alueessa on muodostunut, ei ole enää vapaan elektronin diffuusiota n-tyypisestä alueesta p-tyypiseen alueeseen, koska vapaan elektronin edessä on negatiivinen seinä. Nämä molemmat ionikerrokset muodostavat PN-liiton.
Koska toinen kerros on negatiivisesti varautunut ja toinen positiivisesti, muodostuu sähköinen potentiaali liitoksen yli, toimien potentiaalina esteenä. Tämä esteen potentiaali riippuu puolijohtimateriaalista, doppingitasosta ja lämpötilasta.
On havaittu, että esteen potentiaali germanium-puolijohtimateriaalissa on 0,3 voltia 25°C:ssa, ja silicium-puolijohtimateriaalissa 0,7 voltia samassa lämpötilassa.
Tämä potentiaaleste ei sisällä mitään vapaata elektronia tai aukkoa, koska kaikki vapaat elektronit ovat yhdistyneet aukkojen kanssa tällä alueella, ja tämän alueen varautujen kuljetinta (elektroonit tai aukot) vähenemisen vuoksi sitä kutsutaan myös tyhjentäväksi alueeksi. Vaikka vapaan elektronin ja aukon diffuusio lopetetaan tietyllä paksuudella tyhjentävällä kerroksella, tämä tyhjentävän kerroksen paksuus on käytännössä hyvin pieni mikrometreiden mittaluokassa.
